水稻育种环境测控系统的研究硬件部分(附件)
关键词 单片机，温湿度传感器，LCD显示目 录
1 引言 1
1.1 课题来源与意义 1
1.2 本课题研究的主要要求及内容 1
2 水稻育种环境测控系统的总体设计 2
2.1 系统的设计方案 2
2.2 系统设计结构图 2
3 水稻育种环境测控系统的硬件设计 4
3.1 采集端系统硬件详细设计 4
3.1.1 单片机的选择 4
3.1.2 晶振电路与时钟电路的设计 5
3.1.3 键盘电路的设计 6
3.1.4 温、湿度采集电路设计 8
3.1.5 无线通信电路设计 10
3.1.6 串口通信模块设计 12
3.1.7 显示电路的设计 13
3.1.8 输出控制电路及报警电路设计 16
3.2 主控单片机的设计 21
3.2.1 单片机的选择 21
3.2.2 无线通信电路设计 21
3.2.3 串口通信模块设计 21
3.3 本章小结 21
4 调试现象 22
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录A： 26
附录B： 27
1 引言
传统的育种方法对环境条件难以控制，且无法控制种子的发芽成功率，种子出芽的时间不一致，更严重时会出现种子腐烂等问题，容易给农业种植造成巨大的损失，面对这种情况，各国都加快了发展应用于农业的新技术。我国农业自动化研究开始的比较晚，随着各种技术的快速发展，我国逐渐在农业机械中应用自动化技术，主要包括灌溉植物、监测并控制温室里的温度以及保持谷物干燥等，并且取得了显著的成效。虽然我国在农业自动化方面取得了可观的成功，但是也应看到在这些地方我国还有着一些欠缺，需进一步改良和完善[1]。
1.1 课题来源与意义
水稻、小麦和玉米是世界上三大主要的粮食作物，其中水稻是全世界大约50%人口的主食，而我国大部分人口每日饮食更是离不开水稻。人口的
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业机械中应用自动化技术，主要包括灌溉植物、监测并控制温室里的温度以及保持谷物干燥等，并且取得了显著的成效。虽然我国在农业自动化方面取得了可观的成功，但是也应看到在这些地方我国还有着一些欠缺，需进一步改良和完善[1]。
1.1 课题来源与意义
水稻、小麦和玉米是世界上三大主要的粮食作物，其中水稻是全世界大约50%人口的主食，而我国大部分人口每日饮食更是离不开水稻。人口的不断增长，人们对水稻产量和质量的要求不断提高，对土地资源利用效率和环境保护的要求也在不断提高，水稻产量已渐渐供不应求，我国正面临着水稻生产可持续发展的挑战和机遇。
为了增大水稻产量，需要提高水稻育种的成功率，但是传统育种方法却不能控制好水稻育种时的温度，进而无法保证水稻种子的出芽率，易给农业生产带来损失，无法满足现代化大规模水稻种植生产的需要。
为了解决水稻育种控制中出现的问题，本课题综合运用多传感器融合技术等多种新技术，研制的一种水稻育种环境测控系统，能够对水稻育种过程中的环境温度进行自动检测与控制，不但改善了之前水稻浸种催芽时温度无法控制或者精度不高的问题，减少了育种时间，增大了水稻种子的发芽成功率，而且在很大程度上提高劳动生产率和农业经济效益。
1.2 本课题研究的主要要求及内容
本课题为了解决水稻育种过程中出现的问题，综合运用多传感器融合技术、自动化技术等多种新技术[1]，研制一种水稻育种环境测控系统，对水稻育种过程中的环境温度进行自动检测与控制，它的要求如下：
（1）阐明我国在水稻育种控制中存在的问题并且明白课题的研究目标。
（2）根据水稻育种的过程来确定系统的实现方案，并绘制出相应的系统原理示意图或硬件结构框图，设计硬件原理图。
（3）最后将硬件部分与软件部分相结合，进行系统调试，完成任务。
它的主要内容如下：
（1）每个箱体温、湿度检测点30个，系统能够对这30个检测点的温、湿度进行实时检测。
（2）对采集到的温、湿度值进行处理并显示到液晶显示屏上。
（3）判断温、湿度值与预设定范围之间的差异，及时启动报警（包括警示灯和蜂鸣器报警）和控制装置。
（4）设计包含时钟模块，能随时根据不同时间段所需要的不同温、湿度值进行设定。
2 水稻育种环境测控系统的总体设计
2.1 系统的设计方案
水稻育种过程复杂，关键在于浸种和催芽，控制好温度和湿度能有效地缩短育种时间，本设计就是通过控制水稻培育过程中温、湿度来进行的设计，针对培育的面积大小不同有以下两种方案：
（1）培育面积小的时候，可用小型催芽箱来设计。在催芽箱中装有多个温湿度传感器，分别装在箱子的上下左右等位置，终端设备就是温湿度传感器，用在测量现场的温、湿度，并且将测量到的结果传到微控制器，再通过串口电路传给控制中心来使控制中心对每个箱中的每个测量地点的湿度和温度进行周密的监视与控制管理[2]。
（2）培育面积大的时候，在培育房间内通过安装多个温湿度传感器来采集温、湿度，再通过控制中心对房间的湿度和温度进行全面的监视和控制管理。
2.2 系统设计结构图
系统的总体设计主要有：一是系统温、湿度采集端设计；二是系统数据上传端设计。
如图2-1所示，其中主要包括对催芽箱体的温、湿度的测量、键盘模块、显示模块、隔离驱动模块、无线通信模块和报警模块[3]。
下面是系统的温、湿度采集端设计：
图2-1 系统温、湿度采集端结构图
其中隔离驱动模块针对培育面积的不同来做出相应的设计：
（1）培育面积较小时，可以使用催芽箱，主要通过使用水泵将催芽箱中的水送回调温箱，温度的调节可以通过使用降温风扇或者加热电阻丝，之后再将调温箱中的水送回到箱子中，调节它的湿度，可以通过使用除湿器或者加湿器。
（2）培育面积较大时，温、湿度不在预订值范围中，它主要通过空调来控制水稻的温、湿度。
温、湿度测量模块：是通过温湿度传感器对水稻育种进行温、湿度测量以及为报警电路提供报警信号，同时提供数据给显示模块。
键盘模块：可以让我们手动的设置温、湿度的上下限值，也是系统的开关，发生错误时可以通过手动按键进行强制停止进而减少不必要的损失。
显示模块：能实时显示检测点的温、湿度，并且能显示当时的时间，进而方便工作人员进行数据的对比。
报警模块：主要包括声音报警和指示报警这两块。假如检测到的温度值高于预先设定的上限值时
1 引言 1
1.1 课题来源与意义 1
1.2 本课题研究的主要要求及内容 1
2 水稻育种环境测控系统的总体设计 2
2.1 系统的设计方案 2
2.2 系统设计结构图 2
3 水稻育种环境测控系统的硬件设计 4
3.1 采集端系统硬件详细设计 4
3.1.1 单片机的选择 4
3.1.2 晶振电路与时钟电路的设计 5
3.1.3 键盘电路的设计 6
3.1.4 温、湿度采集电路设计 8
3.1.5 无线通信电路设计 10
3.1.6 串口通信模块设计 12
3.1.7 显示电路的设计 13
3.1.8 输出控制电路及报警电路设计 16
3.2 主控单片机的设计 21
3.2.1 单片机的选择 21
3.2.2 无线通信电路设计 21
3.2.3 串口通信模块设计 21
3.3 本章小结 21
4 调试现象 22
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录A： 26
附录B： 27
1 引言
传统的育种方法对环境条件难以控制，且无法控制种子的发芽成功率，种子出芽的时间不一致，更严重时会出现种子腐烂等问题，容易给农业种植造成巨大的损失，面对这种情况，各国都加快了发展应用于农业的新技术。我国农业自动化研究开始的比较晚，随着各种技术的快速发展，我国逐渐在农业机械中应用自动化技术，主要包括灌溉植物、监测并控制温室里的温度以及保持谷物干燥等，并且取得了显著的成效。虽然我国在农业自动化方面取得了可观的成功，但是也应看到在这些地方我国还有着一些欠缺，需进一步改良和完善[1]。
1.1 课题来源与意义
水稻、小麦和玉米是世界上三大主要的粮食作物，其中水稻是全世界大约50%人口的主食，而我国大部分人口每日饮食更是离不开水稻。人口的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
业机械中应用自动化技术，主要包括灌溉植物、监测并控制温室里的温度以及保持谷物干燥等，并且取得了显著的成效。虽然我国在农业自动化方面取得了可观的成功，但是也应看到在这些地方我国还有着一些欠缺，需进一步改良和完善[1]。
1.1 课题来源与意义
水稻、小麦和玉米是世界上三大主要的粮食作物，其中水稻是全世界大约50%人口的主食，而我国大部分人口每日饮食更是离不开水稻。人口的不断增长，人们对水稻产量和质量的要求不断提高，对土地资源利用效率和环境保护的要求也在不断提高，水稻产量已渐渐供不应求，我国正面临着水稻生产可持续发展的挑战和机遇。
为了增大水稻产量，需要提高水稻育种的成功率，但是传统育种方法却不能控制好水稻育种时的温度，进而无法保证水稻种子的出芽率，易给农业生产带来损失，无法满足现代化大规模水稻种植生产的需要。
为了解决水稻育种控制中出现的问题，本课题综合运用多传感器融合技术等多种新技术，研制的一种水稻育种环境测控系统，能够对水稻育种过程中的环境温度进行自动检测与控制，不但改善了之前水稻浸种催芽时温度无法控制或者精度不高的问题，减少了育种时间，增大了水稻种子的发芽成功率，而且在很大程度上提高劳动生产率和农业经济效益。
1.2 本课题研究的主要要求及内容
本课题为了解决水稻育种过程中出现的问题，综合运用多传感器融合技术、自动化技术等多种新技术[1]，研制一种水稻育种环境测控系统，对水稻育种过程中的环境温度进行自动检测与控制，它的要求如下：
（1）阐明我国在水稻育种控制中存在的问题并且明白课题的研究目标。
（2）根据水稻育种的过程来确定系统的实现方案，并绘制出相应的系统原理示意图或硬件结构框图，设计硬件原理图。
（3）最后将硬件部分与软件部分相结合，进行系统调试，完成任务。
它的主要内容如下：
（1）每个箱体温、湿度检测点30个，系统能够对这30个检测点的温、湿度进行实时检测。
（2）对采集到的温、湿度值进行处理并显示到液晶显示屏上。
（3）判断温、湿度值与预设定范围之间的差异，及时启动报警（包括警示灯和蜂鸣器报警）和控制装置。
（4）设计包含时钟模块，能随时根据不同时间段所需要的不同温、湿度值进行设定。
2 水稻育种环境测控系统的总体设计
2.1 系统的设计方案
水稻育种过程复杂，关键在于浸种和催芽，控制好温度和湿度能有效地缩短育种时间，本设计就是通过控制水稻培育过程中温、湿度来进行的设计，针对培育的面积大小不同有以下两种方案：
（1）培育面积小的时候，可用小型催芽箱来设计。在催芽箱中装有多个温湿度传感器，分别装在箱子的上下左右等位置，终端设备就是温湿度传感器，用在测量现场的温、湿度，并且将测量到的结果传到微控制器，再通过串口电路传给控制中心来使控制中心对每个箱中的每个测量地点的湿度和温度进行周密的监视与控制管理[2]。
（2）培育面积大的时候，在培育房间内通过安装多个温湿度传感器来采集温、湿度，再通过控制中心对房间的湿度和温度进行全面的监视和控制管理。
2.2 系统设计结构图
系统的总体设计主要有：一是系统温、湿度采集端设计；二是系统数据上传端设计。
如图2-1所示，其中主要包括对催芽箱体的温、湿度的测量、键盘模块、显示模块、隔离驱动模块、无线通信模块和报警模块[3]。
下面是系统的温、湿度采集端设计：
图2-1 系统温、湿度采集端结构图
其中隔离驱动模块针对培育面积的不同来做出相应的设计：
（1）培育面积较小时，可以使用催芽箱，主要通过使用水泵将催芽箱中的水送回调温箱，温度的调节可以通过使用降温风扇或者加热电阻丝，之后再将调温箱中的水送回到箱子中，调节它的湿度，可以通过使用除湿器或者加湿器。
（2）培育面积较大时，温、湿度不在预订值范围中，它主要通过空调来控制水稻的温、湿度。
温、湿度测量模块：是通过温湿度传感器对水稻育种进行温、湿度测量以及为报警电路提供报警信号，同时提供数据给显示模块。
键盘模块：可以让我们手动的设置温、湿度的上下限值，也是系统的开关，发生错误时可以通过手动按键进行强制停止进而减少不必要的损失。
显示模块：能实时显示检测点的温、湿度，并且能显示当时的时间，进而方便工作人员进行数据的对比。
报警模块：主要包括声音报警和指示报警这两块。假如检测到的温度值高于预先设定的上限值时
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