基于单片机的环境温湿度检测系统

介绍1.1温室控制系统设计背景中国农业的发展必须走现代农业的道路。随着国民经济的快速增长，农业的研究和应用越来越受到重视，尤其是温室已经成为高效农业的重要组成部分。现代农业生产的一个重要组成部分是检测和控制农业生产环境的一些重要参数。例如，空气温度、湿度、二氧化碳含量、土壤含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育和能量交换密切相关。环境监控是实现温室生产自动化和科学化管理的基本保证。通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，达到作物优质、高产、高效栽培的目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代农业生产中发挥着重要作用。温室内的温度和湿度参数与蔬菜和水果的生长直接相关。国外的温室设施已经发展到比较完善的水平，并形成了一定的标准，但价格非常昂贵，缺乏适合中国气候特点的测控软件。然而，当今的温室温湿度检测和控制大多采用人工管理，不可避免地存在着测量和控制精度低、劳动强度大以及由于测量和控制不及时造成不可弥补的损失等缺点。结果，不仅成本大大增加，人力资源浪费，而且预期效果也难以达到。因此，为了实现科学高效的农业生产，提高农业研究的准确性，促进我国农业的发展，必须大力发展农业设施和相应的农业项目，科学合理地调节温室内的温度和湿度，从而形成有利于温室内蔬菜和水果生长的环境，这是温室内蔬菜和水果早熟、优质、高效的重要环节1。影响作物生长发育的环境条件主要包括温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等。所有这些环境条件都是相互作用、相互关联和相互耦合的。一个控制变量的变化会影响其他控制变量的变化。作物的生长发育是所有这些环境条件综合作用的结果。温度和湿度一直是人类关注的焦点。这两个环境因素总是影响着人们的生产和生活。以下是温度和湿度对作物影响的简要描述。(1)温度温室内的温度和地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系生长以及水分和养分的吸收有显著影响。因此，温度是影响作物生长发育最敏感、最重要的环境条件。温室环境控制的研究也是从温度控制开始的。不同种类的作物对温度的要求不同，同一作物在不同发育阶段对温度的要求也不同，同一发育阶段对温度的要求会随着昼夜的变化而周期性变化。一般来说，作物光合作用所需的温度在白天较高，在晚上较低，以维持呼吸。作物生长发育的适宜温度因品种、品种、生育期和生理活动而异。为了增加光合产物的产量和抑制不必要的呼吸消耗，温度变化管理是一种非常有效的管理方法，在白天1的光照强度变化。(2)湿度作物对温室水分的需求反映在温室空气湿度和土壤湿度的需求上。空气湿度用相对湿度来表示，因为相对湿度能更好地反映事实。根据相关研究记录，除雨天外，下午温室内空气湿度低将导致作物光合午休。因此，相对湿度土壤湿度对作物也有很大的影响。如果土壤中水分过多，湿度过高，土壤中的氧含量会降低，作物的根部会呼吸困难，从而危及作物的生长发育。相反，当土壤中的含水量减少时，作物根部吸收的水分也相应减少，从而阻碍作物的生长，严重时会导致作物枯萎。不同的作物对湿度有不同的要求，甚至同一物种在不同的发育阶段对湿度也有不同的要求。土壤湿度管理是应用灌溉技术，包括渗灌、滴灌、微灌等。去温室。传统的洪水灌溉不仅浪费水资源，而且会使土壤变硬，提高室内湿度。渗灌技术在温室中的应用具有灌溉均匀、提高地温、保持土壤疏松、降低室内湿度、减少病害发生、延长生育期等优点。很久以前，人类就已经想出各种方法来控制温度和湿度，以满足人们生产和生活的需要。从古代开始，人们试图通过风扇、雨伞、毛巾等来控制温度和湿度。当今社会随着高科技的飞速发展，各种工具被发明出来，如风扇、空调、加热器等。表明人类一直试图控制这两个与人类密切相关的环境因素。现代科学技术的发展使得温湿度的控制更加容易和高效，特别是传感器和单片机的应用，使得温湿度控制系统的性能得到了根本性的提高，具有更高的精度和自动化程度2。人们用温度计和湿度计采集温度和湿度，用手动操作加热、加湿、通风和冷却设备来控制温度和湿度，不仅控制精度低、实时性差，而且操作人员劳动强度大。尽管有些用户使用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果并不理想。在某些行业，对温度和湿度的要求更高，特别是在大型电力系统中，因温度过高或过低而导致的部件故障或因环境湿度过高而导致的泄漏事故时有发生。它影响电力系统的可靠运行，甚至危及当地电力系统和运行人员的安全。为了避免这些故障，有必要在动力设备的机柜中安装温度控制和除湿设备。1.2本设计的内容和意义1.2.1本设计的主要内容本设计以STC89C51单片机的温湿度测控系统为核心，实现对温湿度的实时检测。单片机可以独立完成各自的功能，同时可以根据主控计算机的指令定期采集温度。测量结果不仅可以在本地显示，还可以利用单片机的串口和RS-232总线通讯协议，将温室内的温湿度参数及时上传到上位机，并与设定值进行比较，当设定值不一致时，可以采取相应的处理措施，实现恒温恒湿环境。在设计过程中，充分考虑了性价比和精度。在选择低价通用元器件的基础上，尽可能满足设计要求，系统精度高。该控制系统以单片机控制为核心，实时监控环境的温度和湿度，设定两个参数的上、下限值，并有相应的报警系统。当超过设定的极限值时，单片机控制报警系统发出报警，同时驱动继电器打开相应的开关，使相应的执行器运行。当参数值回到设定值范围时，单片机控制执行器停止运行。因此，环境的温度和湿度可以控制在一定的范围内。本次设计的主要内容包括以下几个方面：(1)掌握单片机的主要功能和特点传统方法中，人们主要使用温度计和湿度计来采集温度和湿度值，并通过手动操作加热、加湿、通风和冷却设备来控制温度和湿度。然而，由于温度计和湿度计的精度低以及人工读数的人为因素，温湿度检测不仅速度慢、精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度高。随着科学技术的发展，出现了由各种传感器、模数转换器、报警器等组成的温湿度监控系统，可以对环境中的每个测量点进行巡回检测。在一定程度上提高了检测速度和准确性，减轻了劳动强度。然而，由于采用的传感器灵敏度较低，稳定性较差，检测精度和系统可靠性不够理想。同时，在农业生产和农业科学研究的许多场合，都需要对上述物理量进行准确的检测和控制。由于现在基本上采用人工测控方式，劳动强度大、复杂、测量精度低是不可避免的。此外，由于检测和报警不及时，给生产和科研工作造成了一定的损失2。近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，人们对参数监测的准确性和稳定性提出了越来越高的要求。本设计针对这一问题，设计了一种相对精度高、性能稳定的温湿度控制装置。该仪器可广泛应用于温室、仓库、体育场等领域。2.温室控制系统的总体设计2.1测控系统的设计要求(1)室内环境温度、湿度等参数的实时采集和显示。主要参数的监测范围和检测精度见表2.1。表2.1主要环境参数参数名称探测距离检测精度温度-30 500.5相对湿度10% 100%相对湿度3.0%相对湿度(2)可以根据每天各个阶段和季节的外部环境变化，通过键盘输入改变参数的设置，以满足不同的需求，达到最佳的效益；(3)声音报警功能；(4)根据检测到的信号，实时控制执行机构的打开和关闭。(5)自带5 V和12 V直流稳压电源。2.2设计目标本设计是一个基于单片机的智能温湿度控制采集系统。主要任务如下：(1)选择STC89C51单片机，了解其基本特性和功能，用STC89C51实现温湿度的智能控制。(2)温度传感器用于测量环境温度，数据采集后传输到单片机进行数据处理，实现温度在-30 50范围内的采集和控制。(3)湿度传感器用于采集现场环境湿度数据，单片机对数据进行处理和控制，实现10% 100%相对湿度范围内的湿度控制。(4)采用串行总线RS-232实现单片机与上位机的通信。(5)设计人机对话界面、键盘、显示和报警系统。(6)设计执行机构的电路，使单片机能够自动控制执行机构的运行。在使系统完成特定功能的同时，必须保证系统的可靠性和稳定性，使系统能够长时间稳定工作。我们应该努力实现系统的低成本、低功耗和高精度。2.3测控系统的组成及控制原理本设计是一个基于单片机的自动控制系统。硬件系统由键盘输入电路、液晶显示电路、传感器和模数转换电路、执行电路、报警电路等组成。硬件系统的原理框图如图2.1所示。键盘输入温度传感器湿度传感器A/D转动变化微程序控制器STCT89C51液晶显示器告警电路图2.1测控系统硬件组成原理框图通常，传感器的输出是模拟的，需要将其转换成可由s接收的数字信号硬件组件的选择必须考虑组件的功能实现、及时性、价格和通用性。在电路设计中，在实现所需功能的基础上，尽量使电路简单。3.1单片机的选择和特点计算机的出现加快了人类改造世界的步伐，但毕竟是巨大的。单片机就是在这种情况下诞生的。微控制器，也称为单片机或单片机。它是一台微型计算机，集成了计算机的主要功能部件，如中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、输入/输出端口(1/0)等。集成电路芯片上。其结构和命令功能是根据工业控制的要求设计的。单片机已经广泛应用于智能控制系统中。微控制器已经广泛应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。市场上流行的单片机类型主要有英特尔的8951系列单片机、Atmel和Philip、摩托罗拉的M6800系列单片机、英特尔的MCS96系列单片机、微芯片的PIC系列单片机等。每一系列单片机在处理速度、稳定性、输入输出能力、功耗、功能和价格等方面都有各自的优缺点。这类单片机家族也为我们提供了很大的选择余地。本设计选用STC89C51微控制器。它是一款低功耗、低价格、高性能的8位微处理器3。3.2 STC89C51系列单片机简介STC89C51是美国ATMEL公司生产的一款低电压、高性能的8位单片机。该芯片包含4k字节的可重写闪存只读程序存储器和256字节的随机存取数据存储器。该设备由ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产。它与标准的MCS-51指令系统和8051产品引脚兼容。该芯片包含一个通用的8位中央处理器和闪存单元。强大的STC89C51微控制器适用于许多更复杂的控制应用。3.2.1 STC89C51基本特性STC89C51系列单片机的主要性能参数如下：与MCS-51产品说明和引脚完全兼容4k字节可重写闪存1000次擦除全静态运行：0Hz-24Hz三级加密程序存储器256字节的内部内存32个可编程输入/输出端口3个16位时序/计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和省电模式。STC89C51提供以下标准功能：4k字节闪存、256字节内部内存、32个输入/输出端口、3个16位定时/计数器、6矢量两级中断结构、全双工串行通信端口、片内振荡器和时钟电路。同时，STC89C52可以降低到0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的省电操作模式。空闲模式停止中央处理器的工作，但允许随机存取存储器、定时器/计数器、串行通信端口和中断系统继续工作。掉电模式保存随机存取存储器的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他组件工作，直到下一次硬件复位。3 . 2 . 2 STC 89 c 51单片机的内部结构STC89C51单片机的内部结构如图3.1所示。图3.1单片机内部结构3 . 2 . 3 STC 89 c 51的引脚功能引脚功能描述如图3.2所示。Vcc:电源电压GND:地面P0端口：P0端口是一组8位开漏双向输入/输出端口，即地址/数据总线多路复用端口。当用作输出端口时，每个位可以吸收电流来驱动8个TTL逻辑门。当向端口P0写入“1”时，它可以用作高阻抗输入端。当访问外部数据存储器或程序存储器时，这组端口线路时分转换地址(低8位)并多