基于单片机的温湿度及光照度采集系统的设计_毕业论文

毕业论文蔬菜大棚智能数据采集系统的设计学生姓名学号系部专业指导教师二一三年六月张经飞092039116自动化自动化郭晋秦太原工业学院毕业设计毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目蔬菜大棚智能数据采集系统的设计系部自动化专业自动化学号092039116学生张经飞指导教师郭晋秦副教授专业负责人郭晋秦1设计（论文）的主要任务及目标随着科技的进步和现代生活的快速发展，在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门及日常生活中，经常需要对环境温湿度与光照度进行检测及控制。准确测量温湿度以及光照度对于生物制药、食品加工、等行业更是至关重要。在检测技术不断发展完善的今天，检测装置也正在朝着集成化、智能化的方向发展。主要表现在以下两个方面（1）传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，（2）在检测系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等几项新技术。本论文是以蔬菜大棚为研究对象来设计一款基于单片机的温湿度、光照度检测装置。温度、湿度、光照度是衡量蔬菜大棚的三项重要指标，它直接影响到栽培作物的生长和产量，蔬菜的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对蔬菜生长影响最大的是环境中的温湿度及光照度。环境中昼夜的温湿度、光照度变化大，其对蔬菜生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合蔬菜的生长，来提高其产量和质量。但传统的人工的测试方法费时费力、效率低，且测试的误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的检测装置。该论文即是针对这一问题，设计出了能够实现温湿度自动检测，LCD数字实时显示，按键调整上下限设置，超限报警等多功能的温湿度和光照度检测装置。2主要参考文献1郑争兵，基于单片机与AD509的温度测量报警系统J，国外电子测量技术，2009，271。2汪英基于微机测控网络的温湿度及报警D，长沙，湖南大学，2007。太原工业学院毕业设计I3MTPROSPECT，MCS51FAMILYOFMICROCONTROLLERSARCHITECTURALOVERVIEW，SEPTEMBER1993。4GEDWARDSUH，CHARLESWODONNELL，SRINIVASDEVADAS，AEGISASINGLECHIPSECUREPROCESSOR，IEEEDESIGNANDTESTOFCOMPUTERS2008，24（6）570580。5赵建领，5L系列单片机开发宝典M，北京电子工业出版社，2007。6郑步生，吴渭，MULTISIM2001电路设计及仿真入门应用MI，北京电子工业出版社，2002。7文生平，赵国平，江剑强，基于MATLAB的熔体温度控制设计研究，20076。8王学武，王冬青，陈程，顾幸生，孙自强，基于混沌RBF神经网络的气化炉温度软测量系统200653史军勇冀捐灶杨宝强基于AT89C2051的温湿度控制仪，20041。9夏方林，一种基于单片机AT89C51的温湿度控制仪的设计，19991。10王宝库，多功能检测控制系统的设计，200641。11赵亮赵国锐，单片机C语言编程与实例，2003。12张志利蔡伟，基于AD590的温度测控装置研制，20012。13王福瑞，单片微机测控系统设计大全，1998。14陈卫东，陈亚霖，基于SMITHFUZZY控制器的粮库温湿度测控算法，20061。15朱芳，基于单片机的数据采集系统设计J重庆科技学院学报，2009。16董巍巍，李钊，李建军，李冰，彭黎明基于单片机的数据采集系统设计J计算机与网络，2009123进度安排在本论文初期，我对设计进度进行了具体的按排，如下表所示表1进度安排表设计（论文）各阶段名称起止日期太原工业学院毕业设计II1资料搜集、整理分析，提出研究技术路线（开题报告）20132201332方案的比较和论证20133201343系统开发201344系统调试、完善201355撰写开发报告、答辩2013520136蔬菜大棚智能数据采集系统的设计摘要本文的蔬菜大棚智能数据采集系统，通过对农村蔬菜大棚的实地考察和综合分析，结合农村的生产力条件和经济发展情况，本着务实、够用、功能实现完全的原则，采用STC89C52单片机的串口扩展功能，搭建了一个智能数据采集平台，用于检测蔬菜大棚的温湿度、光照度数据，同时在显示屏上显示数据，并且实现报警和报警值设置的功能，既满足了菜农的需求，又节约了成本，力求本系统应用到实际中。关键词蔬菜大棚、数据采集、智能采集太原工业学院毕业设计IIITHEINTELLIGENTDATAACQUISITIONSYSTEMDESIGNFORVEGETABLEGREENHOUSESABSTRACTTHISVEGETABLEGREENHOUSESINTELLIGENTDATAACQUISITIONSYSTEM,THROUGHFIELDWORKINRURALGREENHOUSESANDCOMPREHENSIVEANALYSIS,COMBINEDWITHTHEPRODUCTIVITYOFRURALCONDITIONSANDECONOMICDEVELOPMENT,PRAGMATIC,ENOUGH,TOACHIEVECOMPLETEFUNCTIONALPRINCIPLE,THEUSEOFSINGLECHIPSERIALPORTEXPANSIONSTC89C52FUNCTIONS,TOBUILDANINTELLIGENTDATAACQUISITIONPLATFORMFORDETECTINGGREENHOUSESTEMPERATURE,HUMIDITY,LIGHTINTENSITYDATA,WHILETHEDATAONTHEDISPLAY,ANDTHEVALUEISSETTOACHIEVEALARMANDALARMFUNCTIONS,BOTHTOMEETTHENEEDSOFFARMERS,BUTALSOSAVESCOSTS,ANDSTRIVETOAPPLYTHISSYSTEMINTOPRACTICEKEYWORDSVEGETABLEGREENHOUSES、DATAACQUISITION、INTELLIGENTCOLLECTION太原工业学院毕业设计IV目录1绪论111本课题研究背景112国内外现状1121国内外总体发展状况1122国外现状2123国内现状3124我国蔬菜大棚存在的问题413本课题任务52系统总体设计方案621系统设计的思路622系统性能分析7221番茄的生长习性及特点7222本系统功能简介823温湿度传感器的选择8231温湿度传感器介绍8231温湿度传感器分类9224数字型温湿度传感器DHT11简介924光照传感器选择10241光照传感器介绍10242光照传感器分类11243光照传感器BH1750FVI简介1125单片机的选择14251单片机简介14252单片机的选择1626显示模块的选择17太原工业学院毕业设计V27总结183系统的硬件设计1931总体设计方案1932温湿度采集电路19321DHT11串行通信说明（单线双向）19322DHT11电路2033光照度电路21331BHL750的通讯协议及过程21332BH1750FVI电路2134复位电路2234时钟电路2335显示电路2336报警电路2437按键设置电路2538MAX232串口电路25310总结264系统软件设计2741开发环境介绍27411KEILC5127412PROTEUS2742主程序设计2742温湿度程序设计2943光照程序设计3044报警程序设计3045按键设置程序设计315系统调试3251系统实物3252系统功能测试32521采集及显示功能测试33522报警功能测试33太原工业学院毕业设计VI523按键设置功能测试34总结35致谢37附录38太原工业学院毕业设计11绪论11本课题研究背景根据我国第二次农业普查的数据显示，截止到2008年，我国农业所培养的蔬菜面积81千公顷“在这一个大基数的培养面积中，大棚的面积465千公顷，寿光、青州一带大多数是这样的大棚“另外，中小棚建筑面积231千公顷“在蔬菜供应方面，大小棚和蔬菜所种植的蔬菜723千公顷，占全国全部蔬菜种植总面积的43“种植的水果和园艺苗木184公顷，占全国果园总面积的180/0“农业的生态建设和设施建设为主导的高科技农业发展，大大的促进了农产品的质量的提高，也促进了数量的快速增长。对于蔬菜大棚来说，温度、湿度、光照度是衡量蔬菜大棚的三项重要指标，它直接影响到栽培作物的生长和产量，蔬菜的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对蔬菜生长影响最大的是环境中的温湿度及光照度。环境中昼夜的温湿度、光照度变化大，其对蔬菜生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合蔬菜的生长，来提高其产量和质量。但传统的人工的测试方法费时费力、效率低，且测试的误差大，随机性大。因此，研究一种低廉、使用方便且测量准确的检测装置是非常有必要的，本课题就是以太原市为背景，以番茄为研究对象设计的一款智能数据采集系统。12国内外现状121国内外总体发展状况从国内外蔬菜大棚控制技术的发展状况来看，控制技术大致经历三个发展阶段手动控制，自动化控制，智能化控制。（1）手动控制这是在温室大棚技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。种植者既是温室大棚环境的传感器，北京利康搬家公司又是对作物进行管理的执行机构，他们是环境控制的核心。通过对温室大棚太原工业学院毕业设计1内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室大棚内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。（2）自动控制这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室大棚环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室大棚环境设定目标值，可以自动地进行环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应利康搬家公司电话，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室大棚及引进的国外设备都属于这种控制方式。（3）智能化控制这是在温室大棚自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的专家控制系统技术。温室大棚控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，网站优化向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室大棚环境控制朝着基于作物生长模型、温室大棚综合环境因子分析模型和农业专家系统的信息自动采集及智能控制趋势发展。122国外现状世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的蔬菜大棚产业，蔬菜大棚内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于蔬菜大棚控制和管理最早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对蔬菜大棚环境进行监测和控制。以蔬菜大太原工业学院毕业设计2棚为例，蔬菜大棚内监控项目包括室内温度、湿度、相对空气湿度、通窗状况、泵的工作状况、CO2浓度；大棚外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。蔬菜大棚数据采集系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发蔬菜大棚计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃蔬菜大棚制造水平处于世界先进水平，荷兰开发的蔬菜大棚计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成蔬菜灌溉和气候的控制和管理。此外，国外蔬菜大棚业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于蔬菜大棚的管理与控制中。控制要求能在远离蔬菜大棚的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。国外对蔬菜大棚环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。蔬菜大棚先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了遍布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的蔬菜控制技术发展很快，一些国家在落实自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。123国内现状我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于蔬菜控制与管理领域。20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所，研制开发了蔬菜大棚控制与管理系统，并开发了基于WINDOWS操作系统的控制软件；90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等人研制开发了蔬菜大棚软硬件控制系统，能对温度、光照、CO2、湿度等进行综合控制，是目前太原工业学院毕业设计3国产化蔬菜大棚计算机控制系统较为典型的研究成果。在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海蔬菜生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究蔬菜大棚设施的计算机控制与管理技术。“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业设施农业研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度，其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料蔬菜结构及调控设施的优化设计及实施”的专题。20世纪90年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文研制了大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境DET系列软件”和智能蔬菜自动控制系统，能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减小人工操作的盲目性。北京农业大学研制成功“WJG1”蔬菜大棚环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。河南省农科院自动化控制中心研制了“GCSI型智能化蔬菜大棚自动控制系统”，采用上位机加PLC的集散式控制方法，软件采用智能化模糊算法。中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗蔬菜大棚计算机分布式控制系统”，实现了计算机分布式控制。124我国蔬菜大棚存在的问题1科技含量和总体发展水平较低。我国设施栽培起步晚、基础差，没有将其作为整体工程问题研究。从设施装备到栽培技术的生产管理不配套，生产不规范，难以形成大规模商品生产。2我国现有的蔬菜控制系统仍以控制一个蔬菜为主，没有基于蔬菜群的控制系统。这样降低了生产管理的效率。3蔬菜测控系统的通信仍然采用有线方式。我国蔬菜测控系统的通信主要有485总线以及CAN总线等有线方式。这些有线通信方式不仅使得蔬菜内的信号线和动力线错综复杂，而且导致系统的可靠性降低，安装维护工作量变大，同时也不利于农业机器人等移动设备的作业，难以达到蔬菜生产的“工厂化农业”水平。4缺少基于农业专家知识的上位机管理系统。我国目前的蔬菜控制系统中，一些上位机只限于存储采集的历史数据，没有根据农业专家知识的实时控制管太原工业学院毕业设计4理系统。5设施水平低，抵御自然灾害的能力差。我国目前部分蔬菜的建筑材料主要是钢材和玻璃。但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品，且应用率仅占设施栽培面积的10，而绝大部分由农民自行建造的塑料日光蔬菜也只能起到一定的保温作用，根本不能实现对温度、湿度、光照等环境因子的调控。6机械化水平低，调控能力差，作业主要依靠人力。生产管理主要靠经验和单因子定性调控。13本课题任务针对我国蔬菜大棚存在的问题，通过调查分析，确定了设计任务。本系统要能对温湿度、光照度进行实时采集，采集到的数据传入单片机中，通过单片机对采集到的数据进行处理，处理过的数据通过单片机接口送达显示模块显示，当数据超出系统设定的报警值时，系统会进行报警，要能通过按键调整报警上限值。太原工业学院毕业设计52系统总体设计方案21系统设计的思路本课题研究的是蔬菜大棚智能数据采集系统的设计，所以必须先对蔬菜的生长进行了解，众所周知，蔬菜的生长三要素是温度、湿度、光照度，在设计本系统前必须对三要素进行了解，因此我对三要素进行了初步研究，了解了他们对蔬菜生长的影响。（1）光照与温度对蔬菜的影响光照和温度对作物的的影响最大，在光照的条件下，蔬菜体才能把二氧化碳和水转化成有机物和氧，同时将光能转化成化学能“在大棚生产的过程中，光照和温度缺一不可，温度的控制至关重要，低温和高温都会带来负面影响“持续的低温很不利于蔬菜的生长和发育，它会降低光合作用的速度，使矿物质的吸收迟缓，使得蔬菜的器官代谢活动收到抑制，导致生长发育缓慢，甚至在叶面上出现坏死现象，所以大多数蔬菜都有一个临界温度，如果低于这个温度，蔬菜就会受到损坏“同理，温度过高同样对温度有着致命的影响，特别是在开花的时候“在高温的驱使下，蔬菜的光合作用减弱，呼吸作用增强，过分的高温使得蔬菜的两个过程产生严重紊乱，使得蔬菜的生长速度加快，增加了体内蛋白质的凝聚水平，长时间的高温亦可加速蔬菜的死亡。（2）湿度影响湿度对蔬菜的影响同样不可忽视，及时的给蔬菜的体内供应更多的养分，加快蔬菜体内水分和无机盐的运输，保证根茎叶花等各个器官顺利生长，作用十分重要。蒸腾作用的目的就是通过把水分从蔬菜的叶子中蒸发出来，蒸腾在蒸腾的过程中，能增加空气的湿度，所以植被繁茂的地方一般来说对气候和空气起着积极的调节作用，但是反过来，空气的湿度同样影响着蔬菜蒸腾作用是否能顺利进行，湿度过高，使得蒸腾作用减弱，蔬菜体内养分供给不足，蔬菜体会变得发黄脆弱，缺乏营养。同理，蒸腾作用越大，使得作物的水分和矿物质蒸发过快，蔬菜易出现萎蔫现象，不仅如此，光、温度、风、C02浓度同样会对作物起着不同程度的影响。太原工业学院毕业设计622系统性能分析该系统是以太原为地理背景，以番茄的生长环境为设计背景来设计的一个数据采集系统,所以系统的性能必须符合番茄的生长习性。221番茄的生长习性及特点番茄，别名西红柿、洋柿子、柿子、番柿，起源于南美洲的安第斯山的秘鲁、厄瓜多尔、玻利维亚等地。（1）对温度的要求番茄是喜温性蔬菜，在正常条件下，同化作用最适宜的温度为2025，温度低于15，不能开花或授粉受精不良，导致落花等生殖生长障碍。温度降至10时，植株停止生长，长时间5以下的低温能引起低温危害。温度上升到30时，同化作用显著降低，升高至35以上时，生殖生长受到干扰与破坏，即使是短时间的35的高温，也会产生生理性干扰，导致落花落果或果实不发育。不同生育时期对温度的要求及反应是有差别的。种子发芽的适宜温度为2530，最低12。幼苗期的适宜温度为2025，开花期对温度比较敏感，白天适温为2030，过低（15以下）或过高（35以上）都不利于花器官的正常发育。结果期适温为2528，温度低，果实生长速度慢，日温增高到3035时，果实生长速度较快，但着果少，夜温过高不利于营养物质积累，果实发育不良。2628以上的高温能抑制番茄茄红素及其它色素的形成，影响果实正常转色。由此可得结论番茄最是生长温度为2030。上下限分别为35和15。（2）对光照的要求番茄是喜光性作物，在一定范围内，光照越强，光合作用越旺盛。番茄不同生育期对光照的要求不同。发芽期不需要光照，有光反而抑制种子发芽，降低种子的发芽率，延长种子发芽时间。幼苗期既是营养生长期，又是花芽分化和发育期，光照应保持在20000LX52000LX之间，光照不足，光合作用降低，植株营养生长不良，将使花芽分化延迟，着花节位上升，花数减少，花的素质下降，子房变小，心室数减少，影响果实发育。开花期光照不足，容易落花落果。结果期在强光下坐果多，单果大，产量高。反之在弱光下坐果率太原工业学院毕业设计7降低，单果重下降，产量低，还容易产生空洞果和筋腐果。所以可得结论番茄最适生长光照度为20000LX52000LX。上、下限值分别为55000LX和2000LX。（3）对湿度的要求番茄地上部茎叶繁茂，蒸腾作用比较强烈，但番茄根系比较发达，吸水力较强，对水分的要求属于半耐旱蔬菜。不同生长时期对水分需求不同。番茄第一花序开花结实期，为使开花整齐，不落花，确保前期的产量，要控制植株的营养生长，调节好秧与果之间的关系。一方面要降低棚温，白天棚温保持在2025，夜间1315较为适宜。此时空气相对湿度控制在4555，盛果期大棚内空气湿度保持在4555最适宜，棚内湿度过大，易发生各种病害，尤其在每次浇水后或阴雨天，必须加大通风量，以降低棚内湿度。当外界夜温不低于15时，可昼夜通风，棚温过高还会使番茄红素氧化分解，影响果实着色。可见，对番茄而已，最适宜湿度为4555之间。上、下限值分别为3265。222本系统功能简介本系统的设计是以符合番茄的生长习性为原则，针对小型蔬菜大棚而设计的，大棚规格为667，每个大棚内放置5个本设计成品，根据番茄的生长需要，每个成品都要能实现以下功能（1）能在番茄最适生长环境范围内工作。（2）实现蔬菜大棚内温湿度、光照度的采集。（3）实现采集到的温湿度、光照的进行显示。（4）实现报警功能。（4）实现对报警上下限值的设置功能。23温湿度传感器的选择231温湿度传感器介绍温湿度传感器就是能够感知和测量环境中某点温度和湿度的一种敏感元器件，它将环境中的温度、湿度或者与其相关的参量的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得被监测点在环境中的温度、湿度信息从而可以进行太原工业学院毕业设计8检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、监控、报警系统。231温湿度传感器分类根据输出信号的模式，温湿度传感器可以分为以下三类（1）模拟输出型温湿度传感器该类型传感器是输出模拟信号的传感器，他们的输出信号是微弱的电信号，在一些温湿度范围内线性不好，需要进行各种补偿，还有热惯性大，响应时间慢。例如模拟型温湿度传感器HTG3515CH以及JWSL3系列温湿度传感器。该类传感器适用于通讯机房、办公室、仓库、医院、档案馆良好环境的温湿度测量。（2）逻辑输出型温湿度传感器逻辑输出型温湿度传感器判断温度、湿度是否超出了一个设定范围，一旦温湿度超出所规定的范围，则发出报警信号。LM56、MAX6501MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。该类传感器主要应用在并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，的测很难场合。（3）数字输出型温湿度传感器数字输出型温湿度传感器输出的信号直接就是数字信号，他的特点是无需/转换，坑干扰能力强，无需外部放大电路，外围电路简单。例如DHT11、HTG383X系列、SHTII等，该类温湿度传感器应用范围较广，车行业、楼宇控制、暖通空调、电力机房、农业、工业、医药业等领域。根据本系统设计综合考虑，本课题采用数字输出型温湿度传感器DHT11采集温湿度。224数字型温湿度传感器DHT11简介1）产品概述DHT11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。太原工业学院毕业设计9图31BHTII实物图（2）产品亮点成本低、长期稳定、相对湿度和温度测量、品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、超长的信号传输距离、数字信号输出、精确校准。（3）外形尺寸（单位MM）图32BHT11外形尺寸（4）产品特性湿度测量范围2090RH湿度测量精度5RH温度测量范围050温度测量精度2工作电压DC5V/33V数字信号输出数据端口带上拉电阻带3MM固定螺丝孔，方便安装24光照传感器选择241光照传感器介绍光照传感器就是能够感知和测量环境中某点光照强度的一种敏感元器件，它将环境中的光照或者与其相关的参量的信息转换成电信号，根据这些电信号太原工业学院毕业设计10的强弱便可获得被监测点在环境中的光照度信息从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、监控、报警系统。242光照传感器分类从硬件方面分类光照传感器分为光敏电阻和集成光照传感器两种。（1）光敏电阻光敏电阻就是在遇到光照时电阻变化，通常是遇光时电阻变小，当有光照时，由于电阻的改变会使输出端电压/电流也发生改变，从而可以输出信号去控制电路。例如5MM光敏电阻CDS光电开关5516、5528、5537、5539、5549等，该类原件一般应用在光控音乐、光控灯、电子玩具、光控开关。（2）集成光照传感器集成光照传感器可以根据光线强度来调整亮度，分辨率较高，测量范围大。该类传感器在使用中无需设计复杂的外部电路，使用方便。例如BH1750FVI数字输出型光照传感器、AJL4PO188SMD可见光照度传感器。该类传感器广泛应用在工业、农业、办公等领域。243光照传感器BH1750FVI简介（1）产品介绍BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。图34BH1750FVI实物图（2）产品特点太原工业学院毕业设计111支持ICBUS接口F/SMODESUPPORT。2接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性峰值灵敏度波长典型值560NM。3输出对应亮度的数字值。4对应广泛的输入光范围相当于165535LX。5通过降低功率功能，实现低电流化。6通过50HZ/60HZ除光噪音功能实现稳定的测定7支持18V逻辑输入接口。8无需其他外部件。9光源依赖性弱（白炽灯，荧光灯，卤素灯，白光LED，日光灯）。10有两种可选的IICSLAVE地址。11可调的测量结果影响较大的因素为光入口大小。12使用这种功能能计算11LX到100000LX马克斯/分钟的范围。13最小误差变动在20。14受红外线影响很小。（3）最大额定参数表二31BH1750FVI额定参数参数符号额定值单位电源电压VMAX45V运行温度TOPR405储存温度TSTG40100反向电流IMAX7MA功率损耗PD260MW（4）BH1750FVI框图图35BH1750FVI框图太原工业学院毕业设计12（5）框图描述PD接近人眼反应的光敏二极管。（PHOTODIODEWITHAPPROXIMATELYHUMANEYERESPONSE）AMP集成运算放大器将PD电流转换为PD电压。ADC模数转换获取16位数字数据。OSC内部振荡器（时钟频率典型值320KHZ）。该时钟为内部逻辑时钟。（6）测量程序步骤BH1750FVI的测量程序步骤如下图所示通过IIC写指令自动状态转换图36BH1750FVI测量程序步骤提供电源断电通电测量指令一次测量连续测量自动变为电源断电模式状态VCC和DVI供应后初始状态是电源断电模式太原工业学院毕业设计1325单片机的选择251单片机简介INTER公司研制成功世界上第一块4位微处理芯片INTEL4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。80年代初，INTEL公司推出了MCS51系列8位高档单片机。MCS51系列单片机不仅提高了单片机内RAM容量，I/O口功能，而且系统扩展方面都有了极大的提高。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTELI960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHZ，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的WINDOWS和LINUX操作系统。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。太原工业学院毕业设计14单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑太原工业学院毕业设计15的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。单片机的硬件特性1、单片机集成度高；2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高，可长时间无故障工作4、处理功能强，速度快。252单片机的选择单片机的种类有很多，针对本课题，初步提出了三套方案，具体如下方案一采用以AVR系列为核心的微控制器完成对数据的采集，由于采用AVR单片机受单片机指令运行速度的影响，影响到数据采集精度，而且不具有低功耗状态。方案二以高速数字信号处理器（DSP）TMS320F240为中央处理单元，配以极少的外围电路构成检测器的核心控制部件。本方案的优点是（1）速度快，执行速度达到20MIPS，这么高的性能很适合实时的数据采集。（2）硬件结构简单，具有防腐的可编程多路复用I/O引脚，可以实现对传感器、打印接口的变成功能。（3）软件编程很灵活，可采用C语言与汇编语言混合编程。但由于其价格昂贵，虽然功能强大，用在此处是大材小用。方案三选用单片机STC89C52，本方案具有上述方案所无法取代的优点1）集成度高、体积小、可靠性好而且易于扩展。2）具有较强的中断处理能力。3）效率高、功能强、丰富的指令系统、4）低功耗模式、低电压。太原工业学院毕业设计165串口编程6）4个8位I/O口，含3个高电流P1口，可直接驱动LED基于低功耗、功能稳定、经济实惠的设计要求，本设计中选用单片机。26显示模块的选择针对本系统的设计，初步拟定两套方案，具体方案如下方案一采用LED数码管显示LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，七彩效果。LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字。图22四位LED数码管半导体数码光分共阳极数码管和共阴极数码管。LED数码管（LEDSEGMENTDISPLAYS）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已，颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，而且根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。方案二采用LCD1602显示器显示1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条太原工业学院毕业设计17线是背光电源线。如图23所示）图23LCD1602LCD显示器都是数字式的，恒定发光，不需要刷新新亮点，显示器显示质量高且不闪烁，抗干扰能力强，和单片机系统的接口比较可靠，可以节省软件中断资源，显示信息丰富，其缺点是显示内容需要存储字摸信息，需要一定存储空间，而且程序的编写也稍微复杂。虽然LED数码管能在低电压、小电流条件下驱动发光，高频特性好，单色性好，亮度高等特点，而且其程序的编写较容易，但是其显示信息有限，只能显示数字信息，若采用LED数码管显示则需要两片四位的LED数码管，从而需要更多的I/O口来进行控制。综合考虑方案一和方案二，本设计决定采用方案二。27总结本章内容主要包括系统的设计思路，功能分析以及硬件的选型，通过查阅资料及比较，对系统设计所需的硬件进行了选则，所选择的器件型号均符合设计要求，可以实现系统设计要求的功能。太原工业学院毕业设计183系统的硬件设计31总体设计方案本系统是基于单片机与传感器的蔬菜大棚数据采集系统的设计，通过传感器对蔬菜大棚内的环境进行实时检测，检测到的数据传入单片机中，通过单片机对采集到的数据进行处理，处理过的数据通过单片机接口送达显示模块，在显示模块上显示出当前蔬菜大棚内的实时数据值，当采集到的数据中一个或者多个数据超出系统设定的报警值时，系统会进行报警，蜂鸣器响，同时要能通过按键调整包括温度、湿度、光照度的上限值。系统硬件设计的原理框图如图21所示图31系统总体方框图32温湿度采集电路321DHT11串行通信说明（单线双向）（1）单总线说明DHT11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、控制均由单总线完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三显示及报警温湿度传感器光照度传感器按键，调整报警上下限值MCU太原工业学院毕业设计19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51K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，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机。（2）单总线传送数据位定义DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。数据格式8BIT湿度整数数据8BIT湿度小数数据8BIT温度整数数据8BIT温度小数数据8BIT校验位。（3）校验位数据定义“8BIT湿度整数数据8BIT湿度小数数据8BIT温度整数数据8BIT温度小数数据”8BIT校验位等于所得结果的末8位。322DHT11电路根据DHTII通信协议及单片机的接口选择，设计出温湿度传感器DHT11连接电路如下图32DHT11与单片机的典型连接电路微处理器与DHT11的连接典型应用电路如上图所示，DATA上拉后与微处理器的I/O端口相连。5KMCUSTC89C52DHT11VCCVCCGND1PIO4PIO2PIO太原工业学院毕业设计20此连接电路需注意事项1典型应用电路中建议连接线长度短于20米时用51K上拉电阻，大于20米时根据实际情况降低上拉电阻的阻值。2使用35V电压供电时连接线长度不得大于20CM。否则线路压降会导致传感器供电不足，造成测量偏差。33光照度电路331BHL750的通讯协议及过程BHL750与主控器之间的通讯使用标准的IIC通讯协议1IC总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备IIC总线在有三种类型信号，它们分别是开始信号、结束信号和应答信号。主控器通过IIC接口向BHL750发送各种控制命令以及读取测量数据。1主控器向BHL750发送控制命令步骤主控器产生通讯启动信号；主控器发送8BIT的地址数据其中地址的最后一位应为O，表示写命令；主控器读取BHL750的应答信号；主控器发送8BIT的命令数据；主控器读取应答；主控器产生停止信号。2主控器从BHL750读取数据步骤主控器产生通讯启动信号；主控器发送8BIT的地址数据其中地址的最后一位应为L，表示读命令；主控器读取应答；主控器读取高8位数据；主控器产生应答信号；主控器读取低8位数据；主控器产生应答信号；主控器产生停止信号。332BH1750FVI电路根据对BH1750FVI协议及与单片机连接的相关知识设计电路如下图33BH1750FVI与单片机连接图MCUSTC889C52BH1750FVIGNDADDSDASCLVCCGNDVCC太原工业学院毕业设计21微处理器与BH1750FVI的连接典型应用电路如上图所示，SDA、SCL上拉后与微处理器的I/O端口相连。1典型应用电路中建议连接线长度短于20米时用51K上拉电阻，大于20米时根据实际情况降低上拉电阻的阻值。2每次读出的温湿度数值是上一次测量的结果，BH1750FVI灵敏度非常高，并且精度也很高，所以可以认为显示的数据就是实数据34复位电路本系统采用上电按键复位，是上电复位和按键电平复位的组合，无论是上电还是按动按键都能使单片机复位。如图33所示图34复位电路在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。按键按下的时候为什么会复位在单片机启动01S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在01S内，从5V释放到变为了15V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为35V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。太原工业学院毕业设计2234时钟电路根据选择的硬件以及电路的需要，本系统时钟电路如下图34所示35时钟电路时钟电路介绍时钟引脚为XTAL1、XTAL2，时钟引脚外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号，时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。本系统采用晶振钟电路。外部晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。外接晶振时，C1和C2通常选择30PF，晶振12MHZ。35显示电路本数据采集系统，采集到的数据必须能够显示出来，人们才能直观的了解实时的数据，所以显示电路是必不可少的，根据所原则的器件，查阅了相关资料，了解了器件的就显规则与注意事项，设计出本系统的显示电路原理图。如下图所示太原工业学院毕业设计23图36LCD1602显示电路如上图所示，本系统选用的显示模块为LCD1602，1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线，本系统采用的是16引脚的LCD，其中D1D7借口接单片机的P0口（P00P07），RS接P26，RW接P25，VEE接10K滑动变阻器，调节屏幕的对比度。36报警电路本系统要实现报警功能，所以设计了报警电路，电路图如下图34蜂鸣器报警电路如上图所示，报警电路由蜂鸣器，三极管，电阻组成，蜂鸣器正极接电源，负极经三极管接单片机的IO口，这样在实际应用过程中，系统通过判断采集到的数据是否超限判断是否报警。太原工业学院毕业设计2437按键设置电路本系统要实现报警上下限值的设置，就需要设计设置电路，本着简单实用的原则设计按键电路如下图35按键设置电路如上图