基于智能温室温湿度控制的计算机系统的设计与实现周传兴52140724106讲解

1、（2014-2015 学年 春季 学期 ） 重庆理工大学研究生课程论文 课程论文题目： 基于智能温室温湿度控制的 计算机系统的设计与实现 课 程 名 称计算机信息接口及技术 课 程 类 别学位课 非学位课 任 课 教 师赵明富 所 在 学 院电子信息与自动化学院 学 科 专 业通信与信息系统 姓名 周传兴 学号52140724106 提 交 日 期2015年 6月 7日 注意事项： 1、以上各项由研究生认真填写； 2、研究生课程论文应符合一般学术规范，具有一定学术价值，严禁网上下载 或抄袭；凡检查或抽查不合格者，一律取消该门课程成绩和学分，并按有关规 量客观、公正的在文后签写批阅意见； - 1

2、 - 4、原则上要求所有课程论文均须用 A4 纸打印，加装本封面封底，左侧装订； 5、课程论文由各学院（部）统一保存，以备查用 基于智能温室温湿度控制的计算机系统的设计与实现 一、绪论 在农业生产中， 越来越多的使用了温室大棚， 它为人们创造了了更高的 经济效益。 在温室大棚中， 对于温湿度的控制尤其重要。 而一般传统的温湿 度控制方法基本是人工的， 人工的效率低， 而且费时费力。 本文旨在论述一 种温室大棚温湿度控制的计算机系统的设计与实现， 主要是进行温湿度控制 系统的整体研究与设计。利用数字温湿度传感器 DHT11 测量大棚内的温湿 度。通过采集温度及湿度值， 准确的判断标准值与当前值之

3、间的差异， 及时 的启动报警装置 （包括警报灯的提示功能以及提示音等） 进行报警， 并采取 相应的方案。利用 LCD 对温湿度进行实时显示。利用 NRF24L01 无线模块 实现数据的远距离传输。 1.1 立题的目的及意义 AT89S52 单片机是常用于控制的芯片， 在智能仪器仪表、 工业检测控制、 机 电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实例也很 多。使用 AT89S52 单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且 AT89S52单片 机易于学习、掌握，性价比高。 使用 AT89S52 单片机设计温湿度控制系统，可以及时、精确的反映室内的 温度以及湿度的变化。 完成诸如

4、升温到特定温度、 降温到特定温度、 在温度上下 限范围内保持恒温等多种控制方式， 在湿度控制方面也是如此。 将此系统应用到 温室当中无疑为植被的生长提供了更加适宜的环境。 1.2 国内外的研究现状及发展趋势 美国是将计算机应用于大棚和管理最早， 最多的国家之一。 美国开发的大棚 计算机控制与管理系统可以根据作物的特点和生长所需要的条件， 对大棚内的光 照，温度，湿度等诸多因素进行自动控制。 这种自动控制系统需要种植者输入温 室作物生长所需的环境的目标参数， 计算机根据传感器的实际测量值与事先设定 的目标进行比较， 以决定大棚温湿度的控制过程， 按照相应的机构进行加热， 降 温或者是浇水， 通风

5、等。 目前，我国绝大部分自主开发的大棚温湿度控制或者进 口的国外设备都属于这种系统。 虽然这种自动控制系统实现了自动化， 适合规模化生产，提高了劳动生产率， 通过改变大棚温湿度的设定目标， 可以自动的对大棚内温湿度进行调节， 但是这 种调节对作物的生长来说还是相对滞后的， 难以介入作物生长的内在规律。 所以 在这种自动控制系统和实践的基础上， 温湿度自动控制向着适合不同作物生长的 智能化控制发展。 目前国内外的温湿度检测使用的温湿度检测元件种类繁多、 应用范围也较广 泛加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高， 出现了高性能、 高可靠性的单 片机数据采集系统。 基于单机片的温湿度监测控制系统的

6、设计研究较少。 随着经 济和社会的不断发展， 人们对自己的生活环境要求越来越高。 特别在温室大棚中， 对温湿度要求更为严格。 基于智能温室温湿度的计算机系统的设计与实现， 将对 环境的温湿度监测系统做详细的设计与实现。 二、相关的技术介绍 1. 进行温湿度控制系统的整体研究与设计。 2. 利用数字温湿度传感器 DHT11 测量大棚内的温湿度。 3. 通过采集温度及湿度值， 准确的判断标准值与当前值之间的差异， 及时的启动 报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等） 进行报警，并采取相应的方案。 4. 利用 LCD 对温湿度进行实时显示。 5. 利用 NRF24L01无线模块实现数据的远距离传

7、输。 三、系统总体设计 3.1 系统的组成 以单片机为控制核心，采用温湿度测量技术，通信技术，控制技术等技术， 以温湿度传感器作为测量元件， 构成智能温湿度测量控制系统。 可分为温湿度测 量电路，显示电路，报警电路，无线模块。如下为系统的组成图。 DHT11 数字温湿度传 感器 1602 LCD 液晶 图 3.1 系统组成图 3.2 系统工作原理 本系统以单片机 AT89S52 为核心，数据采集、传输、显示、报警都要通过 单片机。数据采集通过单总线的智能数字温湿度传感器 DHT11 完成；通过单片 机把采集的数据显示在 1602LCD 上；当采集的数据超出给定范围时，有蜂鸣器 实时报警，并将数

8、据通过 NRF2401 无线传输给另一个单片机上显示。单片机采 用 C 语言编程。 图 3.2 流程框图 四、系统硬件设计 4.1 单片机系统设计 经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计， 硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据，根据总体功能和性价比及 其运行速度等因素的考虑，选用 AT89S52单片机。 其内部主要由 CPU、RAM、 ROM、通用 I/O 及总线构成，内部结构如图 4.1 所 示： 8051 程序存储器 数据存储器 定时计数器 数据 总线 地址 总线 控制 时钟 总线 并行 I/O 口 串行通信口 中断系统 图 4.1 AT89S52 内部结构

9、图 4.2 温湿度传感器设计 DHT11 数字温湿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 和卓越的长期稳定性。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。 因此该产品具有品质卓越， 超快响应，抗干 扰能力强，性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度较验室 进行校准。校准系数以程序的形式存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的 处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。 超小的体积、 极地的功耗，使其成为各类应

10、用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选 择。产品为 4 针单排引脚封装，连接方便。 4.3 无线模块设计 nRF24.L01 是一款新型单片射频收发器件，工作于 2.4GHz-2.5GHzISM 频段。内 置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 nRF24.L01 功 耗低，在以 -6dBm 的功率发射时，工作电流也只有 9mA ；接收时，工作电流只 有 12.3mA ，多种低功耗工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。 4.4 液晶显示装置设计 1602液晶也叫 1602字符型液晶 它是一

11、种专门用来显示字母、数字、符号等 的点阵型液晶模块，它有若干个 5x7或者 5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符 位都可以显示一个字符。 每位之间有一个点距的间隔， 每行之间也有间隔， 起到 了字符间距和行间距的作用， 正因为如此，他不能显示图形（用自定义 CGRAM ， 显示效果也不好） 1602LCD是指显示的内容为 16x2, 即可以显示两行，每行 16个 字符液晶模块 （显示字符和数字） 目前市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的， 因此基于 HD44780写的控制程序可以很方 便地应用于市面上大部分的字符型液晶。 4.5 报警系统设计 本系统

12、采用红 LED 灯作为光报警提示，当系统检测到的数据不符合给定的 要求时，现场为红灯报警提示； 本系统采用蜂鸣器作为声报警提示， 当系统检测 到的数据不符合给定的要求时，现场蜂鸣器报警提示。如图 4.5 ： 图 4.5 报警系统电路图 五、系统软件设计 本系统软件系统设计包括：系统初始化模块，数据采集模块，无线模 块的温湿度模块， 1602LCD 显示模块，报警模块。系统软件设计总体流程 图如图 5.1： 开始 范围 判断 光声 报警 NO YES 终止 无线信号 发送 图 5.1 系统流程图 5.1 系统初始化模块 系统初始化模块的主要功能是完成系统的初始化以及设定系统的工作状态， 初始化部

13、分包括以下方面的内容： 1. 单片机初始化以及各种引脚定义 2.1602 液晶初始化及工作方式 3.系统进入正常工作状态 5.2 数据采集模块 温湿度检测模块是本系统中的核心模块之一， 它负责完成温度和湿度的测量 及模拟量转换为数字量的全过程， 这也是它为什么重要的原因。 数字式温湿度传 感器 DHT11 直接把检测到的模拟量转化为数字量送给单片机，在经过单片机的 处理，把温湿度值显示在 1602 液晶上。温湿度传感器的精确度值直接影响到整 个系统的检测与控制，所以本系统采用数字式温湿度传感器 DHT11 采集温室内 的温湿度。 温湿度判断控制模块也是系统的核心模块之一， 所谓判断控制模块，

14、就是对 当前温湿内的实际温湿度与给定的温湿度范围进行比较， 先进行判断， 然后再进 行控制，控制模块是决定系统将要进行什么工作的， 如温度和湿度高于上限时或 低于下线时需要进行启动警报， 并且将温湿度结果以无线进行通信等。 温湿度传 感器程序流程图如图 5.2 所示： N 5.3 无线模块 首先进行初始化操作， 初始化包括设置单片机 I/O 和 SPI 相关寄存器两部分 其可以和 nRF24L01通信。通过 SPI总线配置射频芯片使其进入正确的工作模式。 发射数据时， 首先将 nRF24L01 配置为发射模式 26。接着把发送端待发射数据的 目标地址 TX-ADDR 和数据 TX-PLD 写入

15、 nRF24L01 缓冲区，延时后发射。 其流程图如图 5.3 所示： 否 图 5.3 无线发射软件流程图 无线接收模块部分 接收数据时，首先将 nRF24L01 配置为接收模式。接着延迟进入接收状态等 待数据的到来。当接收方检测到有效地址和 CRC 时，就将数据包储存在接收堆 栈中，同时状态寄存器中的中断标志位 RX-DR 置高，产生中断使 IRQ 引脚变为 低电平，以便通知 MCU去取数据，其流程图如图 4.4 所示： 否 图 5.3 无线接收软件流程图 - 10 - 5.4 显示模块 图 5.4 显示流程图 5.5 报警模块 报警模块具备两项功能，即为报警灯和声音报警。报警灯模块是完成

16、LED - 11 - 有规律的转换，以便从视觉上提醒用户。 LED 是由单片机控制 LED 灯组成的， 其转换规律为： 1.系统温湿度值在给定的范围时， LED 不亮。 2.系统温湿度值超出给定的范围时，红色 LED 亮。 在 LED 灯转换的同时，声音报警也会同时启动，可采用延时的方式来延长 声音报警的声音。 警报灯由 1 个LED 灯组成，一共需要 1根数据线，使用单片机 AT89S52控 制。要实现的功能是使 LED 灯有规律亮与熄灭，当系统上电后，系统进行实时 的采样，并判断出当前温湿度与给定温湿度之间的差异， 如果当前温湿度低于用 户给定的下限温湿度值， 则说明当前温湿度过低， 系统

17、自动启动红色警报灯， 直 至温湿度值升到适合范围时警报灯熄灭。 反之，如果当前温湿度高于用户设定的 上限温湿度值， 则说明当前温湿度过高， 系统也会自动启动警报灯， 直至温湿度 值降到适当范围时警报灯熄灭。 六、抗干扰措施 硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本。如果硬件措施得当， 可将绝大部分干扰拒之系统之外，但仍会有少数干扰进入单片机系统，故软件 的抗干扰措施也必不可少。软件的抗干扰措施是以 CPU 为代价的， 如果没有 硬件消除绝大多数干扰 ,，CPU 将疲于奔命，严重影响系统的工作效率和实时性。 因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的 。 对于硬件而言，采用的抗干扰

18、技术是输入通道的抗干扰 单片机与输入 , 输 出通道进行信息传送时，信号可能会出现延时、衰减、畸变，另外还有通道干 扰。为了保证长线传输的可靠性，可以采用光电耦合，双绞线传输、阻抗匹配 等方法。其中光电耦合能有效 地抑制尖峰脉冲和各种噪声干扰，具有很强的抗 干扰能力；双绞线传输对电磁干扰有一定的抑制作用；长线传输时，阻抗不匹 配会产生反射，使信号失真，所以，长线传输时要尽可能地做到阻抗匹配。在 整个系统中，因为要对整个温室里面的温湿度进行检测，所以再采集信号的时 - 12 - 候，尽可能的考虑到信号的可靠性与准确性。 硬件抗干扰措施不可能完全解决抗干扰问题， 还需结合软件的抗干扰技术。 软件系

19、统的可靠性设计能最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机 及时发现因干扰导致程序出现的错误，使系统尽快恢复到正常工作状态或及时 报到抑制外来干扰的作用。 本次采用的软件抗干扰是开机自检 开机后首先对单 片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行报警或其它形 式的出错提示，等待相应的处理。开机自检程序通常包括对ROM、 RAM、I/O 口 状态等的检测。 检查 RAM读写是否正常，实际操作是向 RAM单元写“ 00H”，读 出也应为“ 00H”；再向其写“ FFH”，读出也应为“ FFH”。如果 RAM单元读出与 写入数据不一致，说明 RAM存储器出错。 对 ROM单元的检测

20、主要是检查 ROM单元内容的校验和。所谓 ROM的校验和 是将 ROM的内容逐一相加后得到一个数值， 该值称校验和。 ROM单元存储的是程 序、常数和表格。一旦程序编写完成， ROM中的内容就确定了，其校验和也就是 唯一的。若 ROM校验和出错，说明 ROM已出错，需等待处理。 I/O 口状态和其它接口电路检查， 需首先确定它们在待机时应处的状态， 然 后检测单片机的 I/O 口在待机状态下的状态是否正常（如是否有短路或开路等 现象）。对扩展的 EPROM,A/D转换电路等，均应通过软件进行检测，确定是否有 故障。只有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错。 - 13 - 结论 本系

21、统主要根据目前温室大棚技术的发展趋势和国内实际的应用特点和要 求，采用了自动化的结构形式， 实现对空气温湿度的自动检测和控制。 系统以单 片机 AT89S52 为核心部件，单片机系统完成对温湿度信号的采集、处理、显示 等功能。整个系统的适用性强， 用户只需对参数进行设置并启动系统正常运行便 可实现对温室温湿度的实时监控。 整个系统实现无线信号传输。 方便随时随地掌 握温室内作物的温湿度情况， 对作物的生产环境进行适时、 适当的控制， 不仅有 利于作物的生长发育，而且避免了了资源的浪费，起到了提高作物产量的作用。 - 14 - 参考文献 1 高职富 . 温室环境控制技术的现状及发展前景 J. 中

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