智能大棚系统实训报告

1竞赛实训课程设计报告系别:信息科学与电气工程学院班级:姓名:学号:指导教师:实践地点:实验楼406时间:2014年5月19日至2014年6月6日2摘要随着科技的发展，以广泛应用现代科学技术为主要标志的现代农业应运而生。现代农业采用先进的科学技术和生产要素装备农业，实现农业生产机械化、电气化、信息化、生物化，同时实现农业组织管理的现代化，实现农业生产专业化、社会化、区域化和企业化。随着现代农业的迅速发展，国家政策的大力扶持，各类农业现代化设备制造企业蓬勃发展。智能大棚系统是我们针对农业机械化、规模化生产所设计的现代化农业设备。他可实现温度控制、干湿度自动调节及其他功能。根据光照强度自动控制系统内温度，同时检测土壤干湿度进行自动灌溉。关键字：现代农业、智能大棚系统、温度检测、自动灌溉。3目录第一节引言..........................................1第二节智能大棚系统功能及方案设计.....................12.1设计要求......................................................12.2总体方案论证与比较............................................2第三节模块设计.......................................23.1直流电机驱动模块..............................................23.2土壤湿度检测模块..............................................33.3电源模块.............................................33.4卷帘机及光电传感器模块........................................4第四节程序设计流程图...................................54.1单片机系统的组成..............................................54.2PWM调速的实现................................................54.3温度显示及检测模块的实现......................................84.4数码管显示模块的实现.........................................104.5光电传感模块的实现...........................................104.6系统分析.....................................................11第五节结论...........................................12附录...................................................134第一节引言随着科技的发展，以广泛应用现代科学技术为主要标志的现代农业应运而生。现代农业采用先进的科学技术和生产要素装备农业，实现农业生产机械化、电气化、信息化、生物化，同时实现农业组织管理的现代化，实现农业生产专业化、社会化、区域化和企业化。随着现代农业的迅速发展，国家政策的大力扶持，各类农业现代化设备制造企业蓬勃发展。智能大棚系统便是现代农业装备的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。智能大棚系统具有温度自动调节和湿度自动调节功能。可根据系统内温度通过卷帘模块卷起或放下保温帘，以维持系统内温度适宜，当光电传感器检测到停止信号时，卷帘机停止运动；土壤干湿度检测模块可通过多路信号对土壤的干湿度进行检测，通过控制系统与预先设定值进行比较，从而利用水泵进行灌溉，当土壤湿度达到设定值时，土壤湿度检测模块停止灌溉。卷帘系统采用直流电动机，满足不同负载的要求，实现均匀、平滑的无级调速；同时具有较大的启动力矩。供电模块采用220V交流电和直流稳压电源，为控制系统提供15V直流电。后续扩展模块包括：基于GSM的远距离控制模块、系统二氧化碳浓度监测模块等。本智能大棚系统满足现代农业技术装备的要求具有广阔的市场和发展空间。第二节智能大棚系统功能及设计方案2.1设计要求（1）设计任务智能大棚系统内温度和湿度自动检测和调节。（2）设计要求1）根据系统内的实际温度比较设定的温度值实现保温帘拉起或放下，光电传感器检测到停止信号时，卷帘机停止运动，同时实时显示温度。2）根据系统内土壤湿度和设定的湿度值比较实现自动灌溉。2.2总体方案论证与比较（1）控制系统根据设计要求，我们认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下方案并进行了综合论证，具体如下：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制系统内的各个变量，以实现其既定的性能指标。我们选定了ATMEL89C52RC单片机作为本设计的主控装置。（2）直流电机驱动模块（L298N）采用双H桥大功率驱动芯片。根据系统中电流、电压以及电动机在启动过程中的堵5转、瞬时启动电流等参数，采用大功率的驱动芯片。同时，考虑到电机在实际运行过程中的稳定性，采用PWM无级调速。这种双极性脉冲调制方式具有很多优点，例如电流的连续；电机可在四象限运行；电机停止时有微振电流，起到了“动力润滑作用”，消除了正反相时的静摩擦死去；低速运行平稳性较好。采用PWM占空比调整电动机的电机转速，每一组PWM波用来控制一个电机的转速，另外的I/O口可以控制电机的正反转，控制比较简单，电路也较简单。（3）土壤湿度检测模块土壤湿度检测模块的关键是湿度传感器。该模块利用AD转换装置将土壤湿度传感器检测的模拟信号转换为单片机可以识别的数字信号，并通过I2C总线（I2C（Inter－IntegratedCircuit）将该信号传送给单片机，单片机根据信号控制是否灌溉。本模块采用FC-28土壤湿度传感器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点，同时测量精度高、性能可靠。（4）其他辅助模块温度显示模块采用最小系统中的数码管显示，直流电机采用25G-A280-150，温度传感器采用DS18b20，光电传感器采用E18-8MNK,电源模块采用THDPJ-2单片机开发综合试验箱中的直流电源。第三节模块设计3.1直流电机驱动模块（L298N）采用双H桥大功率驱动芯片。根据系统中电流、电压、以及电动机在启动过程中的堵转、瞬时启动电流等参数，采用大功率的驱动芯片。同时，考虑到电机在实际运行过程中的稳定性，采用PWM无极调速。在电机的运行过程中，消除了由于信号不稳定而引起的电机“爬行现象”，使电机平稳运行；同时，消除了在启动时，由于自身惯性而产生的冲击现象。直流减速电机使用一路H桥，每个电机设置一个方向控制端，控制电机的转向。单个通道可以向电机提供小于20A的驱动电流，满足了电机的启动要求，其最大的优点是内部还集成有续流二极管，该芯片的功耗也比较小比较适合直流电动机或步进电机的驱动。图1L298N图2H桥驱动芯片63.2土壤湿度检测模块该模块利用AD转换装置将土壤湿度传感器检测到的模拟信号转换为单片机可以识别的数字信号，并通过I2C总线（I2C（Inter－IntegratedCircuit）将该信号传送给单片机，单片机根据信号决定是否灌溉。本模块采用FC-28土壤湿度传感器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点，同时测量精度高、性能可靠。图3AD转化模块电路图4土壤湿度传感器电路图5土壤湿度传感器3.3电源模块智能大棚系统的电源部分采用15V直流电和220V交流电。可以提供充足的电压。同时，在硬件方面，为了防止输出电压过高在电源输出的末端采用了两个稳压管，以保证两条PWM调速通道的电压稳定，避免由于电源而引起的调速干扰，从而维持电机的稳定运行。7图615V直流电源3.4卷帘机及光电传感器模块当温度达到设定值时，直流电动机带动卷帘机运动。同时，在卷帘机的运动过程中，当光电传感器检测到卷帘机运动到极限位置时，给单片机发出停止信号，卷帘机停止运动。NPN型光电传感器，未收到信号时，输出为高电平，当采集到外部信号后，输出为低电平。图7光电传感器电路图8卷帘机图9光电传感器8第四节程序设计流程图否是4.1单片机系统的组成单片机系统是整个智能大棚系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。主要组成：单片机ATMELC52一块、电机驱动芯片及各类传感器、数码管显示。4.2PWM调速的实现PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上的电压，从而控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。采用了单片机内部的定时器触发来产生脉冲信号，通过调节周期以及占空比就可以调节PWM输出波形，进而改变输出电压，以达到控制电机的目的。通过示波器测试后确认单片产生合格的脉冲信号。PWM控制原理：每一组PWM波用来控制一个电机的速度，另外的IO口控制电机的转向，控制比较简单，电路也比较简单，简化了电路的复杂性，P2^5、P2^6控制右侧电机的转向，P2^0、P2^1控制左侧电机的转向；P0^4控制左侧电机的速度,P1^6控制右侧电机的速度。单片机上电温度传感器、土壤传感器采集数据A/D转换LED显示（温度）数据是否满足要求？水泵启动、卷帘机运行结束9图10PWM理想波形两个电机的PWM调速程序：#includereg52.hunsignedcharPWM1;sbitIN1=P2^0;sbitIN2=P2^1;sbitIN3=P2^2;sbitIN4=P2^3;sbitPWM_zuo=P0^4;sbitPWM_you=P0^5;sbitKey1=P3^1;sbitKey2=P3^0;sbitKey3=P3^2;CYCLE=10;count=0;PWM_ON1=7;PWM_ON2=7;voidchushihua(){TMOD=0x10;TH1=0xff;TL1=0xfc;IE=0x88;TR1=1;}voiddianji(){PWM_zuo=PWM_you=PWM1;//PWM_you=PWM2;}voidzhengzhuan(){IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=1;10}voidfanzhuan(){IN1=0;IN2=1;IN3=1;IN4=0;}voidting(){IN1=0;IN2=0;IN3=0;IN4=0;}voidmain(){chushihua();while(1){IN1=1;IN2=1;IN3=1;IN4=1;if(Key1==0){zhengzhuan();}if(Key2==0){fanzhuan();}if(Key3==0){ting();}//IN1=1;//IN2=0;//IN3=0;//IN4=1;dianji();11}}voidtime0(void)interrupt3using1{TH1=0xff;TL1=0xfc;count++;if(countPWM_ON1){PWM1=0;}elsePWM1=1;//if(countPWM_ON2)//{//PWM2=0;//}//elsePWM2=1;if(count=CYCLE){co