基于Corex-M3的农业大棚自动控制系统.doc

1、键入文字摘 要温室大棚是设施农业的重要组成部分，是我国农业发展的重点之一，国内外温室种植业的实践经验表明，提高农业大棚的自动控制和管理水平可充分发挥农业的高效性。本设计以Cortex-M3为核心，实现了农业大棚的自动化控制。对大棚环境中的各种信息进行采集，设计了一套能实时控制温室内温度、湿度、光照强度以及土壤湿度等多参数的测控系统。通过该系统的自动调节作用，使温室中环境参数处于事先确定的最佳值，为农作物提供良好的生长环境，并以液晶显示方式通知给用户。本设计综合运用了TFT液晶显示、AM2301温湿度传感器等功能模块，实现了农业大棚的自动控制。关键词：Cortex-M3；温度；湿度；光照；自动控

2、制AbstractGreenhouse canopy is an important part of facilities agriculture, is one of the focal points of China agriculture development at home and abroad the basis of the practical experience shows that greenhouse, improve agricultural canopy of automatic control and management level can give full p

3、lay to the efficiency of agriculture. This work take Cortex-M3 as the core, realized the automation of agricultural canopy. In the environment to shed all kinds of information collection, designed a set of real-time control can greenhouse of temperature, humidity, light intensity, and the soil humid

4、ity and so on parameters of the measurement and control system. Through this system, automatic adjustment of the effect, make the greenhouse environment parameters in the best value determined in advance, for the growth of crops provide good environment, and liquid crystal display (LCD) way to notic

5、e to the user. This design comprehensive use TFT LCD display, the AM2301 temperature and humidity sensor etc function module, realize the automatic control of agricultural canopy.Key words: Cortex-M3; Temperature; Humidity; Light Intensity; Automatic ControlII目 录摘 要IAbstractII第1章 系统方案1第2章 功能与原理2第1节

6、实现功能2第2节 实现原理2第3章 软件设计8第1节 LM3S2948单片机介绍8第2节 程序设计10结 论12参考文献13致 谢14第1章 系统方案本设计利用了Cortex-M3开发出了一个自动控制高端农业大棚内部环境的系统。如图1-1所示，系统的中心是以Cortex-M3为处理器且集中了丰富的传感器硬件资源，由其完成环境数据的采集和自动处理，该系统具有以下功能和特点：大棚内各种设备的工作状态和内部环境参数可以在液晶屏上直观显示。当大棚内的设备或内部环境变量放生异常时系统本身可进行自动控制，同时显示在液晶屏上以通知用户。Cortex-M3核心部分显示器传 感 器 部 分执 行 机 构温 湿

7、度 传 感 器光 敏 传 感 器光 电 门 传 感 器 手 动 风 扇 通 风 降 温水 泵 喷 淋保 温 布 帘夜 晚 补 光 灯供 电 系 统图1-1系统结构第2章 功能与原理第1节 实现功能本系统是以Cortex-M3为处理器，通过AM2301温湿传感器、光敏电阻实时测控大棚内的温度、湿度和光照强度，如果大棚内的环境发生异常，蜂鸣器自动报警，处理器自动控制风扇、水泵、保温布帘、补光灯等设施调节大棚内的环境以达到植物生长的正常状态。如果温度和湿度超出设定标准，系统自动控制风扇工作来降低温度和湿度达到标准值。温度低于标准值时，系统自动模拟升温。湿度较低时，控制系统通过控制水泵从蓄水池中取水给

8、大棚内的农作物喷淋，防止农作物干旱。当夜晚到来或阴雨天气时，通过外部光敏传感器检测，外部光照不能使大棚内的农作物正常生长时，系统自动控制大棚内的补光灯发光，来补偿农作物的正常光照，同时卷帘下落，覆盖大棚以保持大棚内的温度。当阳光充足时，保温卷帘自动卷起，补光灯自动熄灭。第2节 实现原理2.1 主控制板主控制板的硬件主要包括：Cortex-M3模块、AM2301温湿传感器和驱动板。在本套系统中使用了北京精仪达盛科技有限公司生产的Cortex-M3模块。核心芯片为LM3S-2948，支持最大主频为50MHz的ARM Cortex-M3内核，256Kbyte FLASH，64 Kbyte SRAM，

9、LQFP-100封装。集成CAN控制器、睡眠模块、校正编码器、ADC、带死区PWM、温度传感器、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器、I2C、CCP等外设。配以6MHz主时钟以适应不同的应用需求。为方便CPU仿真及下载程序而提供的侧插JTAG接口。硬件复位按键RESR可以随时按动实现硬件复位。总线接口部分P1、P2、P4实现与扩展板的连接。指示灯D2为电源指示灯，D1为程序运行指示。电源可以通过总线或POWER接口两种方式提供+5V，通过低压差稳压源SP6201EM5-3.3稳压至+3.3V，稳压源SP6201EM5-3.3的稳压电路如图2-1所示。图2-1 SP6201EM5-3.3稳压

10、电路本设计中考虑到系统的安全问题，水泵和风扇等控制部分用继电器进行控制。用L293N来驱动自动升降保温布帘的电动机，并用光电耦合器实现主板与电动机的隔离，防止较大的电流烧毁主控芯片。图2-2为本套系统的主板外扩电路图。图2-2 主板外扩电路图2.2 各环节实现原理温湿度控制大棚内部的温度和湿度通过AM2301温湿传感器采集，处理器实时检测大棚内的温度和湿度，并与标准值进行比较。当温度或湿度高于标准值时，系统自动控制大棚两侧的风扇工作进行通风处理，以达到降温和排除水分的作用。当温度低于标准值时，系统自动控制大棚内的模拟升温装置加热，防止温度低影响大棚内农作物正常生长。当检测到大棚内湿度值低于标准

11、值时，启动喷淋系统进行滴灌，处理器自动控制水泵从蓄水池中取水自动滴灌。防止农作物干旱。喷淋系统是由水泵、蓄水池和滴灌装置构成的。光照强度控制为了保证大棚内的农作物正常生长，需要保证大棚内的光照强度。本设计中的光照强度通过光敏传感器采集，处理器实时检测。当外界光照不足或夜晚时，大棚内的补光系统会自动启动，同时保温布帘会自动下落覆盖在大棚上方，起到保温和遮光的作用。保温布帘的起落和停止由处理器自动控制，通过控制电动机及伸缩轴同时检测光电门的状态实现。2.3 液晶屏本设计中使用了3.2寸TFT彩色液晶屏进行图形文字的显示，屏幕分辨率为240*320，带手写输入功能，26万色，3.3V供电，16位并行

12、数据接口驱动。为用户提供了一个良好的使用界面，用户可以通过显示屏直接获得大棚内部环境的参数和各模块的工作状态。2.4 传感器在本设计中主要应用的传感器有：AM2301温湿传感器、光敏传感器、光电门检测传感器。AM2301温湿传感器本设计中采用了AM2301温湿传感器，用于实时采集大棚内部的温度和湿度。AM2301数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性

13、价比极高等优点。每个AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。且功耗低，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。AM2301为4针单排引脚封装，有连接方便、超低能耗、传输距离远、全部自动化标准、采用电容式湿敏元件、完全互换、标准数字单总线输出、卓越的长期稳定性、采用高精度测量元件等优点。AM2301的引脚分配如表2-1所示：表2-1 AM2301引脚分配引脚 名称 描述 1 VDD 电源（3.5V - 5.5V）

14、2 SDA 串行数据，双向口3 GND 地 4 NC 空脚电源引脚（VDD）AM2301的供电电压范围为3.5V-5.5V，本设计中采用供电电压为5V。串行数据（SDA）SDA引脚为三态结构，用于读、写传感器数据单总线通信模式时，SDA上拉后与微处理器的I/O端口相连。单总线说明：AM2301器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。设备（微处理器）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1K的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只

15、有主机呼叫传感器时，传感器才会应答，因此主机访问传感器都必须严格遵循总线序列，如果出现序列混乱，传感器将不响应主机。光敏传感器本设计中采用了光敏传感器，用于检测大棚外部的光照强度，反馈给处理器来实现对大棚内部光照强度的控制。光敏传感器的伏安特性如图2-3所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明光敏传感器的电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。图2-3 光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的光照特性则如图2-4所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的

16、形状都与图2-4的结果类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件 ，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制系统中光敏电阻用作开关量的光电传感器。图2-4 光敏电阻的光照特性曲线光电传感器本设计中采用了光电门检测传感器, 用其与大棚外侧的伸缩轴和电动机配合实现保温布帘的卷起和下落。光电门是一种一体化反光电探测器，一端有个线性光源，另一端有个光敏电阻，门中无物体阻挡时光照射到光敏电阻上，当有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电压。当门中有物体阻挡时，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。其内置可见光过滤器，能减小离散光的影响。此光电门传感器调理电路简单

17、，工作性能稳定。第3章 软件设计第1节 LM3S2948单片机介绍LM3S2948微控制器包含了下列特性：32位RISC性能；采用为小封装应用方案而优化的 32位ARM CortexTM-M3 v7M架构；提供系统时钟、包括一个简单的24位写清零、递减、自装载计数器，同时具有灵活的控制机制；仅采用与Thumb兼容的Thumb-2指令集以获取更高的代码密度；工作频率为50-MHz；硬件除法和单周期乘法；集成嵌套向量中断控制器（NVIC），使中断的处理更为简捷；35中断具有8个优先等级；带存储器保护单元（MPU），提供特权模式来保护操作系统的功能；非对齐式数据访问，使数据能够更为有效的安置到存储器

18、中；精确的位操作（bit-banding），不仅最大限度的利用了存储器空间而且还改良了对外设的控制。内部存储器256 KB单周期Flash；可由用户管理 对flash块的保护，以2KB为单位；可由用户管理对flash的编程；可由用户定义和管理的flash保护块；64 KB单周期访问的SRAM。通用定时器4个通用定时器模块（GPTM），每个模块都能提供2个16位的定时器/计数器。每个通用定时器模块都能够被设置为独立运作的；定时器或事件计数器（总共有8个）：可用作单个32位的定时器（最多4个）或者用作单个32位的实时时钟（RTC）以捕获事件；用作脉宽调制输出（PWM），或者用作模数转换的触发器；3

19、2位定时器模式；可编程单次触发定时器；可编程周期定时器；当接入32.768-KHz外部时钟输入时可作为实时时钟使用；在调试的时候，当控制器发出CPU暂停标志时，用户可以设定暂停定时器的周期或单次触发模式；ADC事件触发器；16位定时器模式；通用定时器功能，并带一个8位的预分频器；可编程单次触发定时器；可编程周期定时器；在调试的时候，当控制器发出CPU暂停标志时，用户可设定暂停周期或者单次模式下的计数；ADC事件触发器；16位输入捕获模式；提供输入边沿计数捕获功能；提供输入边沿时间捕获功能；16位PWM模式；简单的PWM模式，对PWM信号输出的取反可由软件编程决定。兼容ARM FiRM的看门狗定

20、时器32位向下计数器，带可编程的装载寄存器；带使能功能的独立看门狗时钟；带中断屏蔽功能的可编程中断产生逻辑；软件跑飞时可锁定寄存器以提供保护；带使能/禁能的复位产生逻辑；在调试的时候，当控制器发出CPU暂停标志时，用户可以设定暂停定时器的周期。CAN支持CAN协议版本2.0 part A/B；传输位速率可达1Mb/s；32个消息对象，每个都带有独立的标识符屏蔽；可屏蔽的中断；可禁止TTCAN的自动重发模式；可编程设定的自循环自检操作同步串行接口（SSI）两个SSI模块，每个都具有以下的特点：主机或者从机方式运作；可编程控制的时钟位速率和预分频；独立的发送和接收FIFO，8X16位宽的深度；可编

21、程控制的接口，可与Freescale的SPI接口，MICROWIRE或者TI器件的同步串行接口相连；可编程决定数据帧大小，范围为4到16位；内部循环自检模式可用于诊断/调试。UART3个完全可编程控制的16C550型UART，支持IrDA；带有独立的16x8发送（TX）以及16x12接收（RX）FIFO，可减轻CPU中断服务的负担；可编程的波特率产生器，并带有分频器；可编程设置FIFO长度，包括1字节深度的操作，以提供传统的双缓冲接口；FIFO触发水平可设为1/8、1/4、1/2、3/4、和7/8；标准异步通信位：开始位、停止位、奇偶位；无效起始位检测；行中止的产生和检测。ADC独立和差分输入

22、配置；用作单端输入时有8个10位的通道（输入）；采样速率为1,000,000次/秒；灵活、可配置的模数转换；4个可编程的采样转换序列，1到8个入口长，每个序列均带有相应的转换结果FIFO；每个序列都可以由软件或者内部事件（定时器，模拟比较器， 或GPIO）触发；片上温度传感器。模拟比较器3个独立集成的模拟比较器；可以把输出配置为：驱动输出管脚、产生中断或启动ADC采样序列；比较两个外部管脚输入或者将外部管脚输入与内部可编程参考电压相比较。I2C在标准模式下主机和从机接收和发送操作的速度可达100Kbps，在快速模式下可达400Kbps；中断的产生；主机带有仲裁和时钟同步功能、支持多个主机、以及

23、7位寻址模式。GPIO高达12-52个GPIO，具体数目取决于配置；输入/输出可承受5V；中断产生可编程为边沿触发或电平检测；在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽；可启动一个ADC采样序列；GPIO端口配置的可编程控制；弱上拉或下拉电阻；2mA、4mA和8mA端口驱动；8-mA驱动的斜率控制；开漏使能；数字输入使能。功率片内低压差（LDO）稳压器，具有可编程的输出电压，用户可调节的范围为2.25V到2.75V；休眠模块处理3.3V通电/断电序列，并控制内核的数字逻辑和模拟电路；控制器的低功耗模式：睡眠模式和深度睡眠模式；外设的低功耗模式：软件控制单个外设的关断；LDO带有检测不可调整电压和自动复

24、位的功能，可由用户控制使能；3.3V电源掉电检测，可通过中断或复位来报告。灵活的复位源上电复位；复位管脚有效；掉电（BOR）检测器向系统发出电源下降的警报；软件复位；看门狗定时器复位；内部低压差（LDO）稳压器输出变为不可调整。其他特性6个复位源；可编程的时钟源控制；可对单个外设的时钟进行选通以节省功耗；遵循IEEE 1149.1-1990标准的测试访问端口（TAP）控制器；通过JTAG和串行线接口进行调试访问；完整的JTAG边界扫描。工业范围内遵循RoHS标准的100脚LQFP封装第2节 程序设计该单片机采用ARM RealView MDK编程。首先配置单片机的时钟及I/O口的工作方式，初始

25、化TFT液晶和各类传感器；其次进行系统的显示程序，最后进行扫描传感器数据，判断后执行系统动作。程序流程如图3-1所示：开始初始化扫描数据显示状态执行动作图3-1 程序流程结 论在本套系统中运用了多方面的技术，传感器的应用，使大棚系统更加智能化。在测量温度和湿度上，运用了温湿度结合传感器，做到了温湿度结合测量，处理方便，更加实用。执行部分的设计和实现使大棚控制系统更加的自动化，为用户提供了现代农业大棚自动控制的方便。温室大棚控制是未来农业的发展方向，在以后的设计中有很大的发展空间。本设计相对成本低、经济性好、保温性强、耗电少、功能强、操作简单，具有很好的发展前景。适用于大部分地区使用，主要用于林

26、业、果树、花卉、蔬菜的育苗、生产等领域，可以实际生产应用。14参考文献1 苏小红，陈慧鹏，孙志岗，C语言大学实用教程（第2版）M，北京：电子工业出版社，20092 余成波，传感器与自动检测技术 M，北京：高等教育出版社，20093 谭浩强，C程序设计（第三版）M，北京：清华大学出版社，20054 何立民，单片机系统设计 M，北京：北京航空航天大学出版社，19935 郭惠，解书钢，Protel 99SE常用功能与应用实例精讲 M，北京：电子工业出版社，20086 余孟尝，数字电子技术基础简明教程（第三版）M，北京：高等教育出版社，2006致 谢本论文是在导师XXX的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助，感谢领导、老师、同学的指导和帮助；没有你们的帮助和支持是没有办法完成我的学位论文的，在今后的人生道路上我会牢记你们的谆谆教导，不断的发扬我校以人为本的精神。