基于单片机和GSM的大棚温湿度检测系统的研究与设计毕业论文.doc

学号： 10417227 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2014届）题 目 基于单片机和GSM的大棚温湿度检测系统的研究与设计 学 生 杨达 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 自动化102 校内指导教师 王雪 专业技术职务 讲师 校外指导老师 专业技术职务 二一四年五月基于单片机和GSM的大棚温湿度检测系统的研究与设计摘 要：随着我国农业的迅速发展与农业现代化进程的逐步加快，大棚的应用也逐渐普及，然而这也带来了新的问题。植物生长需要合适的环境，需要在一定温度与湿度范围内才能正常地生长，因昼夜变化或者天气骤变导致的温湿度的巨大变化，对植物的生长造成了不小的负面影响。而大棚无法解决由各种原因造成的温湿度的变化，所以对大棚的温湿度进行检测与控制十分关键。因此为了让大棚环境更适合植物的生长，提高大棚作物的产量和质量，对大棚的温湿度的监测变得尤为重要。本文设计的基于单片机和GSM的大棚温湿度检测系统，以STC89C52RC单片机为控制器，以数字式温湿度传感器DHT11作为温湿度检测模块，与华为GSM通信模块有机结合，构成一个温湿度实时检测报警系统。本系统通过温湿度检测模块实时检测大棚的温湿度，并通过LCD1602液晶屏显示当前温湿度。若温湿度超过设定范围，系统进行声光报警，同时通过GSM模块将报警信息发至用户的手机，实现远程报警。本文通过四个独立按键实现温湿度的阈值设置等功能。本文为我国温室大棚自动控制系统的研究与开发打下了良好的基础。关键词：大棚温湿度检测系统；单片机；GSM； Research and Design of the temperature and humidity detection system in greenhouse based on microcontroller and GSMAbstract：With the rapid development of Chinas agriculture and the acceleration of agricultural modernization process, greenhouse has been popularized, but it also brings new problems. Plants need right growing environment, and they can only grow normally within a certain range of temperature and humidity. Great changes in temperature and humidity due to diurnal variation or the sudden change of the weather has significant negative impact on plants. However, greenhouse cant solve this problem which is caused by reasons. So the detection and control of temperature and humidity in the greenhouse is very important. In order to make the environment more suitable for plant in greenhouse, and improve the yield and quality of greenhouse crops, monitoring temperature and humidity of the greenhouse has become especially important.In this article, the design of temperature and humidity detection system in greenhouse is based on MCU and GSM , using STC89C52RC as controller, take digital temperature and humidity sensor called DHT11 as a temperature and humidity detection module, and then combined with Huawei GSM communication module, a temperature and humidity real time detection system with warning function is constituted. The system can detect the temperature and humidity temperature with humidity detection module, and display the current temperature and humidity through the LCD1602 LCD screen. If the temperature exceeds the set range, sound light alarm system will alarm. At the same time, alarm information is sent to the person in charge through the GSM module. In this design, the threshold value of temperature and humidity will be set by four independent buttons. This passage has laid a good foundation for the research and development of the automatic control system of greenhouse in China. Key words： Greenhouse temperature and humidity detection system; MCU; GSM; 目 录摘 要I目 录III1 绪论11.1 概述11.2 课题的国内外研究现状与发展趋势11.2.1 国外发展情况与发展趋势11.2.2 国内发展情况与发展趋势21.3 本文主要研究内容22 系统的总体方案32.1 功能概述32.2 总体设计方案简述32.3 方案选型42.3.1 控制器选型42.3.2 温湿度传感器选型42.3.3 通信模块选型52.3.4显示模块选型53 系统硬件部分设计73.1 单片机模块硬件电路设计73.1.1 STC89C52RC单片机简介73.1.2单片机模块最小系统硬件电路的设计93.2 温湿度检测模块硬件电路设计113.2.1 DHT11简介113.2.2 DHT11硬件电路设计113.3 GSM通讯模块硬件电路设计123.3.1 GSM开发板简介123.3.2 HUAWEI_GTM900通信模块简介123.3.3 GSM通信模块硬件电路设计123.4 LCD显示模块硬件电路设计133.4.1 LCD1602简介133.4.2 LCD1602硬件电路设计143.5 按键与报警硬件电路设计153.5.1 按键硬件电路设计153.5.2报警硬件电路设计164系统软件设计174.1 程序设计语言与软件开发环境简介174.2 系统软件总体设计174.3 温湿度采集模块软件设计204.4 GSM通讯模块软件设计244.5 LCD1602显示模块软件设计254.6 键盘软件设计284.7 报警软件设计305 系统调试及运行325.1硬件调试325.2运行结果326 结论37参 考 文 献39致谢40附录 原理图41IV常州大学本科生毕业设计（论文）1 绪论1.1 概述我国是一个农业大国，有几千年的农业文明。随着控制技术、移动通信技术的快速发展，设施农业逐渐兴起，反季节瓜果、蔬菜在人们消费水平提高的前提下迅速发展1。为使人们在不同的季节都可以食用其喜爱的作物，温室大棚的作物栽培起到了很大的作用2。但是，瓜果蔬菜在大棚里的生长受到很多因素的影响，包括阳光、空气中各种气体的含量、温度和湿度等等3。在温室大棚控制系统中，温室中的温度和湿度对各种蔬菜、花卉、苗圃等作物的生长和发育起着关键性的作用，与大自然中的普通作物相比要求精度较高。在关键时期，参数的微小变化可能会影响大棚内作物的生长，造成不可预计的经济损失4。传统大棚由农民依据自己的经验和简单的温度计进行监测并手动进行管理控制，很难达到预期的效果。为了使作物获得比室外生长更优的环境条件，达到优质、高产、高效的目的，人们对温室大棚的性能提出了更高的要求5。因此，如何方便有效地对温室大棚环境进行检测和控制，如何提高温室大棚蔬果作物生产的产量与质量水平是目前可控环境农业研究的重点。由于不同蔬菜作物的适宜温度和湿度不同，且需要稳定在一定的范围内。仅仅依靠人工管理会出现调节不及时、不准确等问题，不仅影响蔬菜正常生长，同时也会造成人力资源的浪费。因此，需要一种能对大棚温湿度检测有足够精度，并尽可能有效降低成本的技术6。本文研究的蔬菜大棚温度湿度监测系统正是这种有效技术，该系统旨在以更经济的方式实现对蔬菜大棚内的温度与湿度的监测与控制，为蔬菜生长提供最有利的环境条件，从而保证蔬菜的健康生长。温室大棚技术的发展带来了良好的经济效益和社会效益，它可以提高农民收入，提高产业化水平，提高抵御自然灾害能力，延长作物生长时间，提高作物产量7。本文研究的大棚温度湿度监测系统利用信息传感技术和数据采集技术获得大棚内的温湿度信息并进行处理，有利于实现大棚温湿度监测的智能化与精确化，有助于提高农业大棚的自动化程度和生产效率。1.2 课题的国内外研究现状与发展趋势1.2.1 国外发展情况与发展趋势国外发达国家在20世纪50年代已经开始建造并管理温室大棚8，上个世纪70年代末，美国、日本、荷兰等发达国家陆续开始应用计算机来控制温湿度。1978年，国外已经成功研制出温室环境综合控制微机系统。随着计算机技术日新月异的发展，80年代末期出现了使用计算机进行数据采集的分布式温湿度控制系统。美国是进行该项研究最早的国家之一，其开发的温室计算机控制系统可以根据具体要求，对于温度、湿度甚至光照度进行自动控制，该技术被广泛运用到日常生活、食品行业、工农业生产等各个领域。目前，美国等发达国家已经将计算机、遥感技术、GPS全球定位等高新技术应用到相应的研究中9。总体来说，国外发达国家的温室系统已经形成规模，并具备一定的行业标准。绝大多数温室大棚工厂均以计算机系统为核心控制，并辅助以各种各样的传感器，对温室环境进行精确控制，并且基本完全取代人工劳作，直接基于智能化的控制系统，已经在向全自动化的方向进行发展。1.2.2 国内发展情况与发展趋势最初，国内对于温湿度控制系统的研究也主要体现在温室控制技术的研究上，总体来说起步较晚。自上世纪80年代以来，在引进国外先进温湿度控制技术的基础上，我国开始着手研究温室的温度、湿度和二氧化碳等单项因子控制技术。但由于引进的技术并不适合我国的国情发展，因此，国内先后出现多家公司及工程师，对国外大棚技术进行研究，并结合我国现状，对大棚控制系统进行开发，逐步推出适合我国国情，合适我国农业工作者操作控制的系统。2000年之后，我国加大了在温湿度控制方面的研究力度。结合目前的技术现状，总体来看，相关研究工作已经逐步从简单应用的阶段向实用性、综合性、智能化的方向过渡与发展，研究的技术水平已经相当高。1.3 本文主要研究内容系统完成后可以通过温湿度传感器对大棚温室内的温湿度进行测量，通过单片机对采集到的数据进行处理，并用显示模块显示出当前环境的温湿度状况，当环境温湿度超出了设定范围时，发出现场声光报警，报警持续一段时间以后发送GSM短信报警。本文主要完成的任务为：（1）对现有的大棚温湿度检测系统进行调研，从而确定温度和湿度的监测范围及精度，再根据调研情况设计系统总体功能方案；（2）根据总体功能设计方案设计温湿度检测模块电路、GSM通信模块电路与单片机模块硬件电路及其相应的软件；（3）制作设备，进行调试。本文将要利用单片机及GSM通讯模块、温湿度传感器，对大棚及温室的温湿度进行监控，并且将会根据温湿度传感器的工作原理,进行硬件和软件的方案设计。本文将进行基于单片机与GSM通信模块的大棚温湿度监控的设计，利用温湿度检测模块对大棚内的温度与湿度进行实时监测，制作出精度高、体积小、系统稳定、价格低廉、功能强大的温湿度检测控制系统，实现稳定、精确的温湿度检测和控制，使之能很好的应用于当代的大棚生产活动,使得人们可以更好地控制大棚的温湿度。希望能从一定程度上解决大棚温湿度检测不便的现状，普及大棚温湿度检测，增加大棚的产出，进而提高农民的收益。2 系统的总体方案2.1 功能概述在大棚种植过程中，温湿度对作物的生长起到了至关重要的作用，因此大棚温湿度的控制是国内外的研究热点之一。国内外已有相当先进的环境监测控制系统，而且成熟应用于大型农场。然而，这类工业级的控制系统大都比较昂贵，而且不够简单易用，虽然性能非常好，但却不一定适应国内一些散户农民的大棚种植。而本文研究的方向则是为散户农民提供针对小面积大棚的较为廉价高效的的温湿度监测系统，以填补这一市场空缺。 本文研究的主要内容是运用单片机和温湿度采集模块等等，对温室内的温度和湿度进行实时监测与显示，当温湿度处于警报范围内时进行声光警报，并辅以GSM通信模块，在声光报警一段时间后仍未解除报警，通过GSM通信模块将温湿度相关信息发送到指定号码，以此通知相关人员进行相应的控制，使得作物得以在适宜的环境中生长。本系统所具备的功能如下：（1）温湿度实时采集并准确显示。通过温湿度采集模块进行温湿度的实时采集,并通过单片机对采集到的数据进行处理，最后由显示模块显示当前的温度值和湿度值。使得用户可以实时查看当时的温湿度。（2）通过按键更改温湿度的上下限。用户可根据不同作物在不同时期的最适宜生长环境，通过按键输入温度值和湿度值的范围并由显示器实时显示。由于作物在不同生长期所适宜的温湿度是变化的，此时调节温湿度范围可以使作物长时间处于较为理想的环境中，同时也满足了不同作物的环境需求。（3）将测得的值与温湿度范围进行比较，超限时进行报警。报警模块具有两项功能，即为声光报警和GSM短信信息报警。当采集到的温度、湿度值超出设定范围时，启动报警装置进行报警，并通过发送GSM短信通知用户采取相应的措施。2.2 总体设计方案简述本文的大棚温湿度监测系统是由温湿度传感器、单片机最小系统、GSM通信模块、显示模块、报警模块等等组成，通过大棚温湿度信号的采集与分析，进行声光警报及GSM短信警报，使得人们可以及时发现大棚温湿度的异状。图2.1 系统设计整体框图如图2.1系统设计整体框图所示，本系统以单片机与GSM模块、温湿度传感器为核心，主要由温湿度信号采集电路、GSM通信模块、LCD显示电路、时钟复位电路、电源电路、按键电路、报警电路组成。系统通过温湿度传感器采集大棚的温度与湿度，然后单片机对数据进行处理，将实时测得的数据显示在显示模块上，并将采集的数据与预先设置的适宜温湿度的范围进行对比，若不在范围内，则启动报警模块，进行声光警报，持续报警一段时间，当系统处于报警状态一定时间后仍未解除报警，通过GSM通信模块将当时的温湿度发送到指定号码，从而实现了大棚温湿度的检测，显示与报警。2.3 方案选型2.3.1 控制器选型（1）8051单片机8051是一种由英特尔公司制造的8位元的单芯片微控制器，属于MCS-51单芯片的一种。8051单芯片是同步式的顺序逻辑系统，整个系统的工作完全是依赖系统内部的时脉信号，用以来产生各种动作周期及同步信号。在8051单片机中已内建时钟产生器，在使用时只需接上石英晶体谐振器（或其它振荡子）及电容，就可以让系统产生正确的时钟信号。（2）STC89C52RC单片机STC89C52是由宏晶公司生产的一种低功耗高性能的8位微控制器，指令代码完全兼容传统的8051，存储器为8K Flash存储器，内核为MCS-51，拥有许多传统51单片机所不具备的功能，是一款增强型的8051单片机。它的标准功能有：8K Flash ROM，512Byte RAM，内置4KB EEPROM，以及32位I/O口线，看门狗定时器，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构等等，而且具有ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）功能，可极大的方便下载程序。另外STC89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，但是允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。结合本系统的需求，与8051单片机相比，STC89C52RC功能更强大，下载程序更为方便，价格也相当便宜。由于该芯片应用广泛，学习资料也可以更容易地获得，所以本文选用的STC89C52RC芯片。2.3.2 温湿度传感器选型（1）方案一 采用独立温度传感器与湿度传感器常用的温度传感器有热电偶与热电阻，常用的湿度传感器有氯化锂湿度传感器、碳湿敏元件、氧化铝湿度计、陶瓷湿度传感器等等，采用这些传感器时，通常是将4-20mA模拟信号通过AD转换电路转换为数字信号进行温湿度的采集与处理，再通过单片机进行判断与相关的动作。然而，这些传感器价格较高，接线复杂，对环境要求也较高。譬如常用的温度传感器，热电偶精度不高，而热电阻虽然精度高，体积小，但是容易造成热负载造成测量不准；湿敏传感器则对供电电压要求很高，供电电压若有偏差，对湿度的检测会造成很大的影响。（2）方案二 采用单片智能化湿度/温度传感器常用的单片智能化温湿度传感器有DHT11及SHT11等等，由于本系统的目的为监测大棚的温湿度，精度无需太高，因而DHT11数字温湿度传感器就足够本系统的使用。DHT11内含一个电阻式湿度传感器、一个NTC温度传感器以及一个8位单片机，采用专用的数字模块进行温湿度采集，相对采用独立的温湿度传感器而言，具有极高的可靠性与稳定性。每一只DHT11在出厂前都经过了精确的校准，而校准系数会被编成相应的程序存入校准存储器OTP中，从而在测量过程中传感器会利用校准系数进行自动校准。DHT11采用单线制串行接口，使得系统集成更为便捷，同时它具有反应快、抗干扰能力强、性价比高的特点，使得它更适合本系统使用，超小的体积与极低的功耗，更是独立传感器所无法相比的。由于本文采用单片机为控制器，为了节约成本，选用单片智能化温湿度传感器DHT11可以省去温度、湿度两个传感器及相应的AD转换电路，使系统更为简单稳定高效，所以本文选用DHT11温湿度传感器采集温湿度信号。2.3.3 通信模块选型（1）SIEMENS TC35I通信模块TC35I是德国西门子公司的一款支持900/1800MHZ双频的高度集成的GSM模块。TC35IGSM模块通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线，是一种支持中文短信息的工业级GSM模块，支持EGSM900和GSM1800双频段，可传输语音及数据信号。TC35I的数据接口通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s115kb/s，自动波特率为1.2kb/s115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS，支持通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。（2）HUAWEI GTM900B通信模块华为GTM900B是GTM900C模块的老版本，广泛应用于远程监控、无线公共电话、无线POS终端等领域，是一款双频、高集成度的GSM/GPRS模块。该模块体积小，重量轻，功耗低，使用简单，易于集成。同时GTM900B软件、硬件兼容TC35I、MC39I，用户可以花更短的时间更少的成本开发新的产品。本文仅使用GSM通信模块发送短信，华为GTM900B比TC35I价格低很多，在这两种通信模块都能满足本系统的情况下，为了使系统更为经济，本文采用华为GTM900B。2.3.4显示模块选型（1）采用LED数码管显示。LED数码管是由多个发光二极管封装在一起“8”字型的器件，通过对这七个条形发光二极管通以高/低电平使得相应的发光二极管暗灭，显示出相应的字形。LED数码管拥有两种驱动方式，静态驱动时编程简单，LED亮度高，但是需要占用大量I/O口，动态显示应用广泛，但一般需用驱动芯片进行驱动显示。（2）采用LCD液晶显示器显示。LCD1602是指可以显示两行，每行16个字符的液晶模块。常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，它具有功耗低、体积小、可视面积大、画面好、抗干扰能力强、显示内容丰富且美观的特点，可以节省软件中断资源。相比以上两种方案，由于本系统显示模块需要使用的字符较多，若用LED数码管需要较多I/O口，且电路较为复杂，所以本文使用LCD1602显示器，相比于采用LED数码管，具有电路简单，画面清晰易懂的优点。3 系统硬件部分设计如图3.1所示，本文设计的大棚温湿度检测系统，以STC89C52RC单片机为控制器，以数字式温湿度传感器DHT11作为温湿度检测模块，与华为GSM通信模块有机结合，构成一个温湿度实时检测报警系统。本系统使用四个独立按键实现温湿度的阈值设置等功能，再通过温湿度检测模块（DHT11）实时检测大棚内的温湿度，并由LCD1602液晶屏实时显示当前温湿度。当温湿度超过设定范围时，系统进行声光报警。当系统处于报警状态一定时间后仍未解除报警，则通过GSM模块将报警信息发至负责人手机，实现远程报警。图3.1 系统详细功能框图3.1 单片机模块硬件电路设计3.1.1 STC89C52RC单片机简介单片机是一种具有强大数据处理能力的超大规模的集成电路芯片，其内部是由中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等等组成，部分功能强大的单片机可能还具有显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器电路等。由于其强大的计算能力、较好的稳定性、较低的价格，在工业控制领域得到了广泛应用。国内使用最多的单片机是INTEL公司的51系列的单片机，它是一种最为基础的单片机，它具有品种齐全、兼容性强、软件资源丰富、性价比较高的特点，在国内得到了最为广泛的应用。本系统使用的STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，它完全兼容8051单片机的代码，可将8051的代码直接应用与该芯片。它拥有8K字节的用户应用程序空间，512字节片内RAM，32个通用I/O口，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，此外，它无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，为本系统的设计与调试提供了巨大的方便。图3.2 STC89C52RC引脚图图3.2为STC89C52RC引脚图，其功能说明如下：引脚40为VCC电源正脚，引脚20为电源电压接地脚VSS。P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。P0口作为I/O口输出的时候，输出低电平为0，输出高电平为高组态而非5V，相当于悬空状态。也就是说P0 口不能真正的输出高电平，给所接的负载提供电流，因此必须接上拉电阻（一电阻连接到VCC），由电源通过这个上拉电阻给负载提供电流。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。 此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。3.1.2单片机模块最小系统硬件电路的设计图3.3 最小系统硬件电路最小系统如图3.3所示，其中复位电路与晶振电路的硬件设计详细介绍如下所示。（1）复位电路的硬件设计单片机运行程序时，都是从地址0000H开始的，所以进入系统时必须对CPU进行复位，此外，当程序运行时由于程序错误或者操作失误导致系统进入死锁状态，也需要通过复位使系统恢复正常。在RST引脚上（第9引脚）加一个持续时间为24个振荡周期的高电平，便可使单片机成功复位，本文采用按键复位，复位电路如图3.4所示。当电源刚接通时，由于电容两端电压不能突变，所以RST端维持高电平一段时间，只要电容充电时间不超过1ms，就可以对单片机进行通电自动复位，即一接通电源便复位。同时，在正常使用过程中，需要复位时按下按钮，则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。由于正常按下按钮时会保持接通达数十毫秒，完全能够满足复位的时间要求的24个机器周期，所以便能直接复位。图3.4 复位电路（2）晶振电路的硬件设计图3.5 晶振电路STC89C52RC单片机工作时需要时钟电路产生控制信号，单片机内部的各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，来有序工作的。因此时钟频率直接影响单片机的速度，本系统采用内部时钟方式，如图3.5所示，将XTAL1与XTAL2跨接石英晶体和微调电容，构成了一个稳定的自激振荡器。3.2 温湿度检测模块硬件电路设计3.2.1 DHT11简介DHT11 数字温湿度传感器是一款拥有数字模块采集技术和温湿度传感技术的温湿度复合传感器，可靠且稳定。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。每个传感器都经过极为精确地校准。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。产品为4针单排引脚封装，单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其在各类领域中都得到了广泛的应用。它的技术参数为：供电电压范围为3.35.5V DC，输出信号为单总线数字信号，湿度测量范围为20-90%RH，精度5%RH，温度测量范围为050，精度2，湿度分辨率为1%，温度分辨率为1，长期稳定性为w2 )/当温湿度超限时，启动声光报警，此处四种超限对应四种led指示灯d3=0;d0=0;fm=0;Delay_ms(20);d0=1;fm=1;Delay_ms(20);else if(TH_TMPs2) d4=0;d0=0;fm=0;Delay_ms(20);d0=1;fm=1;Delay_ms(20);else if(TH_RH50 | js250)/温湿度长时间超限时，启动GSM报警 js1=0; js2=0;if(TH_TMPw2 | TH_TMPs2 | TH_RHs1) 4.3