基于单片机的植物培养监控系统设计

摘要随着人口在增长以及快速的城镇化建设，耕地资源成为了影响我国经济发展以及粮食安全的重要因素，因此大棚种植或室内种植成为了现代农业的重要一环，而为了更有效的管控与促进农作物的生长，在大棚种植和室内种植技术中都需要对所栽培的各种绿植进行实时监测，因此一款多功能的植物培养监控系统成为了现代农业的追求。基于此背景，本文介绍了一款新型植物培养监控系统的设计，该系统采用STC89C52微处理器芯片作为核心主控，并集合了液晶显示模块、温湿度感应器模块、光敏电阻感应器模块、控制电路模块等功能模块而进行设计。该系统可对绿植正常生长所需的环境条件进行实时监测与显示，同时系统可基于所获取的参数信息适时对绿植周围的环境参数进行调控，例如对湿度、温度、光照等参数实时监测与调控，此外，基于蓝牙通信技术，用户可根据手机对系统进控制进而调控绿植周围的环境参数，最终人为的为绿植的生长创造了最佳的外部环境条件。相较于市面常见的相关植物生长智能监控系统，该系统具有体积小、结构简单、性价比高、节能环保等特点，其在现代农业技术的将具有一定的积极作用。关键词：单片机控制；温湿度传感器控制；LCD液晶显示器；蓝牙AbstractWithpopulationgrowthandrapidurbanization,arablelandresourceshavebecomeanimportantfactoraffectingmycountry'seconomicdevelopmentandfoodsecurity.Therefore,greenhouseorindoorplantinghasbecomeanimportantpartofmodernagriculture,andinordertocontrolandpromotemoreeffectivelyThegrowthofcropsrequiresreal-timemonitoringofvariousgreenplantscultivatedingreenhouseplantingandindoorplantingtechnology,soamulti-functionalplantcultivationmonitoringsystemhasbecomethepursuitofmodernagriculture.Basedonthisbackground,thispaperintroducesthedesignofanewtypeofplantcultivationmonitoringsystem.ThesystemusesSTC89C52microprocessorchipasthecoremaincontrol,andintegratesliquidcrystaldisplaymodule,temperatureandhumiditysensormodule,photoresistorsensormodule,controlFunctionalmodulessuchascircuitmodulesaredesigned.Thesystemcanmonitoranddisplaytheenvironmentalconditionsrequiredforthenormalgrowthofgreenplantsinrealtime.Atthesametime,thesystemcantimelyadjusttheenvironmentalparametersaroundthegreenplantsbasedontheobtainedparameterinformation,suchasreal-timemonitoringofparameterssuchashumidity,temperature,andlight.Inaddition,basedonBluetoothcommunicationtechnology,userscancontrolthesystemaccordingtothemobilephonetoadjusttheenvironmentalparametersaroundthegreenplants,andfinallyartificiallycreatethebestexternalenvironmentalconditionsforthegrowthofgreenplants.Comparedwiththecommonrelatedplantgrowthintelligentmonitoringsystemsinthemarket,thesystemhasthecharacteristicsofsmallsize,simplestructure,highcostperformance,energysavingandenvironmentalprotection,etc.,whichwillplayacertainpositiveroleinmodernagriculturaltechnology.Keywords:Singlechipmicrocomputercontrol；Temperatureandhumiditysensorcontrol；LCDliquidcrystaldisplay；Bluetooth目录1绪论 11.1研究背景 11.2植物培养监控系统的发展态势 11.3本论文的主要内容 12系统整体框架 22.1系统设计要求 22.2系统设计思路 22.3模块方案选择 32.3.1主控芯片的选择方案 32.3.2光强检测选择方案 62.3.3温湿度传感器选择方案 72.3.4显示器的选择方案 83硬件设计 103.1电源电路设计 103.1.1开关电源的工作特点 103.1.2系统电源电路 103.2单片机最小系统电路设计 103.2.1单片机简介 103.2.2时钟电路 113.2.3复位电路 113.3蓝牙模块电路设计 123.4传感器电路设计 133.4.1温湿度检测电路 133.4.2光照强度检测电路 143.5显示电路设计 153.6继电器的驱动电路 164程序设计 164.1整体程序设计框架 174.21602液晶子程序设计 184.3温湿度传感器子程序设计 184.4控制电路程序设计 195系统整体调试 215.1调试方案 215.2硬件调试 215.2.1系统上电初始化测试 215.2.2独立元器件检测 215.2.3单片机最小系统调试 225.2.4显示模块的调试 225.2.5控制电路的调试 225.3软件调试 255.3.1蓝牙系统调试 255.3.2单片机程序调试 265.4整机调试 276结论 291绪论1.1研究背景近年来，植物的培养在越来越多的家庭中出现，人们越来越喜欢在自己的庭院中种植一些植物，随着人们的需求越来越高，也伴随着越来越多的问题出现。植物的监控和培养需要耗费很多时间和极大的人力物力，因此急需设计一款智能化的植物培养监控系统。因此，研究符合市场需求的基于单片机植物培养监控系统对提高人们的生活质量具有一定积极的意义。1.2植物培养监控系统的发展态势当前国内研究植物培养监控系统已经取得一定的成果，但是大部分研究都是应用于园林建设中。在当前国内温室大棚植物的培养环境中,因为大棚植物适宜的营养生存培养环境中对空间温度、湿度要求和相对光照的强度也都较有一些要求,温度的过高或温度过低一般都会大大影响温室植物正常的生长,光照度不足就会极大影响到植物自身的光合作用，因此急需一种智能化系统。但现有产品都存在价格高，体积庞大，结构复杂等缺点，并不适合家庭种植使用，未来肯定会向着体积小、结构简单、使用方便等方面进行发展。因此，设计一款价格实惠、操作方便、简单的植物培养监测系统，可以为人们提供更多的选择。1.3本论文的主要内容本设计试图研究一款植物培养监控系统，其主要内容具体如下：本论文第一章介绍了设计的研究背景、发展前景等问题，明白人们对该设计的需求。第二章主要介绍了系统的框架、方案的选用等，初步了解该设计的总体思路，使接下来的设计更加方顺利方便。第三章开始介绍系统的硬件部分，及选用的方案如何使用，连接硬件电路。完成基本的系统雏形。第四章介绍的是系统的软件部分，该部分使用了Keil来编写程序，通过C语言实现系统的基本功能。第五章介绍的是总体软硬件的制作及调试，通过软硬件结合对系统进行调试，解决调试过程中出现的问题，直到完成最终结果。第六章写的是本次设计的总结，通过本次设计得到的收获等。2系统整体框架2.1系统设计要求设计基于单片机植物培养监控系统，实现以下功能：1、液晶实时显示温度和湿度值（温度范围0-50度，湿度范围10%-95%）。2、将温湿度通过手机蓝牙模块实时上传到手机蓝牙APP。并可以通过手机蓝牙APP设置温度和湿度的上限和下限。3、温度低于下限：加热继电器闭合，风扇不启动。温度高于上限：风扇启动，加热继电器断开。温度在上下限之间风扇关闭，加热继电器断开。4、湿度低于下限：加湿继电器闭合，除湿继电器断开。湿度高于下限：加湿继电器断开，除湿继电器闭合。湿度在上下限之间，加湿继电器和除湿继电器均断开。5、如果光照不足，则高亮LED灯亮，否则高亮LED灯灭。并且可以通过光照传感器上的电位器调节光照阈值。2.2系统设计思路通过查阅文献以及技术资料，确定了本系统的设计思路如下：首先，温度参数和空气湿度指数的快速精确实时检测系统设计分析和控制研究仍是值得本次设计继续研究及探讨开发的重要技术内容。当实际工作时环境介质中介质表面的实际环境温湿度参数会发生电阻异常的变化现象的场合时,DHT11温湿度传感器是首先将随着测量现场实际温度、湿度指标变化的相应的变化的电阻值而信号自动地变化,然后再分别的将信号自动地变化后对应的被测量现场电阻参数分别通过电压转换输入电路模拟和数转换将模拟信号通过自动电压检测装置输出转化为具有相对的应变化值信号的输入模拟和电压,然后又分别地把这些输入模拟和电压信号输出再依次由电路A/D转换器分别把转换后输出转化为相应的数字信号的输出值并被分别转送入温湿度控制器或到温湿度单片机系统中。单片机可以通过电路对温度传感器采集或接收采集到温度的湿度信号输入后进行温度滤波,查对温湿度表后可以准确得到温度传感器实际测量所需要测量所得的温度值的湿度值。然后通过手机蓝牙软件设定出最适宜湿度传感器的最佳测量温度区间值和最大测量空气湿度范围,传感器还将持续向最小温湿度系统设备中持续输送温度和监控空气温湿度信号,若值超过传感器预设值,则控制模块就会工作。根据自然界各种温度不同季节的植物生长发育最宽适应温度来进行温度自动调节,若环境温度低于下限温度时则需要采取紧急升温保护措施。若环境温度高于大棚上限温度时则可以采取通风降温等措施,为有效满足大棚种植不同土壤种类植物的对室内温湿度控制的基本要求,大棚可以进行随时进行对室外温、湿度条件进行实时调节,对于某些不利环境情况都能够做到及时正确的加以发现,并随时可以做到及时地采取了相应针对性的调节措施而进行相应调整。系统设计简图如图2.1所示。图2.1系统构架图2.3模块方案选择2.3.1主控芯片的选择方案方案1：本设计的中央控制器采用芯片为STC89C52芯片,而STC89C52是一种小型单片机，由北京宏晶公司生产。其主要的生产特征之一则主要是其产品应用到了高密度的单芯片技术,从而减少到了其整形机生产和设计上的生产成本,其整体生产软硬件技术配置则和MCS负五十一系列产品完全地相兼容,应用到了高密度非容易失性存储器的生产原理和工艺技术来组织生产,结合到了更多功能的8-位CPU技术和高密度闪存技术集成在了同一个芯片架构体系中,因此产品能让国内市场中广大的用户所广泛接受。其包含的程序文件都是可进行擦写修改的和重写的,这一切无疑地使得嵌入式软件开发测试工作和计算机可靠性评估测试等工作起来更容易,也同时还为其它许多的嵌入式硬件控制系统软件开发人员提供出了一种更为方便灵活实用的且是经济廉价、有效可靠的嵌入式测试工作解决方案。图2.2STC89C82内部结构图图2.3STC89C82引脚图方案2：采用MSP430单片机作为主控芯片，该芯片相对于STC89C52单片机具有超强的处理能力，能快速的处理数据，运算速度快的同时还具有超低的功耗。同时该系列单片机的片内具有较为丰富的资源，如果对速度要求不是很高的设计，使用51单片机在价格、开发资源、便捷、位处理器方面更具有优势。图2.4MSP430单片机引脚图图2.5MSP430单片机结构原理图因此选择方案1作为本次设计的主控芯片。2.3.2光强检测选择方案方案1:该套测试系统中将需要选择其中一个光敏电阻传感器模块以实现其对工作周围工作环境光照度值进行定量自动的检测,该传感器模块也就相当于可以用来直接来实现其对其周围的工作场所环境灯光信号的最大亮度范围值和其相对的光强度等进行的定量的检测。光敏电阻器是由一个主要由金属硫化物间隔物或金属硒化物间隔物等以及新型特殊半导体材料等元件制成的电路制成的一个新型的特殊结构半导体电阻器。随着电路光照强度的逐渐急剧的增加,电阻值也则将迅速而大幅地下降,亮态电阻值一般也都可随之逐渐缩小至1KΩ以下。光敏电阻器件对外界光强也变得非常特别之敏感。无光环境工作时一般可长时间处于极强高直流电阻的状态,暗阻工作时一般也均可达至大于1.5MΩ。随着世界微电子科学技术水平研究的和日益快速发展,光敏电阻器件具有的上述这些的特殊电子技术性能特点将是越来越的得到了更加广泛有效地应用。设计各种光控电路时,都会要求用由自然反射的光线来做作被控制元件的工作光源,使照明系统的设计工作程序都大为的得以进一步简化。但光敏电阻器受温度影响较大,无法在高压复杂环境下工作,并且反应具有延迟。图2.6光敏电阻传感器方案2:这次的设计中选用的光强感应传感器模块用来检测周围环境光线,可以直接检测出周围照明环境灯光的平均亮度等级和最大光势强。从应用原理设计来讲,AD7891AP-1光强传感器选择遵循了网络热点效用分析的基本原理。这种传感器应用了反映弱光性能的检测部件。该电磁感应器件原理,基本和传统相机中所用到的光磁感应器件排水矩阵元件相同一样。内部表面设计上装置着由缠绕式热电镀技术而产生的多触点热电堆,在外表上还被涂镀了具有极高的表面消化率的灰黑色涂料。热电镀触点堆位于铁磁感应表面,冷节点位于人体。在线类系统中,所输出的数据信号必须和太阳总射线的强度保持着正向相关性。经过两种方案对比,方案1电路简单,使用起来通俗易懂符合设计要求。方案2线路接口相对复杂。所以综合考虑选择方案1。2.3.3温湿度传感器选择方案本套系统中选择了DHT11数字温湿度传感器模块可对土壤温湿度传感器进行智能检测,该传感模块也可以直接实现精准计算出来的植物以及周围的环境土壤的真实温湿度。DHT11数字温湿度传感器是一款带自动校准系统和数字信号同步输出电路结构的数字便携式温湿度复合传感器。基本参数该系列便携式温度传感器产品主要由其中一个电阻式湿度检测器元件系统和与另外的一个可以用于连接温度传感器输入到一个高性能微处理器的8位微控制器模块中的一个NTC型温度传感器测量系统元件系统共同设计组成。因此,该这套便携式产品系统将具有成像精度质量要求更高、对响应的温度检测系统速度将更快超速度更快、对抗干扰能力和防护的能力将得到更高强化、对性价比要求将极更高的诸多优势。所有的DHT11传感器模块都将同时地被设置在对一个气体温度传感器极其敏感稳定,并且准确而有效的气体湿度感应器的校准室或系统模型中,并同时地完成了校准。校正的系数通常都将以一个程序文档的形式被自动保存到名为OTP的内存文件夹中,当在传感器模块的内置操作系统中处理这些检测的信息之后,通常都只须要求用户自动地调用到这种自动的校正系数。单线串行总线接口结构能使将其和系统模块集成安装起来更为快速高效且更加简便。超微小器件的尺寸精度限制设计和极限低功耗技术都使其也能同时成为实现此类较高和苛刻的环境和应用需求方案时的每一个最佳的技术组合选择。产品全部设计为4针封装和单排针式封装,连接起来十分的方便。通过传感器和单片机系统等与小型的微环境处理器系统组成的这样一个极其简单紧凑的电路间的无缝连接,可以达到实时并自动跟踪采集系统局部湿度信号值和系统局部温度。图2.7DS18B20实物图2.3.4显示器的选择方案方案说明要点1:采用大屏幕发光LCD液晶屏作为本次设计方案中的屏幕内容的显示,LCD背光系统的设计主要是工作原理上主要也是为了利用大屏幕LCD背光系统的良好光学物理特性来在通电或者照明工作时有效进行光电能量快速传导,使大屏幕发光的LCD屏幕排列整齐和有序,光线会很容易就顺利地通过;当没有充电时,排列就会因此突然地变得十分拥挤混乱,阻止住了外界光线能够顺利的通过。LCD屏幕具有规格小、造价少、使用期限长、显示器分辨率高、清晰度高等优点。但也存在耗电较高,显示颜色不纯,漏光等缺点。图2.8LCD1602原理图方案2：采用电阻式OLED屏幕用作视觉信息显示屏幕。与液晶屏相比，OLED屏比液晶屏耗电少，而且OLED屏的对比度高于液晶屏。OLED屏不存在漏光问题，但OLED屏存在烧屏、寿命短、价格高的问题。图2.9OLED屏幕实物图经过两种方案对比，选择方案1比较合适本次设计。3硬件设计通过对书本上节内容中的硬件结构原理问题的进一步分析和归纳提炼和作进一步总结论证,为了达到更好的满足植物培养自动化及监控检测自动化成套系统整体规划设计系统方案制定的技术总体要求,本套控制系统方案设计的主要内核硬件技术控制系统组成包括:控制系统模块、供电控制模块、手机蓝牙控制模块、光敏电阻传感器、温湿度传感器集成电路和中央控制器的最小控制系统集成电路等。3.1电源电路设计3.1.1开关电源的工作特点实际上，开关电源并非单指一种类型，它包括：升压式和降压式；以电路结构归类：集成芯片电路型和散件型。开关电源种类划分繁多，但其基本原理是一样的，一般都分为串型结构和并型结构这两大类型。然而，本次设计采用DC接口进行电源的连接。3.1.2系统电源电路单片机和外围电路需要工作在不同电压：+3.3V，+12V。其中，+12V采用XL1509-12芯片提供，+3.3V采用MP2359芯片提供。3.2单片机最小系统电路设计单片机的最小系统是指单片机能够用最小的元件工作的系统。单片机最低系统特性:系统资源的完全自由开放性,任意一个实验的功能要求都将能够直接使用单片机配合使用其他的模块板件或软件自行开发搭建一个用户电路板来完成。界面设计灵活易用。针对五十一系列以上的单片机,最小功率系统的设计中一般主要内容也应都只需要涉及:单片机、时钟电路和复位控制电路。3.2.1单片机简介STC89C52是一款低功耗高性能的芯片，基本参数虽然仍使用了最典型的MCS-51核心设计,但由于同时在其内部经过做了很多次的提升或完善,因之在其内部芯片中总体上来说还是拥有着目前许多传统的51单片机核心所能完全并不具有的许多独特能力。基本的技术参数STC89C52芯片可以在单或二枚芯片基础上,能够同时实现具备高智能特点的八个可编程CPU存储器模块,以及支持嵌入式系统扩展功能的可编程快闪存储器块,这也毫无疑问的使STC89C52芯片可以为我们当前的许多重要的嵌入式的工业控制系统和应用于集成系统应用的创造出,提供了这样一个具备高灵活性特点的灵活扩展的和极低功耗经济且可有效的集成的嵌入式系统集成方案对策。图3.1STC89C52芯片3.2.2时钟电路STC89C52上有个这样的一个高增益反相位放大电路,用来单独的构造了这样一种时钟自激振荡器,引脚RXD和TXD将其分别地看作是一个来自在这个时钟放大器上的每一个时钟输入两个信号源和两个信号输出。时钟振荡器也可以由直接的在计算机中内部编程生成或直接通过一个外部编程软件生成。晶体频率振荡信号频率的范围可选择为在正1.2~和正12Mhz之间可任意的选择,电容值范围则也可选择为在频率正负的5~或正30pf之间任意进行的选择。电容值范围则也可以选择自行微调晶体振荡信号频率。外部谐振模式:RXD接地,TXD连接到外部频率振荡器。对对外部的时钟振荡和脉冲信号输出则都没有附加什么别的特殊的频率要求,但通常也都只会限于所需要的脉冲宽度。一般单片机都可以采用时钟振荡输出频率低于12Mhz左右时的正方波信号。本次设计采用内部方式晶振电路。图3.2时钟电路3.2.3复位电路复位初始化是对一个MCU系统的一个初始化复位操作。其更主要的复位功能作用主要是为了将一台PC机初始化为每个0000H,并能够同时的使多台MCU设备能够同步从这每个0000H的单元设备上同时执行初始化程序。除可以通过进入系统来完成的正常的程序或初始化程序动作程序外,当启动系统前若出现因初始化程序导致的系统操作出现顺序错误或操作顺序错误而计算机暂时还处于半死锁状态时,还常可能需要重新通过操作系统按一下系统复位键后才能尝试重新启动,以实现逐步完全摆脱死机困境。复位的电路通常会由至少两个用来连接整个电路的电阻组成。系统上只要通上电,第一个管脚电阻中就会永远保持有一个至少只有一个电阻的高电平,这个高电平所保持的复位周期及其持续的复位时间则主要是由于一个仅仅由电阻的RC值所能决定的复位的电路本身的使用价值。典型的51系列的单片机会在选择在两个RST引脚值之间的某一高电平,并不断地在持续二个机器周期或二个以上机器周期时自行恢复。所以,正确地选取组合RC的值就一定能够用来确保可靠地的自动恢复。图3.3复位电路图3.3蓝牙模块电路设计本次设计采用BT06蓝牙模块与手机进行连接，将温湿度通过手机蓝牙模块实时传输到手机蓝牙APP。并可以通过手机蓝牙APP设置温度和湿度的上下限。此款蓝牙无线模块是专为实现蓝牙与无线的网络数据的传输通信功能需要而特别研发与设计。具有模块制作加工成本低、体积小、收发数据信息灵敏度的要求比较高等的多种设计特点。基本参数它一般也都只是根据应用需要而多的配备上了几个作为功能外围部分的组件。实现一个更加强的大更可靠的功能。蓝牙模块接口电路示意图如图3.4所示。图3.4蓝牙模块电路原理图蓝牙模块实物如图3.5所示。图3.5蓝牙模块实物图3.4传感器电路设计本次项目设计时需要实时监测工作环境里的室外温度、湿度情况和紫外线光照强,所以项目需要同步设计室外温湿度传感器采集控制电路模块和紫外光强度检测系统电路。3.4.1温湿度检测电路本设计采用DHT11温湿度传感器检测植物周围环境的温湿度。其电路图如图3.6所示。图3.6温度传感器DHT11数字湿式温度传感器是采用的单总线数据格式。即是利用单个总线的一个数据引脚或一个端口便可以轻松完成对数字信号输入数据的采集和模拟逻辑电路输出的信号数据的实时的双向数字传输。基本参数它用于传送的二进制数据包通常会由至少一组5byte字节数据包(40bit)所共同组成。数据可以再分为每一个字节整数大部分和其它若干相对小一部分的整数部分。具体二进制数据格式可以描述如下所述。(1)将一个完整的数据传输长度设置为每秒四十bit,,高位快进先慢出。(2)湿度数据格式:8个bit的湿度整数数据+一个8个bit的湿度小数数据(3)+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据(4)+8bit为校验和,校验和的数据长度为前的四个字节数相加。传感器数据信息的输入输出和显示设备输入的信息都是一种在未进行编码变换处理过程中的二进制数据信息。数值(湿度、气温、整数、小数)之间需要分别来作数据分析。如果,某次在传感器中读到了以下的五进位的Byte数据:以上计算数据后就可计算得到空气湿度和空气温度的值,计算的方法:humi(湿度)=byte4.byte3=45.0(%RH)temp(温度)=byte2.byte1=28.0(℃)jiaoyan(验)=byte4+byte3+byte2+byte1=73(=humi+temp)(校验正确)DHT11的一次连续通讯时间为最大为每秒3ms,主机的最大连续通讯采样的间隔建议应不大应当是小于每秒100ms。图3.7DHT11温湿度传感器模块电路图3.4.2光照强度检测电路本设计采用的是光敏电阻传感器，通过传感器检测植物周围的光照强度。其电路图如图3.8所示。图3.8光敏电阻传感器光敏传感器模块的内部电路模拟输出电路如图3.9所示,其中以一个R1电阻作为一个分模压和输出的电阻,将从光敏传感器电路中被检测传感器记录收集到的光信息来自动的转换为输出信号为一个模拟的电压信号,即为一个AO。模拟的信号是在接入好了的LM393比较器中输出的后,即可无需再另接入另外一个LM393的比较器。通过对两个连接在LM393比较器芯片内的2号针脚板上的电位器对两个模拟电压值信号进行比较,得到DO数字信号(即高低电平信号)。C1、C2电容器都是滤波型电容器,C1电容主要对电源输入进行二次滤波,使电源功率的传递显得更加均匀平稳。而基本参数C2电容器则可以对输入模拟的信号输出进行二次滤波,从而提高了输出模拟电路信号的输入及输出电路的高频可靠性水平。保证了在LM393比较器上输出电压信号中的高低电平信号的输出电平在被串接到单片机管脚输出端上时电压会更稳定。图3.9模块内部电路图3.5显示电路设计显示系统设计采用LCD1602液晶。LCD模组也是我们家庭用户在MCU应用设计开发环境中广泛使用和常用的数字曝光控制设备。LCD1602可以同时连续地显示最多达的2行16个汉字。液晶字符段的显示设计功能特点是用户可随时根据具体设计功能需要来直接地显示出一个基本的字符。本次设计产品均是采用基本字符段进行显示。在实际使用该类液晶系统设备产品中,LCD1602显示器是被直接设计用作输出信息的一种基本数字显示输入设备。基本参数,和目前其它一些传统的机械式驱动的如彩色LED数码管驱动器等数码显示器的控制方式及安装方法等比较,液晶显示本身真正具有了体积尺寸相对的小、耗电量也相对比较少显示的字符内容可以更加清晰丰富与完整的等等一些主要优点,且其基本上就不需要使用什么额外而昂贵的硬件驱动电路。其显示器具体组成电路原理图如下图第3.10页所示。图3.10LCD1602原理图3.6继电器的驱动电路继电器单片机的继电器驱动控制电路示意图如图3.11所示。这部分应该是指一套典型的MCU继电器驱动电路。其实MCU属于另一种小电流器件。一般来说,它们的现在工作大多也都能在至少一个5伏安以上的或甚至一个更为甚低值的较低电压情况下继续工作。驱动电流低于mA。在某些高功率应用中,如继电器控制,显然不可能使用它。因此,必须先有这样一个连接,称为"电源驱动"。继电器控制回路是指一种最典型的而最为简单有效的电源控制链路。在图中,8050三极管有两个功能:一个用于放大,另一个用于切换(严格来说,切换功能是放大的边界)。P10口与单片机上的晶体管P1.0通连,P10端口只提供电源高电平,晶体管就处于完全导电状态,起了放大控制作用。这样,继电器也就永远可以自动获得到足够小的驱动电流来确保正常的工作。当晶体管P1.0端口的极低电平信号由电源端口P0口给出电流时,三极管便不可能工作,继电器当然也会不能够工作,因为继电器没有电流。二极管4148用来提供保护。这样的继电器电路本次设计用到了三个。图3.11继电器电路图4程序设计本文还主要着重阐述控制系统方案设计的基础软件设计方法思路，包括:整体编程框架、温湿度编程、LCD液晶显示编程、控制系统模块编程。此次设计程序中我们所设计要选用到的标准单片机语言是基于STC89S52单片机,其标准C语言语法体系框架和编译系统结构等基本框架和标准C语言单片机的基本框架结构大致相同,只是某些功能稍有调整得到了一些相应程度上的功能修改及扩充,用到的几种主要单片机编译的环境软件基本都是基于Keil编写的，下面让我们一起简要详细地介绍到了以下基于Keil编写的主要编译软件环境软件的主要特点。Keil软件中包括了丰富而强大易用的库函数功能和丰富的功能，以及庞大而实用的集成的开发工具和调试工具，用KeilC51所能产生编译出的所有编译的目标代码效果都会十分之的之的好,多数语言环境下的生成汇编后所产生的所有编译的目标代码效果也会显得很之是的紧凑,更易于被读者所掌握。在进行大型程序和大型软件时,应用于它时更多应希望能够真实的反映并展示了这些高级语言技术本身所具有的各种特殊性能优点。4.1整体程序设计框架整体程序设计框架的设计使用到的软件开发环境为Keil，使用C语言进行编程，其主要程序流程图如图4.1。整个主程序流程包括以下几个步骤：首先系统初始化各个子模块，包括液晶显示模块，定时器初始化，延时函数配置，清除液晶显示；然后设置温湿度合适范围，开始实时监测环境周围温湿度将得到的数据转换成实际温湿度值，更新液晶显示温湿度值，判断温湿度是否超出合适范围，如果条件成立则打开控制电路，否则关闭控制电路。执行完毕后返回循环函数，循环反复执行上述操作。系统开始启动系统开始启动初始化系统各个模块、温湿度上下限设置初始化系统各个模块、温湿度上下限设置查看温湿度选择标志位查看温湿度选择标志位转到温湿度处理程序处理数据转到温湿度处理程序处理数据判断是否处在预设限定值判断是否处在预设限定值控制设备关闭Y控制设备关闭标志位清零正常运行状态LCD1602标志位清零正常运行状态LCD1602显示控制设备开启控制设备开启图4.1整体程序流程图4.21602液晶子程序设计1602液晶显示的程序流程图如图4.2所示。首先上电初始化后，清楚液晶屏幕显示内容，防止出现乱码，第二是配置显示模式分别为打开显示指令，不显示当前屏幕字符移动的光标，并且屏幕显示字符的格式依次向右移动。第三读取显示模式值，液晶显示模块会根据配置的十六进制值设置相应的显示格式，读取需要显示的内容。第四把内容显示到液晶屏幕的第一栏当中，读取和显示的内容依次从左到右，显示完一个字符就进行判断是否还有下一个字符需要显示。直到显示全部内容后停止第一栏的内容读取操作。第五是把内容显示到第二栏中，读取和显示的内容依次从左到右，显示完一个字符就进行判断是否还有下一个字符需要显示。直到显示全部内容后停止第二栏的内容读取操作，到此整个液晶屏幕需要显示的内容全部读取和显示完毕。图4.2液晶程序流程图4.3温湿度传感器子程序设计首先，DHT11开机启动后，等待1s后进入不稳定睡眠状态。在此休眠期间，系统无法继续发送指令测试当前环境温湿度数据，可以重新开始记录当前温湿度数据。同时DHT11硬盘内的数据线会自动上拉或下拉，或者电阻自动上拉或下拉来保持高电平；此时DHT11中的数据管脚仍处于输入状态，可以随时检测这些外部数据信号。第二，微处理器中的I/O输出电源被设置为范围最大为可同时提供输出最大峰值输出和提供输出峰值最低输入电平,低输出电平的输出电源持续输出的峰值时间的长度应当小于18ms。然后第三微处理器电源中所有的输出I/O电路将自动被重新被设定为输入电源状态。随着上拉电阻的作用,微处理器芯片中I/O连线(即DHT11的数据线)的电压值将会提高,等待DHT11的反馈信息。第三,在DHT11的所有数据引脚中检测到的所有外部信号电平均为低电平，并且正在等待所有外部检测到的信号电平以非常低的电平结束。一旦延迟完成，DHT11的所有外部数据管脚将保持在输出状态，并输出一个约80微秒的低电平信号作为响应信号。然后,它才会自动连续的输出至另一个80微秒及以上频率的高电平,通知外设它已开始或准备设置好并开始接收数据。此时，微处理器电路中的所有微处理器I/O检测电路仍处于输入电压状态。感测电路检测到微处理器I/O感测电压降至最低电平后，等待高电压电平变化约80微秒后，微处理器才能接收和读取数据。第四，DHT11的数据引脚输出40位数据。微处理器根据不断变化的I/O电平接收40位数据，数据分析格式“0”记录为：50微秒为低电平，26-28微秒为高电平。位“1”数据分析输入的输出格式通常指定为：50微秒的低电平到小于70秒的低高电平。最后,将40位数据发送到DHT11位数据引脚后，可以继续发送低电平50微秒，然后在输入状态下重新启动输入。由于上下拖动，它会再次自动变为另一个高电平。但是，DHT11可以重新测量温度并实时感知环境，记录数据并等待外部信号的定期到来。流程图如图4.3所示。图4.3温湿度传感器程序流程图4.4控制电路程序设计控制室里程序流程图如图4.4所示。控制电路是用来控制环境温湿度是否处在设定值范围，引脚P1.0接加热继电器，引脚P1.6接散热风扇，引脚P1.1接加湿继电器，引脚P1.2接除湿继电器，引脚P1.3接高亮LED。如果温度过高，P1.6引脚为高电平，开启电风扇散热系统。温度低于范围值时，引脚P1.0为高电平，加热继电器开启。湿度高于范围值时，P1.2为高电平，除湿继电器启动。湿度过低于范围值时,引脚P1.1为高电平，加湿继电器启动。当光照不足时引脚P1.3为高电平，高亮LED灯亮起。通过控制电路可以第一时间控制植物的培养环境。图4.4控制程序流程图5系统整体调试5.1调试方案调试分为硬件调试和软件调试，首先硬件调试主要是对各个模块电路原理图和PCB调试。所有原理图项目的完美成功都体现在这个调试阶段。在制作好硬件电路图纸的工作同时,也应该穿插调试，这样就有利于复杂问题快速的综合分析计算和解决,不会直接造成大问题的重复堆积,也因此不会造成因为某一个小的问题来影响对整个控制电路性能的分析检查,可以直接节省了大量宝贵的设计调试工作时间。例如,单片机控制显示模块中的硬件部分在制作安装完成后,可以通过先调试控制显示模块程序,在一个LCD1602芯片上直接显示出来一个比较简单直接的数字0。显示输出结果为正确,说明液晶显示电路和与单片机主板的连接保护电路连接正确,单片机系统可以开始正常运行工作。在本软件实际编程应用中,首先需完成各单元功能模块硬件的硬件调试,然后才对整个系统电路进行综合调试。调试软件总体思路要求和编程步骤要求与测试硬件的类似。5.2硬件调试元件单元电路制作全部完成合格后,上电工作前都应按规定先分别用数字万用表来检查一下各部分独立电气元件,排除有虚焊、短路、断路错误等故障问题排除后即具可调试元电路功能。具体的调试过程可如下图所述:5.2.1系统上电初始化测试首先对基于单片机的植物培养监控系统进行初始化上电初步测试，观察整体运行效果是否正常，如图5.1所示。系统上电的时候，液晶的第一栏会实时显示检测到外部环境温湿度的值，第二栏显示设定的温湿度范围，初始化上电测试正常。图5.1系统上电初始化测试5.2.2独立元器件检测组装前设计制作好的电子线路通电组装后和调试或使用产品前,仔细彻底的应该检查一下其线路走向和电气接线的顺序等是否都正确或是有误。检查线路的最好方法是通常的是都要尽量按照在电路图纸上的按符合一定物理规律确定的电路接线的顺序来依次逐级深入地逐一检查。比如你需要先确定电路板图中的电阻值,可以通过首先是通过万用表直接读取电阻图上所对应电阻的色环数值来确定。尤其重点是要做到时时地注意检查电源端子连接是否存在有明显接错,电源端子接线与接地端导线脚之间的连接处是否没有出现严重短路,集成电路、三极管等间接线的接引线管脚的位置上是否还存在有接错,轻轻用力向上地拉动各元器件,观察接线表面处是否牢固贴有焊锡关节牢固。用万用表要反复的检查各个接线端是否能发现到有其他任何严重短路信号出现和断路。上电测试后,检查电源灯是否亮。如果红灯不显亮,检查一下电源指示灯或发光二极管本身的信号质量。还要定期用数字万用表去测量单片机等芯片内部的输出电压值是否完全符合的要求。如果完全没有,检查下每个芯片,看下每个芯片内的管脚间是否没有焊接,芯片外壳是否已损坏。5.2.3单片机最小系统调试首先用户应该仔细确认电源电压及输出功率是否都正常。用一个电压表来分别检测供电接地脚内部的和电源连接地脚内部的三相交换线路压力,看测量的电流是不是等于交流电源电压,仅供参考比如5V。接下来主要的步骤就是要首先检查resetpin的输出的电压值是否均为正常。分别检查要在测量前按一下复位键后的输入和在松开按下的复位键时输入的输入端电压值,看两端接线的是否已连接的正确。然后检查晶振管脚是否都已经开始产生了振动。一般还需再用一个示波仪看一下晶振管脚波峰的波形。而另一个比较简单地解决办法,即是在没有复位的按键状态前提下先检测每一个I零端口上输出的电平,并按下复位按钮,然后在再检测下整个I零端口上的输出的电压值(除了没有外部上拉的P0端口)后,看下它是否能够恢复为上一个输出高电平。如果仍显示不是一个高电平,多半也应该说明是晶振元件还没有再真正开始产生振动。如果要直接使用片内ROM程序（大部分情况下很少用于外接ROM扩展），需要注意将EA引脚拉高，否则程序可能会工作。有时情况你也甚至认为可以直接使用模拟器,但你不能在电影中刻录,通常是因为EA引脚。没有拉起来。经过对以上这几点简单检查判断后,故障问题一般基本可以完全排除。5.2.4显示模块的调试显示模块内部的各种硬件电路连接电路比较的简单,在硬件检测及调试使用过程中完全没有存在任何技术困难。本产品设计全部采用2.5英寸LCD1602液晶显示器。基本参数先检查液晶三角接法的电阻是否连接正确,然后检查数据接口是否短路或开路,检查电源和地线是否连接正确。5.2.5控制电路的调试继电器和继电器外围的隔离检测电路它们之间的硬件电路隔离的检测电路方法应该是国内目前最实用直观又简单方便易好用的。先可以分别用来测量两三极管在按8050所给定电压的工作电平时各引脚间的一个相对的电压值,然后是要分别看一下它的电路是否可以始终地工作并且都工作在同一个放大电压状态。当其中一个三极管工作并且一直运行在一个放大小电流状态时,它同样也是可以说一直是给下一个驱动继电器提供出了一个足够放小电压的输出的电流值作为一个驱动的继电器。第一步、调试的是光敏电阻传感器部分，我们将作品处在黑暗中时，光敏电阻传感器能及时检测到光照强度的强弱并马上开启高亮LED灯补充光强，如图所示。图5.2第二步、调试温湿度传感器部分，开启电源时温湿度传感器指示灯亮起，表示开始正常工作，液晶显示器上显示温湿度的值，温湿度传感器部分正常，调试完毕。第三步、调试加热继电器部分,当温度高于设