基于单片机的农业环境监测采集仪的研制 毕业论文2.docx

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基于单片机的农业环境监测采集仪的研制毕业论文2

基于单片机的农业环境监测采集仪的研制

作者：

指导老师：

（X学院10电气工程及其自动化230036）

摘要：

信息的采集和远传是当今农业物联网的关键技术。

本设计意在研制一种采集农业数据的仪器。

农业环境监测采集仪基于单片机控制，利用传感器和GSM通讯技术开发了一个数据采集与远传的系统，从而实现对田间土壤和空气温湿度的采集。

该系统包括单片机控制，MAX485转换模块、显示模块、信息存储模块及GSM通讯接口电路等；主要实现数据的采集、显示、存储与远传。

实验测试表明了该系统设计的可行性，随着可靠性的逐步改善，信息的采集与远传技术有望成为精准农业的主导！

关键词：

单片机传感器采集GSM通讯

1引言

农业环境监测是运用物理、化学、生物手段获取农业环境质量信息，并据此提出防止污染，保护农业环境对策的过程。

它是农业环境保护的基础工作。

信息采集是我们了解外部环境的重要渠道，对一些人身以外的信息都是通过数据采集而来的，比如天气情况，气温，紫外线强度等，这些为我们每天的出门做了准备。

当然，把采集到的数据信息发送给我们的手机或者电脑，会更加方便我们对其的研究。

本设计就是单片机与传感器相连采集信息，存储后，再利用GSM短信模块上传数据的，将采集到的数据以短信的形式发送到手机或电脑。

2系统结构图

图1系统结构图

3设计的背景及意义

近年来，信息的采集与远传技术越来越受人关注，尤其在农业环境的监测方面，其作用是有目共睹的。

现代农业，广泛应用传感器技术，首先采集农业中的多个参数，然后采用控制变量的方法，对其中某一个变量进行监测与控制，这样能帮助人们科学的认识农业。

准确实时的采集农作物周围的环境和土壤信息，对农作物的研究，合理资源利用和环境保护都是非常必要的。

农业物联网是通过不同的传感器，采集农业生产环境中的各种信息，然后经过仪器实时显示，确保农作物有个良好、适宜的生长环境。

传感器是农业物联网中最基本的数据采集单元，并将采集到的数据转化成电信号或其他所需形式输出，以实现自动化、智能化和远程控制。

随着各类传感器技术的不断完善，以及传感器生产规模的扩大，其生产成本也在大大降低，再加上远传技术的快速发展，农业互联网系统将迈出新的步伐，真正实现农业精准化。

4系统设计的模块组成及工作原理

本次农业环境监测采集仪的设计模块组成主要包括5个部分：

单片机控制器模块、传感器通讯模块、GSM通讯模块、显示模块和电源供电模块。

4.1单片机控制器模块

这次农业信息采集仪的研制采用的是单片机是STC89C516RD+单片机，设计中传感器通讯、GSM通讯、数据的存储和显示模块都是基于单片机控制的。

STC89C516RD+单片机具有36个可操作的I/O口，其外围电路涉及了传感器通讯和GSM模块，电子元件较多，且都需要使用串口通信功能，但是该单片机只有一个串口接口，P30口和P31口，I/O资源不够分配，故需要扩展I/O口。

P32、P33、P34、P35这四个接口连接按键；P03到P07与P20到P27这些接口分别和LCD12864相连；P01、P04和P14接口与PCF8583相连；P10、P11、P12、P13和AT45DB081B_R存储器连接。

本次设计通过4052串口分时复用来实现。

并在4052输出端接了一块7404芯片。

其中，7404芯片是缓冲驱动器，起到输出更大驱动电流的作用。

而且7407芯片中的各门之间是独立的，电路里各通道是没有功能联系的。

而且其是集电极开路输出，它的输出脚还要通过外接上拉电阻接到一个电压较高的正电源上。

图2STC89C516RD+单片机

图3串口分时复用模块

AT45DB081B_R存储器使用SPI串行外设接口，可以进行页编程操作，。

在对页编程时允许缓冲器接收数据和读写连续的数据流。

Flash数据存储首先要拉高所有逻辑门的电平，这样才能确保改变某些串口的电平时，能够真正做到高电平向低电平的转化。

AT45DB081B_R与STC89C516RD+单片机相连的管脚有串口输入SI、串口输出SO、时钟信号SCK和芯片选择/CS这四个，分别连线P10、P11、P12和P13接口。

它用途广泛，可以用来存储声音、图片、程序、数据等。

图4AT45DB081B_RU

4.2传感器通讯模块

传感器通讯模块包括MAX485芯片以及PS2—4IN输入接口两部分。

其传输数据的原理是：

例如测量土壤温度，单片机需要向温度传感器发送一个请求信号，温度传感器在收到这一请求信号后，会向单片机返回土壤温度这一数字量。

在这次农业环境监测中，采用不同的传感器将检测到的空气温湿度、土壤温度、土壤水分封装成一个固定的通讯协议，并通过RS485将数据发送给接收设备。

RS485电路起到中间桥梁的作用，MAX485芯片连接在单片机与传感器之间，使其能够有效的产生通讯。

本文中用到的传感器有：

土壤温度传感器、土壤水分传感器、空气温湿度传感器。

MAX485是一种接口芯片。

用于RS485通信的低功耗收发器，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。

MAX485芯片中，RO和TI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，和单片机连接时，分别与单片机的RXD和TXD相连即可。

/RE和DE分别为接收和发送的使能端，/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；DE逻辑1时，器件处于发送状态。

因为它工作在半双工状态，只需要单片机的一个管脚来控制这两个引脚。

这次设计中，连接的是单片机的P0^0口，即实现一个信号控制MAX485的接收和发送状态。

图5传感器通讯模块

4.3GSM通讯模块

这次农业环境监测采集仪的设计，GSM模块采用的是西门子TC35模块。

TC35模块自带串行通信接口，可以方便的与PC机、单片机进行串口通信，从而实现对TC35模块的控制。

考虑到接口的简单性，TC35采用两线（TXD、RXD）连接。

本文主要介绍了基于单片机的控制下，怎样利用TC35模块发送短信。

单片机对GSM通讯的操作，是通过AT指令集来实现的。

操作流程是：

单片机和GSM模块通过RXD、TXD引脚联系起来，向TC35模块发送“AT”指令。

首先发送“AT+CSCA=”设置短信中心号码，然后发送指令码“AT+CMGS=“+13956941329””设置向某人发送短消息，TC35GSM模块在接收到这个“AT”指令后，将会返回给单片机以上“AT”指令码，代表着单片机和GSM之间已经建立了联系，发送目标号码；其次发送指令码“AT+CMGF=MODE”设置短信编码格式,MODE=1时，说明设置的短信编码格式是TEXT模式，MODE=0时，说明设置的短信编码格式是PDU模式；短信编码格式设置完毕后，GSM模块会给单片机返回一个‘>’符号，表示单片机就开始发送短信息的具体内容了；在发送完需要的短信内容后，就可以发送一个ASCII码为0x1A的符号完成最后发送。

这时等待GSM给单片机返回一个“OK”字符串，意为成功的发送短消息。

单片机通过AT指令控制GSM通讯

操作说明

AT+CSCA=“”

设置短信中心号码

AT+CMGS=“”

设置给某人发送短消息，GSM返回给单片机以上“AT”指令

“AT+CMGF=MODE”

设置短信编码格式。

MODE=1，TEXT模式，MODE=0时，PDU模式

GSM给单片机返回“>”符号

开始发送消息，并以ASCII码是0X1A符号作为文件结束符

GSM给单片机返回“OK”字符串

成功发送消息

图6TC35“AT指令”

图7GSM模块

4.4显示模块

显示模块，其实就是显示所监测的试验数据。

只有通过显示装置，如显示屏，才能直观的将设计的实质性内容表达出来。

人们可直接通过显示装置观察数据的信息，从而进行设计验证和改进。

本设计，用的是LCD12864显示屏。

LCD12864显示屏拥有8个数据传输接口，DB0-DB7。

采用的是8位并行口（PSB引脚为高电平，通过PSB管脚控制）工作方式，具有发送数据和传达指令的功能（RS是高电平时，传达数据；RS是低电平时，传达命令。

通过RS管脚控制）。

也可以通过控制3管脚和18管脚来调节屏幕亮度。

图8LCD12864显示模块

另外，显示屏上年、月、日、时、分、秒时间的显示用的是PCF8583日历/时钟芯片，该芯片是IIC总线工作，有IIC总线的两条传输线，SDA双向数据线和SCL时钟线。

PCF8583通过这两条传输线，与单片机连接起来，进行数据的收发和时钟设置控制，其RAM片内是带有特殊功能的寄存器。

将PCF8583的SDA双向数据线和SCL时钟线接口分别接到STC89C516RD+单片机的P01和P02接口，再把数据信息传送到LCD12864显示屏上。

外部中断/INT0端接到P14口。

图9PCF8583日历/时钟芯片

4.5电源供电模块

电源供电是一个系统电路中必不可少的，没有电源，任何的器件都无法工作。

本设计所用传感器的驱动电压是9V，STC89C516RD+单片机和LCD12864显示屏的供电电压是5V,其他器件的驱动电压是3.3V。

所以电源电路采用三路电压输出，一路是5V，一路是3.3V，输入电压是9V。

图10电源供电模块

结论

本文针对农业环境监测研究设计了一种基于单片机的数据采集仪，完成系统的硬件和软件设计。

该系统以单片机为核心，构建了包括空气和土壤温湿度，、土壤水分等基本数据的采集系统，采用了传感器通信、GSM通讯等多种数据通讯与存储方式，增强了网络互连功能，便于与其他装置建立智能系统。

这次的设计，我学到了一些新知识：

⑴充分了解了单片机与传感器在数据采集中发挥的作用，并逐步熟悉并掌握这些知识，要坚持学会把单片机的功能更多的运用到其他设计与研究中！

⑵研究了农业环境数据的采集和控制，学会用GSM短信模块，通过手机或者电脑处理采集到的数据信息。

⑶此次农业环境监测采集仪的研制，是一个结合众多知识面的综合设计，从硬件到软件，从采集数据的接收发到各个芯片之间的通信，各模块看似独立但又存在着千丝万缕的联系。

致谢

毕业设计已经接近尾声了，首先我要感谢我的指导老师！

感谢他这个学期以来的悉心教诲，更感谢他对我不厌其烦的解说，在此郑重致谢！

其次我还要感谢我们的系主任和专业的其他老师，谢谢你们大学四年来对我专业知识上的教导！

当然，这次毕业设计能够顺利完成，也少不了同学的帮助，感谢你们给我提供参考资料，并及时地对我提出宝贵的意见和建议！

再次衷心感谢毕业设计中所有帮助过我的人，谢谢你们！

参考文献

1：

张毅刚，彭喜元.单片机原理及接口技术.人民邮电出版社，2008

2：

孟祥莲，高洪志.单片机原理及应用.哈尔滨工业大学出版社,2010

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何立民.单片机与嵌入式系统应用.杂志社，2008

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范晶彦.传感器与检测技术应用.北京：

机械工业出版社，2007

5：

王俊峰，孟另启.现代传感器应用技术.北京：

机械工业出版社，2007

6：

Ma,Yuchun,Huang,Yinghong.GeneralApplicationResearchOnGSMModule[R].2010

7：

Ray,P.s,Ham.TheControlSystemBasedOnGSMShortMessageApplicationsintheAppliancesControl[R].2012

8：

KV,Natarajan.GSMBasedBusLocationtrackingandPassengerdensitydetectionsystem[R].2011

TitleThedevelopmentoftheagriculturalenvironmentalmonitoringbasedonSinglechip.

Abstract

TheinformationcollectionandlongdistancetransmissionisthekeytechnologyoftheAgriculturalInternetofThings.Inordertocollecttheagriculturaldata,thisdesignwoulddevelopaninstrumentaboutthis.TheinstrumentofcollectingagriculturaldatamonitoringisbasedonMCU,anditopensupasystemabouttheinformationcollectionandtransmission,takenadvantageofthesensorandGSMcommunicationtechnology.ThesystemcontainsthatthecontrolofMCU,thetransformofMAX485,thedisplaymudules,theinformationstorageandGSMcommunicationandsoon.It’smainrealizationiscollectingthedata,display,storageandlongdistancetransmission.Theexperimentaltestingindicatesthatthefeasibilityofthissystem,alongwiththeimprovementofthereliability,theinformationcollectionandlongdistancetransmissionthchnologyishopefultobetheguideoftheprecisionagriculture!

KeywordsSinglechipSensorAcquisitionGSMmessage

附录：

1：

土壤温度传感器

2：

空气温湿度传感器

3：

土壤湿度传感器