基于51单片机的大棚温湿度检测系统的设计与实现--毕业论文.doc

基于基于 51 单片机的大棚温湿度监测系统的设计与实现单片机的大棚温湿度监测系统的设计与实现 摘摘 要：要：随着经济的快速发展，我国的农业产业结构发生了很大的变化，其中较 为突出的是温室大棚种植业。鉴于大棚种植业在不同的季节都有较大的产量， 所以越来越多的农民采用温室大棚种植蔬菜。温度、湿度和光照度的控制是温 室大棚得到高产量的关键要素。若要测量温湿度和光照度，对于大量的大棚而 言，仅靠温度测量计来实现，需要更多的人力和物力。随着农业的产业范围不 断发展与扩大，采用这种传统测量大棚温湿度的方法，具有很大的局限性和不 足之处。如今，自动监测棚内温湿度的装置被越来越多的用户采用。 本文设计了基于 STC89C52RC 单片机的温室大棚温湿度监测系统，主要包 括电路设计和软件设计等。该系统以单片机为核心通过数字温湿度传感器 DTH11 和光照传感器 BH1750 对大棚的温湿度和光照度进行数据采集。传感器 将采集的数据传输给单片机，单片机根据收到的数据做出相应的分析和处理， 其结果显示在 LCD1602 液晶显示屏上。如果超出预先设定的温湿度和光照度限 制范围，单片机控制开启指示灯，同时控制对应的继电器驱动打开设备工作， 使大棚温湿度值达到适宜的范围值。 关键字：关键字：STC89C52RC 单片机；数字温湿度传感器 DTH11；光照传感器 BH1750 FVI；LCD1602 液晶显示屏 Design and implementation of the greenhouse temperature and humidity detection system based on 51 single chip microcomputer Abstract: With the development of economy, great changes have taken place in the agricultural industry in our country, one of the more prominent changes is the greenhouse planting. In different seasons, the greenhouse planting has a great production, more and more farmers use greenhouses to grow vegetables. Controlling of temperature, humidity and illumination are the key factors of high production in greenhouse. If we need to measure the temperature and illumination, it will need more man-power and material resources for a large number of greenhouses. With the development and expansion of agricultural industry, the traditional methods of measuring the temperature and humidity will has many limitations and shortcomings. Now, the automatic monitoring device of temperature and humidity is adopted by more and more farmer in the shed. In this paper, the temperature and humidity monitoring system of greenhouse based on STC89C52RC MCU are designed, mainly including circuit design and software design. The system uses the single-chip microcomputer as the core through the digital temperature and humidity sensor DTH11 and light sensor BH1750 to collect the temperature and humidity and light intensity of the greenhouse. The data are collected by the sensor feed back to the MCU for the corresponding analysis and processing according to the received data, the results are shown on the LCD1602 liquid crystal display monitor. If beyond the preset temperature, humidity and light intensity limit, the microcontroller control open indicator lamp, while controlling the corresponding relay drive to open the equipment work, so that the greenhouse temperature and humidity values to the appropriate range of value. Keywords:-STC89C52RC-MCU;Digital-Temperature-and-Humidity-Sensor- DTH11;Llight Sensor BH1750 FVI;LCD1602 Liquid Crystal Display Monitor 目目 录录 一、论文（设计）正文一、论文（设计）正文. 1 1 绪论绪论 3 3 1.1 选题背景与意义3 1.2 国内外研究现状4 1.3 主要研究内容5 1.4 论文结构 5 2 总体分析与设计总体分析与设计 6 6 2.1 可行性分析6 2.2 需求分析7 2.2.1 系统需求8 2.2.2 用户需求8 2.2.3 功能需求8 2.2.4 性能需求分析9 2.3 系统总体结构9 2.3.1 系统设计要求9 2.3.2 系统结构分析10 2.4 系统实现原理10 3 硬件部分设计硬件部分设计 1111 3.1 STC89C52 单片机.11 3.1.1 STC89C52 的主要特性.11 3.1.2 STC89C52 的引脚图.12 3.1.3 电源电路设计13 3.1.4 复位电路设计13 3.1.5 晶振电路设计14 3.1.6 按键电路设计15 3.1.7 控制电路设计15 3.2 温湿度传感器16 3.2.1 数字温湿度传感器简介16 3.2.2 工作原理17 3.2.3 温湿度传感器电路19 3.3 光照传感器19 3.3.1 光照传感器的简介19 3.3.2 光照传感器的主要特性20 3.3.3 光照传感器电路21 3.4 LCD1602 液晶显示屏.21 3.4.1 LCD1602 简述.21 3.4.2 LCD1602 引脚.21 3.4.3 LCD1602 指令表.22 4 软件部分设计软件部分设计2525 4.1 程序语言及开发环境25 4.2 程序流程图26 4.2.1 系统总体流程图26 4.2.2 温湿度控制流程图27 4.2.3 光照度控制流程图28 4.3 系统模块的代码实现29 4.3.1 按键模块29 4.3.2 数据采集模块32 4.3.3 数据接收与显示模块.33 4.3.4 指示灯与继电器模块.34 5 系统功能实现与测试系统功能实现与测试 3636 5.1 系统功能实现36 5.1.1 显示界面36 5.1.2 温度湿度及光照度设置界面 37 5.2 系统测试39 5.2.1 测试说明39 5.2.2 测试结果39 6 总结总结 4141 参考文献参考文献4242 谢谢 辞辞4343 二、二、 附录附录4444 宝鸡文理学院本科毕业设计开题报告宝鸡文理学院本科毕业设计开题报告4444 宝鸡文理学院本科毕业设计结题报告宝鸡文理学院本科毕业设计结题报告4545 宝鸡文理学院本科毕业设计答辩评分表宝鸡文理学院本科毕业设计答辩评分表4747 宝鸡文理学院本科毕业设计答辩过程记录宝鸡文理学院本科毕业设计答辩过程记录4848 1 绪论绪论 1.1 选题背景与意义选题背景与意义 现代社会飞速发展，我国农业生产领域技术的探究及运用越来越广泛，促 使我国农业生产发展越来越高效，而在农业生产中，温室大棚是主要的组成部 分。在温室大棚内，最重要的就是自动监测棚内温湿度，因为影响农作物生长 的因素就是其生长环境的温湿度和光照强度。通过对环境因子监测数据的分析， 结合农作物生长规律，控制环境条件，使农作物在不适宜生长的反季节中可获 得比室外生长更优的环境条件，从而使农作物达到优质、高产、高效的栽培目 的。所以，我国现代化农业生产过程中最关键的就是自动化的监测和控制温室 大棚。 在温室系统中，环境因素直接影响农作物的生长和发育。其中，温度、湿 度和光照度的变化是最基本的因素，对农作物的影响最为显著。本文以温湿度 和光照度作为监测对象，设计实现了基于 STC89C52RC 单片机的温室大棚温湿 度监测和控制系统，测量准确、调试方便，有很好的移植性1。这个温度，湿 度、光照强度监测控制系统可以应用到农业生产中的温室，实现温度、湿度、 光照强度的实时控制，是一种智慧、经济、科学的程序，比较适合推广。通过 使用该技术，技术人员可以不受地点和气候影响，对粮食储备仓库、大棚蔬菜 瓜果种植基地、禽兽养殖厂等场地的温湿度和光照度环境进行实时自动监测并 依次实现相应的控制，促进农业经济的进一步发展。 本系统实现的温室大棚监测系统的设计目标功能如下： 1、可实时监测和显示大棚当前温度、湿度和光照度值的信息。 2、能预先设置适宜农作物生长的温度、湿度和光照度。 3、当大棚的环境温湿度参数超过预先设置的范围时，报警指示灯常亮，单 片机控制相应的继电器打开风扇或加湿器开始工作，使大棚的温湿度调节到正 常范围。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 在温室中，温度和湿度、光技术设施园艺工程因为其较高的技术含量，得 到了世界各地越来越多的关注，特别是在部分发达国家,温室温度和湿度、光照 度是进行自动监测和控制。在我国，通过对温室的引进和温室项目的发展使我 国的温室逐渐强大。但与海外比较，在专业技术的研究深度和规模方面有着很 大的差距。我国的温室的目前现状是，大多数温室主要依靠农民手工监测与控 制温室的环境，缺乏专业科学的指导技术。农民通过以往的经验栽植农作物， 通过手动调节温室的温湿度、光照度等参数，温室的环境不能够自动化的进行 监测和调节，这使得我国的温室农作物栽培技术发展得很慢。通过手动调节温 室作物生长环境造成了人力资源的浪费，而且也不能保证对温室环境及时的控 制与调节并，测量误差大，随意性强，在一定的基础上影响了植物生长。通过 传统的方法监测棚内温湿度，不仅浪费人力资源，也不能确保对温室环境实时 的监测和及时的控制，测量误差大，随意性强，在一定的基础上影响了植物生 长。为了克服上述缺点，需要一个温室大棚自动监测与控制系统。农作物的生 长和良好的环境因素不可分离，实现自动化的对温室环境监测是温室大棚发展 的关键，仅仅需要通过 LCD1602 液晶显示屏观察和分析系统监测的相关数据 值，研究棚内农作物的生长规律，大棚就能生长出高质量、高品质的农作物。 随着计算机科学技术及无线传感器技术的快速发展2，在自动监测与自动 控制系统领域发生了巨大的变化，现代农业温室的重要产品的实施，已被广泛 应用在我国的大部分地区。自动化的对温室环境进行监测，因为其性能好，价 格低，所以人们以前使用的在温室内对温湿度和光照度的控制方法逐渐消失。 在自动化的温室管理中，最基本的需要是对温室农业的监测和控制系统。因为 各种农作物的生长规律和条件不同，需要通过对各种农作物生长规律进行研究， 再根据农作物不同的特点来控制它们的成长环境，使其在发反季生长，并且让 农作物有较高的产量，让人们有较高的收益。 本系统设计的原理是根据单片机温湿度和光强度自动监测以及单片机自动 控制。在农业生产中，温度因素、湿度因素和光强度因素自动监测控制系统能 够实现温度、湿度以及光照强度的定时监测与及时控制，是一种智能、廉价、 严密的程序，对农业的推广起了很大的作用，在农业生产中对农作物的生长起 了促进作用，提高了农作物的产量，降低了成本，可以给农民带来很大的经济 效益，并促进社会效益。 1.3 主要研究内容主要研究内容 该系统通过提前设置最适宜的温度、湿度和光照度，采用温湿度传感器 DTH11 测量大棚的温湿度，光强度传感器 BH1750FVI 测量大棚的光照度，传 感器向中央控制系统输送监控信号，并将监测到的值采用 LCD1602 液晶显示屏 显示。当大棚温度高于预先设置的适宜范围值时，通过单片机控制继电器驱动 打开棚内的风扇进行降温，使大棚温度值达到适宜的范围值；当空气湿度低于 设置适宜范围值时，通过继电器驱动打开大棚内的加湿器的进行一段时间的加 湿，使大棚湿度达到设置适宜范围值内。当光照度低于设置的光照度时，光线 不足指示灯亮起，给管理员以提醒的作用。一般光照强度人为不去控制，光合 作用昼夜是有一定规律的，所以只控制温室内的温度和湿度。如果监测的温湿 度和光照度在适宜范围，单片机将维持现状。这样就可以对室内温湿度进行自 动监控，从而实现大棚温湿度管理的实时性和有效性。 1.4 论文结构论文结构 此次系统的设计设计通过研究温室大棚环境监测的背景与意义，对系统进 行分析设计，通过现有的技术实现对温室大棚的环境监测。如下对本文的组成 及结构进行简单的介绍： （1）第一章，提出了本系统的研究目标和国内外研究现状。 （2）第二章，对系统进行需求分析和功能设计，通过需求分析，可行性分 析来确定系统将要实现的功能。 （3）第三章，根据需求分析对系统的硬件部分进行设计，主要包括对系统 中用到的各传感器和液晶显示屏的介绍与电路设计。 （4）第四章，根据需求分析对系统的软件部分设计与实现，主要包括各模 块的流程设计和核心代码分析。 （5）第五章，对已经初步实现的系统进行测试，以发现其中的纰漏和错误 并加以改正。 （6）第六章，总结在本次设计当中遇到的问题，收获与不足之处。 2 总体分析与设计总体分析与设计 2.1 可行性分析可行性分析 社会不断进步，国家传统的农业生产慢慢的被现代化农业代替了。因为自 从有了温室大棚，改变了以往农作物的生长时间，使农作物在不同季节生长， 给农民带来了很大的方便和效益，所以越来越多的农民选择了温室大棚种植农 作物。要使农作物有很高的产量，首先需要了解适宜农作物生长的温湿度，然 后对棚内的温湿度进行监测和调节。但在以前农民是利用温度计来测量棚内的 温湿度，不能随时测量而且读取的值有误差，对棚内的环境因素不能及时的进 行调节，因此产生了在大棚中安装系统的想法，让系统自动测量和调节棚内的 各项环境因素。因此该论文重点研究了关于自动化温室大棚的原理。 本系统主要从技术可行性，经济可行性，法律可行性这三个方面来分析本 系统的设计确实是切实可行的。 技术可行性。本系统有硬件的单片机、软件的 keil，在大学的学习中，对 这些专业课都已经学习了，所以能很快的实现设计。51 单片机的机能品质好、 占整个系统的面积少、能量需求少等独特的特点。在编写程序用 keil 软件，开 发者能清楚的读取和测试代码，使用 LCD1602 液晶显示屏显示棚内的各项环境 因素使农民能方便的读取，及时的进行调节。综上所述，基于 51 单片机的大棚 温湿度监测系统在技术方面是可行的。 经济可行性。硬件需要购买 51 系列单片机、LCD1602 液晶显示屏、按键 和一部分所需电线，这些价格很低淘宝上都可以买到。可以在自己的电脑上安 装 keil 完成程序的设计。在进行这些时，没有必要耗费太多的时间去开发。所 以，基于 51 单片机的大棚温湿度监测系统在经济方面是可行的。 法律可行性，自己完成了这个系统所有的部分，对于其中的技术、文档的 内容、程序的设计有自主权，因此不用承担任何法律责任，也不触犯任何国家 法律，并且没有侵犯任何公司的专利。所以基于 51 单片机的大棚温湿度监测系 统在法律方面也是可行的。 从以上三个方面分别论证了本系统设计的可行性，证明了本系统是一款非 常可行的产品。 2.2 需求分析需求分析 在我国，温室大棚发展迅速，伴随着数量的增多，人工的对温室大棚进行 管理出现了管理费事费力等越来越多的弊端，所以如果能够自动的对温室大棚 的温湿度、光照强度进行监测和控制，给农民一个预判情况的提醒，让其能及 时采取一定的措施，对于大棚的实时管理、农作物产量的提高是非常有效果的。 本系统就是在管理大棚的过程中能够给农民一个大棚内温湿度、光照度值高低 的判断，以用来减少不能够及时调节大棚内温湿度和光照度等人工管理大棚的 缺点。 本系统的研究目的是为了实现对温室大棚环境的监测，从而实现对温室大 棚自动化的管理。设计一款基于 STC89C52 单片机的温室大棚环境监测系统， 人们可以预先设置适宜农作物生长的温度、湿度和光照度数值，单片机控制温 湿度传感器和光照度传感器采集环境的温湿度和光照度，采集的数据由单片机 进行分析和处理，其结果显示在系统的 LCD1602 液晶显示屏上，人们可以清楚 的看到大棚的温度、湿度和光照度数值。当监测到的温度、湿度和光照强度不 在预先设置的范围时，系统中相应的指示灯亮起，单片机控制相应的继电器驱 动打开风扇和加湿器进行工作。 2.2.1 系统需求系统需求 大棚温湿度监测系统的设计目的就是为了让农民在管理大棚的过程中，对 温室大棚的管理实现自动化，及时采取有效的措施，如果仅仅靠农民去管理， 不仅不能实时的对温室的温湿度和光照强度进行监测和控制，而且浪费时间， 在这种情况下容易导致农民不能够对温度过高、湿度过低、光照度过低的温室 大棚进行及时的调节。 所以为了提高农民对大棚管理的质量，设计本系统是非常有意义的。 2.2.2 用户需求用户需求 为了让农民直观的对大棚的自动化管理有清楚的认识，本系统需要设计一 个能够精确测量大棚内的温湿度和光照度的装置，并能将大棚的温湿度和光照 度通过 LCD1602 液晶显示屏直观的显示出来，让用户更方便的体验与使用本系 统。用户还能预先设置温湿度和光照强度，每当测量的温度大于预先设置的温 度，系统的温度指示灯就会亮起，系统会通过继电器自动开启大棚内的风扇给 大棚降温，测量的湿度小于预先设置的湿度，系统的湿度指示灯就会亮起，系 统会通过继电器自动开启大棚内的加湿器为大棚加湿，如果测量的光照度小于 预先设置的光照度，光照不足指示灯就会亮起，提示农民系统光照不足，农民 根据需求考虑是否为大棚增加光照强度，因为农作物进行光合作用时，白天和 晚上的光合作用是不一样的，有的喜阴，有的喜阳，有各自的规律，所以人为 不去控制。要做出合适、易懂的的系统给农民，让农民更好的操作。 2.2.3 功能需求功能需求 为了满足用户使用需求的同时，还能体积小，成本少，便于广泛投入使用 以及测量精确度高的设计目标。本系统还需要具备用户可以自主设置装置的温 湿度值，因为根据不同季节不同农作物的生长需求，温湿度的设置也是需要根 据实际情况主动设计的和不可缺少的。本系统主要实现的功能包括： （1）通过温湿度传感器对温室大棚的温湿度和光照度进行监测。 （2）通过 LCD1602 液晶显示屏显示监测到的数据，农民可以清楚的看到 大棚内的温湿度和光照度。 （3）当温度过高、湿度过低、光照度过低时，系统中相应的温度、湿度、 光照度指示灯亮起，给农民以提醒的作用。 （4）当温度过高、湿度过低时，系统中相应的继电器会驱动大棚的内的风 扇进行降温、加湿器进行加湿工作。 2.2.4 性能需求分析性能需求分析 设计系统时一定要考虑系统的实用性和便利性，要从各个方面考虑系统是 否有使用价值，以下是本系统对性能方面进行的分析： 1、及时有效性：采集到的信息一定要迅速的反馈出来，并连续性的显示在 显示屏上。具有信息及时有效性。 2、精度高：采集到的温湿度和光照强度一定要保证精度高，差距不得超过 0.5，这样才有参考价值。 3、安全性：带电性的产品一定要保证安全。本系统使用的是最小系统，传 感器模块都焊接良好，电路没有短路断路状态，比较安全。 4、便利性:本系统使用成品较小，比较方便携带，并且 LCD1602 液晶显示 屏上可以显示从采集端传过来的信息，比较便利。 2.3 系统总体系统总体结构结构 2.3.1 系统设计要求系统设计要求 温度参数、湿度参数和光照参数是本系统的主要控制变量，通过控制这些 变量从而达到控制整个系统的目的，其主要功能有： 1. 由单片机控制温湿度传感器和光照传感器对棚内的温湿度和光照度进行 实时循环监测采集，测量空间的多点温度、湿度、光照度数值，实现大棚的自 动化控制多点监测。把监测的值存在单片机中并加以分析和处理，通过 LCD1602 液晶显示屏显式，整个过程是使用单片机完成的，从而在大棚中的监 测实现自动化多点监测和控制。 2.当监测采集的数据超过预先设置数值时，系统中相应的指示灯常亮，自 动控制系统能够完全做出温度湿度或者光照度的参数处理，将大棚的温度湿度、 光照度调节到预先设置的参数数值范围。当监测到的温度高于预先设置的温度 值时,相应继电器将驱动风扇冷却。当湿度低于预先设置的湿度值时,系统中的继 电器将驱动加湿器实施加湿。当光强度低于设置值时,报警指示器灯常亮是光线 不足的提示。 3. 能够根据不同地点、季节、农作物种类的不同，设置不同的参数值，可 以使农作物在最佳适宜的环境条件下成长。 2.3.2 系统结构分析系统结构分析 单片机是系统的主要核心控制部件，温湿度传感器、光照传感器作为系统 的测量元件，自动化的监测温度、湿度和光照度。系统分为温湿度采集模块、 光照度采集模块、液晶显示模块、温度控制模块、湿度控制模块、复位电路及 晶振模块。系统结构框图如图 1 所示。 温湿度传感器 采集模块 LCD1602液晶 显示模块 复位电路及 晶振模块 光照传感器 采集模块 单 片 机 湿度控制模块 温度控制模块 图图 1 系统结构框图系统结构框图 2.4 系统实现原理系统实现原理 预先对大棚的温度、湿度和光照强度进行设置，单片机控制温湿度传感器 和光照度传感器采集温室大棚的温湿度和光照度，将采集到的数据传给单片机 后，利用这些数据和系统预先设置的数据值做对比并进行处理，结果在 LCD1602 液晶显示屏上显示。当单片机采集的结果不在预先设置的范围时，单 片机控制打开指示灯，并对相应的继电器进行操作，使继电器驱动打开系统中 的设备工作，同时向温湿度调节器发送信息，调节棚内的温湿度，使温湿度调 节到正常范围。如果采集的温度值高于预先设置的温度值时，系统中的温度控 制电路进行自动调节控制，继电器驱动打开棚内的风扇从而对农作物生长环境 进行降温。如果采集的湿度值低于预先设置的湿度值时，系统中的湿度控制电 路进行自动调节控制，继电器驱动打开加湿器对农作物生长环境进行加湿。对 棚内的光照强度实施测量，如果测量的光照强度低于预先设置的值时，系统的 指示灯就会打开。因为白天和夜晚的光合作用一般是有规律的，所以光照强度 不去控制，只对温室的温湿度进行控制，如果光线不足时系统只有指示灯提醒。 3 硬件硬件部分设计部分设计 3.1 STC89C52 单片机单片机 3.1.1 STC89C52 的主要特性的主要特性 STC89C52RC 单片机是新一代单片机，其优点是运行速度快，功耗少，有 超强抗干扰的能力，指令代码完全兼容传统的单片机3，在机器周期上有两种 选择，分别是 12 时钟和 6 时钟。其主要特点有： 1.增强型 8051 单片机，可以在 6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期上进行 任意选择，指令代码与传统的 8051 单片机的代码是通用的。 2.工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机） ；单 片机工作频率范围：040MHz，而对于普通的 8051 工作范围为 080MHz。 3.具有系统可编程和应用可编程，可以使用其他的编译器，也可以使用其 他的仿真器，下载客户程序时直接利用串口（ RxD/ P3.0， TxD/ P3.1），一般 在较短的时间内就可以完成，RXD 是串行通信输入端,TXD 是串行通信输出端。 4.单片机的程序应用空间为 8K 字节 ，运行内存为 512 字节。 5.通用 I/O 口 （32 个）复位后为： P1、 P2、 P3、 P4 是并行双向 I/ O 接口， P0 口输出端是漏极开路电路，当作为总线扩展使用时，不用外接电 阻，而作为 I/ O 端口使用时，需要外接电阻。 6.具有 EEPROM 功能 ；具有看门狗功能。 7.共 3 个 16 位定时器/计数器。即 T0、T1、T2 三种定时器。 8.外部中断 4 路为下降沿中断或低电平触发电路，可以用外部中断低电平 触发中断方式唤醒 Power Down 模式4。 3.1.2 STC89C52 的引脚图的引脚图 单片机的引脚图如图 2 所示。 P14 5 P15 6 7 P16 8 P17 P03 P04 P05 P06 36 35 34 33 P37/RD 17 XTAL 2 18 19 XTAL 1 20 GND P23 P22 P21 P20 24 23 22 21 RESET 9 P30/RXD 10 11 P31/TXD 12 P32/INT0 P07 EA ALE PSEN 32 31 30 29 P10 1 P11 2 3 P12 4 P13 VCC P00 P01 P02 40 39 38 37 P33/INT1 13 P34/T0 14 15 P35/T1 16 P36/WR P27 P26 P25 P24 28 27 26 25 Y1 C1 22PF C2 22PF K1 + C3 VCC 10K R1 VCC 图图 2 STC89C52 引脚图引脚图 RST（9 引脚）：复位方式输入。当输入连续 24 个时钟周期以上高电平时， 系统开始用来完成单片机内部的复位初始化操作。在复位的同时，ALE、PSEN 输出高电平。ALE 地址锁存信号，PSEN 为外部程序存储器的读选通信号。 XTAL2（18 引脚）：振荡器反相放大器的输出端。 XTAL1（19 引脚）：为振荡器反相放大器的输入端和内部时钟发生电路 的输入端。 GND（20 引脚）：接 5V 电源地端。 ALE/ ROG（30 引脚）：地址锁存控制信号输出端 ：在访问片外程序存储 器期间，下降沿用于锁存 P0 输出的低 8 位地址的输出脉冲5。在编程时，此 引脚（ROG）用作编程脉冲输入端。 VCC（40 引脚）：电源电压。 3.1.3 电源电路电源电路设计设计 本系统的电源电路是由两部分构成，分别为电源和二极管，电源使系统运 行顺利，保证系统有充足的能量。电源电路图如图 3 所示。 2 R2 1K LED D1 VCC S1 J1 电源 1 图图 3 电源电路图电源电路图 3.1.4 复位电路复位电路设计设计 第 9 脚为复位引脚（Reset），如果在引脚连接的高电平比 2 个机器周期多， 复位的动作就能够产生。用 12 MHz 的时钟脉冲作为例子，每个时钟脉冲 1us，两个机器 T 为 12 us，那么，在第 9 脚上外接一个 12us 以 上的高电平脉 冲，那么就会发生复位的动作。外接了一个电容在复位引脚上就是上电复位,当 复位引脚接 +5 V 电压时，此时的电容是作为短路的，经过一小段时间后，电 容就将会处于充电的状态，此刻的电路是相当于断开的。另外的一种就是手动 复位，其接法就是在 STC89C52 的复位引脚外接的电容上并联一个开关。如果 开关没有按下，电容处于充电状态；如果按下开关，电容开始放电，从而，在 复位引脚上产生了高电平，从而达成了电路复位的目的。复位电路图如图 4 所 示。 K1 + C3 VCC 10K R1 图图 4 复位电路图复位电路图 3.1.5 晶振电路晶振电路设计设计 晶体振荡器电路用于向 MCU 提供时钟信号。两种晶体振荡器，包括有源 晶振和无源晶振，是时钟电路最主要的组成部分，晶体振荡器是为集成电路和 其他器件提供相应的基准频率。XTAL1 是单片机作为时钟电路反向放大器的输 入端，XTAL2 是单片机作为时钟电路反向放大器的输出端，反向放大器可以用 作片内振荡器的配置，可以使用陶瓷振荡器和石晶振荡器。使用外部时钟源驱 动器件时，此时的 XTAL2 是不需要连接的6。使用二分频触发器实现对于时钟 电路内部连接的时钟信号的输入。在现实生产应用中，不需要要求外部连接时 钟信号的脉宽，但首先是要求脉冲的电压与电路的电压相同。晶振电路图如图 5 所示。 INT1/P33 13 T0/P34 14 15 T1/P35 16 WR/P36 RD/P37 17 X2 18 19 X1 20 GND Y1 C1 22PF C2 22PF 图图 5 晶振电路图晶振电路图 3.1.6 按键电路按键电路设计设计 本系统使用的按键电路是采取最简单的低电平扫描方式实现，共有 K2、 K3 、K4 三个开关，K2 为设置键，可以对温度、湿度和光照度进行设置，K3 为加键，K4 为减键，利用开关的一端与单片机 I/O 口相连，另一端是用接地的 方式，用单片机监测 I/ O 口是否是低电平，判断按键是否被按下。按键电路图 如图 6 所示。 K2K3K4 图图 6 按键电路图按键电路图 3.1.7 控制电路设计控制电路设计 如果温湿度传感器监测出来温度值高于预先设置的温度时，系统会自动驱 动继电器，继电器带动风扇进行工作，降低棚内的温度。控制电路图如图 7 所 示。 VCC R5 1K J2 2 1 CON2 KA1 D2 Q1 R6 1K 继电器 温度控制 图图 7 控制电路图控制电路图 当大棚的温度或湿度不在预先设定值范围时，就会自动驱动设备进行温湿 度的控制。 3.2 温湿度传感器温湿度传感器 3.2.1 数字温湿度传感器简介数字温湿度传感器简介 数字温湿度传感器 DHT11 是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感 器。数字温湿度传感器 DHT11 有很高的技术含量，特别是对于数字模块的采集 方面和温湿度的感知方面。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元 件，并与一个高性能 8 位单片机相连接7。具有性能好、价格低、品质好、感 知速度快、抗干扰性好等特点，所以 DHT11 有很广泛的市场应用。生产 DHT11 的研究室对每个传感器都进行了严格的生产要求，校准系数以程序的形 式储存在 OTP 内存中，如果传感器要对信号进行监测及处理，只需要调用标准 系数。单线制串行接口，使系统集成变得简捷。DHT11 体积小，消耗的能源少， 对信号进行传输时，距离可达 20 米以上。所以开发者不用考虑过多的环境因素， DHT11 特别容易连接，可以针对不同的用户开发不同的产品。DTH11 实物图如 图 8 所示。 图图 8 DHT11 实物图实物图 3.2.2 工作工作原理原理 1. 接口说明 根据不同的条件连接不同的电阻，连接线的距离与 20 米相比，比 20 米短 时用 5K 的上拉电阻，比 20 米长时要根据不同的情况选择不同的上拉电阻8。 DTH11 典型应用电路如图 9 所示。 MCUDTH11 5K VDD DATA VDD 1Pin 2Pin 4Pin 图图 9 DHT11 典型应用电路典型应用电路 2. 电源引脚 电源提供 35.5V 电压给 DHT11。传感器上电后，它的响应时间为 1 秒， 在响应时间里，要暂停操作。如果需要去耦滤波的话，可以加一个 100nF 的电 容在电源引脚（VDD，GND）之间。 3. 串行接口 (单线双向) 数字温湿度复合传感器 DTH11 与微处理器之间使用单总线数据格式进行 通信和同步9，一次通讯时间大概为 4ms，其数据由两部分组成，分别为整数 及小数部分，具体格式在下文说明,目前小数部分读出为零，以后再进行扩展。 其操作过程为:一次完整的数据传输为 40bit，高位先出。 数据格式为 8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据 ，校验位校验算法为把湿度的整数和温度的整数加起来，把温度 的小数和湿度的小数加起来，只保留低 8 位。 主机微处理器 MCU 开始发送起始信号，从机 DHT11 的模式切换到高速， 实施数据的监测，对主机的信号进行响应，在主机的起始信号完全结束后，从 机 DHT11 开始向主机回应响应信号，发出的数据为 40 位，这时对信号进行采 集，其中部分数据供用户读取。如果从机 DHT11 接收一次起始信号，就会触 发一次信号的采集，如果从机接收不到主机发送的起始信号，从机 DHT11 温 湿度采集则处于暂停的状态。如果把数据采集完成 DHT11 的模式由高速切换 到低速。通讯总流程图如图 10 所示。 VCC GND 单总线 主机 发送 信号 拉高并 延时等 待 DTH11 响应 拉高延时 准备输出 数据“0” 数据“1” 数据传送结束 上拉电阻拉高 总线 从机拉低 50us 信号线说明： 主机信号DTH信号 图图 10 通讯总流程图通讯总流程图 总线空闲状态为高电平，主机微处理器把总线拉低让其等候从机 DHT11 的响应，拉低的时间一定要在 18 毫秒以上，这样做是为了确保从机 DHT11 对 主机发送的起始信号进行顺利监测。主机微处理器的起始信号如果被从机 DHT11 接收到，从机就需要等侯主机的起始信号结束了，然后发送 80us 低电 平响应信号。主机发送开始信号结束后,延时等待 20-40us，开始读取从机 DHT11 向主机发送的响应信号，主机发送起始信号可以切换到输入模式，或者 输出高电平均可, 上拉电阻把总线拉高。 如果总线处于低电平时，这时从机向主机发送响应信号，从机在对响应信 号发送完之后，把总线拉高 80us，准备发送数据,每一位数据开始发送时都是以 50 us 低电平时隙进行的，数据位 0 或 1 是取决于高电平的长短，对响应信号进 行读取，如果这种信号是高电平，从机 DHT11 没有任何响应，需要对线路进 行检查，看连接是否正常。如果最后面的一位数据完成传送，从机 DHT11 要把 总线拉低 50us，然后上拉电阻把总线拉高进入空闲状态。 3.2.3 温湿度传感器电路温湿度传感器电路 数字温湿度传感器 DHT11 是重要的工作原件，电路连接简单，仅仅是将 传感器的数据输入/输出管脚直接接到单片机 I/ O 口10，通过单片机控制传感 器 DHT11 实时监测并读取大棚空气温度，湿度。温湿度传感器电路图如图 11 所示。 VCC DATA NC GND P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 RESET RXD/P3 TXD/P3 INT0/P3 U3 DTH11 VCC 1 2 3 4 R310K 10K K1 VCC + C3 10UF R1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 U1 图图 11 温湿度传感器电路图温湿度传感器电路图 图中 VCC 脚为电源引脚、DATA 脚接单片机的 P1.2 口、NC 脚为空脚、 GND 脚接地。因为 DHT11 是利用单线进行传输，所以其电路接线简单。 3.3 光照传感器光照传感器 3.3.1 光照传感器的简介光照传感器的简介 BH1750 FVI 是一种常见的光照强度监测仪，它属于一种光强度传感器，其 结构是采用较低制作成本的一种微控制器从而达到控制的目的，利用 I2C 总线 接口进行数据传输，可在普通的液晶显示器上实时显示光强度测量值。 3.3.2 光照传感器的主要特性光照传感器的主要特性 不区分光源数字型环境光强度传感器 BH1750FVI 是由日本 RHOM 株式会 社研发的一种集成电路，采用两线式串行总线接口，可以根据收集的光线强度 数据来进行环境监测，具有 165 535 lx 的高分辨率，可支持较大范围的光照 强度变化。BH1750 FVI 结构框图如图 12 所示。 ADC OSC PD VCC AMP GNDADDR DVI SCL SDA Logic+ I2C Interface 图图 12 BH1750FVI 结构框图结构框图 由结构框图易知，如果接近人眼反应的高精度光敏二极管 PD 监测到了外 部的光照强度，通过集成运算放大器将 PD 电流变化为 PD 电压，用模数转换 器获取 16 位数字数据11，然后被逻辑和 IC 界面进行数据处理与存储。OSC 是 内部的振荡器，提供内部逻辑时钟，要读取出内部存储的光照数据需要通过相 应的操作指令。数据传输使用标准的 I2C 总线，按照时序操作时比较方便。如 果 PD 监测到了棚内的光照，BH1750 FVI 对光照值读取的速度很快，利用 OSC 给其他元件提供频率，如果开发者对 BH1750 FVI 进行操作，就会得到监测的 数值，开发者容易使用。 3.3.3 光照传感器电路光照传感器电路 为了使得到的数据更加准确，本系统测量光照度时采用精度非常高的光照 度传感器，该模块与单片机通讯方式组成了标准的 IIC12，使用方便，便于开 发者进行开发，适用于光照强度监测。光照传感器电路图如图 13 所示。 GND ADDR SDA SCL VCC VCC 1 2 3 4 5 U2 BH1750 图图 13 光照传感器电路图光照传感器电路图 3.4 LCD1602 液晶显示液晶显示屏屏 3.4.1 LCD1602 简述简述 字符型液晶显示屏是提供字母、数字、符号等显示的点阵式 LCD，现在常 用的模块为 161，162，202 和 402 行。LCD1602 液晶显示屏可以清楚给用 户和开发者显示各种字母和数字，占整个开发系统面积小、显示内容丰富、对 系统能源消耗低。LCD1602 液晶显示屏能够进行 2 行 16 个字符的显示，有 D0- D7，8 位数据总线及三个控制端口 RS， R/ W， EN，工作电压为 5 V， 对比度和背光调节两个功能字符13。它还由很多个点阵字符位组成，例如 5X7 或 5X11 等，每个点阵字符位进行一个字符的显示。每位之间有一个点距的间 隔起到了字符间距的作用，每行之间也有间隔起到了行间距的作用，所以不能 进行图形的显示。可以对显式屏的亮暗程度进行调节，用户可以清楚的看到上 面的 16 个字符。 3.4.2 LCD1602 引脚引脚 LCD1602 液晶显示原理图如图 14 所示。 VSS：为电源地。 VDD：接 5V 电源正极。 VL：LCD1602 液晶显示屏的对比度调整端，该口可以通过不同的连接，使 屏幕有不同的对比度。当接正电源时对比度最小，当接地电源时对比度最大。 RS：选择不同的寄存器，该口可以通过不同的电平应用不同的寄存器。如 果为高电平 1 的时用作选择数据寄存器、当为低电平 0 时用作选择指令寄存器。 R/W：用来作为读写信号时使用，如果是高电平 1 的时候功能是读操作， 如果是低电平 0 的时候功能是写操作。如果为低电平 0 时， RS 和 R/ W 都是 可以用来写入指令或显示地址的功能使用，如果 RS 是低电平、 R/ W 为高电 平时，只能读忙信号，相反如果 RS 为高电平时、 R/ W 为低电平时，此时只 可以写入数据。 E：该端为使能端。 D0D7：为 8 位双向数据端。 BLABLK:空脚或背灯电源。 15 引脚：背光正极。 16 引脚：背光负极。 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BG/VCC BG/GND LCD1 LCD1602 VCC VCC 1 2 3 W1 10K 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 图图 14 LCD1602 液晶显示原理图液晶显示原理图 3.4.3 LCD1602 指令表指令表 LCD1602 液晶显示屏显示的指令编码实现是通过屏幕方式、读写操作方式 和对光标进行操作方式。 表表 3.1 LCD1602 的指令表的指令表 序号指令R/SR/WD7D6D5D4D3D2D1D0 1清屏0000000001 2光标返回000000001* 3输入模式00000001I/DS 4显示控制0000001DCB 5光标/字符000000S/CR/L* 移位 6功能000010NF* 7 置字符器 存储地址 0001是用作设置字符存储器的地址使用的 8 置显示数据 存储器地址 000是作为显示数据存储器的地址使用 9 读忙标志 和地址 000是作为计算数据的地址使用 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM 00是作为写数据指令使用 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读 数 00是作为读出数据指令使用 注：注：、指令 1：将液晶显示器清除，指令码 01H,作用是使光标在 00H 地址位置进行复位。 、指令 2：光标复位，将光标撤到 00H 的地址。 、指令 3：如果有新的数据，控制光标和显示屏上文字的移动方向。如果 I/ D 为 0，则 写入新数据后光标左移；如果 I/ D 为 1，则写入新数据后光标右移，如果 S=0，则写入新 数据后显示屏上的文字不移动；如果 S=1，则写入新数据后显示屏上全部文字整体右移 1 个字符。 、指令 4：设置显示器开/关、光标显示/关闭、光标是否闪烁，如果 D 为 0 时则显示器 关，如果 D 为 1 时显示器；，如果 C 为 0 时，光标关闭，如果 C 为 1 时，光标显式；如 果 B 为 0 时，光标闪烁，如果 B 为 1 时，光标不闪烁。 、指令 5:使整个显示屏移位或使光标移位，如果 S/ C 为 0， R/ L 为 0，光标左移 1 格， 且 AC 值减 1，如果 S/ C 为 1， R/ L 为 1，光标右移 1 格，且 AC 值加 1，如果 S/ C 为 1， R/ L 为 0，显示器上字符全部左移一格，但光标不动， S/ C 为 1， R/ L 为 1，显示器 上字符全部右移一格，但光标不动 、指令 6：设置数据总线位数和显示的行数及字型，如果 DL 为 0，数据总线为 4 位， 如果 DL 为 1，数据总线为 8 位；如果 N 为 0，显示 1 行，如果 N 为 1，显示 2 行；如果 F 为 0，表示显示的点阵字符是