【《基于单片机的大棚温湿度监控系统设计》6300字】

基于单片机的大棚温湿度监控系统设计目录摘要 1第1章绪论 31.1研究背景和意义 31.2论文结构安排 4第2章硬件组成以及总体方案 52.1总体方案设计 52.2控制中枢 52.3LCD1602显示屏 72.4DHT11温湿度传感器 72.5控制模块 82.6时钟模块 8第3章硬件电路设计 93.1单片机最小系统 93.2显示模块电路设计 103.3检测模块电路 113.4继电器控制电路 113.5报警电路 12第4章软件设计 134.1程序设计原则及编程思路 134.2程序设计 154.2.1设计语言和开发平台的选择 154.2.2程序的总体设计 15第5章系统的实现和测试 175.1实物测试 175.2本章小结 21第6章总结与展望 226.1总结 226.2展望 22参考文献 23附录一 25PAGE\*Arabic9摘要中小型的温室大棚受到成本的限制，主要使用传统的温湿度计来检测大棚内的温湿度，依靠经验对大棚内的环境因素进行控制。鉴于此，本设计提出一个温湿度自动测控及显示系统，从而实现对大棚内农作物的生长环境进行自动监控。该系统以单片机为控制中枢，实时的处理传感器检测环境中的温湿度数据，通过继电器控制的外接设备和LCD1602显示屏，对大棚内的生长环境进行温湿度控制。利用时钟芯片将白天和夜晚区分开，对一些生产环境需要区分昼夜的农作物，设置两个时段不同的温湿度区间。基于STC89C52的温湿度测控系统具有成本低、稳定性高、耐用性强等优点，可以有效改善农作物的生长环境和减少劳动量。关键词：STC89C52；温湿度传感器；继电器；LCD1602第1章绪论1.1研究背景和意义由于不同地方的气候季节不尽相同，导致每个地方可以种植的农作物种类受到极大的限制，从而造成一些农作物的物流成本增加、价格上涨。传统的种植方法也因为气候的不确定性，造成农作物的存活率下降[1]。随着温室大棚技术的出现，这些问题也迎刃而解，温室大棚是一种现代化的农业种植技术，其可以人为的控制大棚内的环境因素，以此来提高农作物的存活率和质量。随着计算机技术、传感器技术、电子技术的发展，现代温室大棚利用自动化控制技术可以对农作物生长环境因素进行实时测控[2]。目前，市面上的自动控制系统种类繁多，甚至还有综合因素控制系统。但是由于成本高、操作维护复杂、适合大面积的使用等诸多因素，导致温湿度自动控制系统在中小型温室大棚中并不能得到广泛的应用[3]。因此，本设计提出了一款性价比高、使用便捷、稳定性强的温湿度自动控制系统。1.2国内外发展现状欧美地区的国家的温室大棚最早的引进计算机网络、传感器技术、自动化控制等先进科技手段，以荷兰为主的发达国家已经发展到在温室大棚中根据农作物的生长习性来自动的控制其生长环境中的温度、湿度、光照等多种因素，通过计算机网络技术进行远程测控[4]。随着技术的更新迭代，我国早就实现了温室大棚的大型化、智能化。更是建造出了独有的日光温室，利用绿色资源为我国节约了大量煤炭的同时也减少了大量污染气体的排放[5]。虽然我国的温室大棚技术的已经站在了世界前沿，但是在技术的推广方面，中小型大棚的自动化程度不够，多采用传统的方法检测，人为的控制环境参数。与那些大型的温室相比在智能化、现代化方面还是相差很多[6]。1.3论文结构安排这次论文的结构安排如下：第1章介绍了温室大棚技术在国际上和国内的技术发展背景及现状。第2章讲述了本次设计所采用的硬件设备。第3章对主控器件STC89C52的硬件电路及一些外围电路进行设计。第4章阐述自己的软件设计思路并用KeiluVision4软件编写程序，实现了温湿度测量、控制和显示三大主要功能。第5章用所做实物对测控及显示功能的具体实现效果进行展示。第6章对本次设计过程进行总结，并展望未来可以改进的方向。

第2章硬件组成以及总体方案2.1总体方案设计大棚温湿度自动控制系统，不仅要满足对温湿度的实时检测，还要实现对温湿度的控制。经多种因素考虑，在满足需求的情况下采用模块化的设计思想，使各个电路形成独立的模块，这样结构清晰，还有很好的扩展性。本系统的设计的中心思想是以单片机为控制中枢实时的联调各大模块，完成检测、控制、昼夜温差等功能，总体设计流程图如图1所示。STC89C52STC89C52温湿度传感器LCD1602显示屏加湿器除湿器升温器降温器蜂鸣器图1硬件系统组成2.2控制中枢系统的控制中枢主要在C51系列和C52系列当中选择，经对比最后选择性能稳定的52系列中的STC89C52，它与C51相比多了1个中断源还有更大的程序存储空间[7]，特点如表1所示，硬件原理图如图2所示。

表1单片机的特点8位CPU1.2~12MHz的片内振荡器64KB寻址空间的程序存储器6个中断源8KB的片内程序存储器64KB片外数据存储器3个计数器和定时器256B的片内数据存储器128个用户寻址空间图2STC89C52硬件原理图按照功能分类，40个引脚可以分为三类：电源和时钟引脚，如VCC、VSS、XTAL1、XTAL2；程序控制引脚，如RST、PSEN、ALE/PROG、EA；I/O口引脚，如P0、P1、P2、P3，4组8位I/O口。2.3LCD1602显示屏背光字符型LCD1602显示器，虽然不能显示图形，但是具有成本低、稳定性好、功耗低、显示内容多、实时显示等诸多优点[8]。可以完全满足设计需求，实物如图3所示。图3LCD1602液晶显示屏实物图2.4DHT11温湿度传感器DHT11是一款可以同时测量温度和湿度的数字传感器。该传感器通过一个电阻式的测湿元件对湿度进行测量，测量温度方面有一个NTC测温元件，通过连接一个高性能8位单片机来进行工作，通过彼此的DATA线进行数据传输[9]。DHT11传感器和单片机之间的几个通信步骤如下（实物如图4）：传感器通电一秒后测试并记录环境温度，传感器的DATA线处于输出状态。单片机的DATA引脚设置为输出，等待DHT11的回答信号[8]。单片机的DATA引脚处于输入状态，检测到DATA线处的低电平（传感器的回答信号）后，等待接收数据。单片机根据其DATA线的电位变化接收传感器的数据引脚输出的采集数据。图4DHT11实物图2.5控制模块该系统的控制模块，由继电器连接加温、降温、加湿、除湿等设备，对农作物生长环境中的因素进行控制。控制逻辑是根据预设区间来判断相关设备的启停，提供了SET(设置)、ADD(加)、SUB(减)和OK(完成)四个功能按键，设定温湿度预设区间。2.6时钟模块根据需要昼夜温差较大的农作物，需要利用时钟来讲白天和夜晚区分开。可以选择单片机内部的时钟来进行设置，但是没有掉电储存功能，所以选择DS1302时钟芯片它比单片机内部时钟精度更高还有掉电储存的功能。该芯片正常工作电压是2V到5.5V，内部有31个字节静态RAM，用于临时存储数据[10]。可供用户访问。如图5所示。图5DS1302实物图

第3章硬件电路设计这次的硬件电路设计分别由，控制模块、显示模块、检测模块等几部分组成在AltiumDesigner软件进行原理图的绘制。电路原理图见附录一。3.1单片机最小系统最小系统由时钟电路和复位电路两个部分组成，是单片机正常工作的最简单系统。本次采用的复位电路是由电阻和电容组成的上电复位电路，元器件连接在单片机的RST、VCC和EA/VCC上[11]。运行方式是经程序控制RST引脚的电平高低，当RST为高电平时单片机自动复位，RST由高电平转换为低电平后程序正常运行[12]。复位电路图如图6所示。图6复位电路时钟电路由晶振和电容器组成，作为单片机的能量核心，保证内部各部分电路正常工作[13]，如图7所示。图7时钟电路3.2显示模块电路采用字符型液晶显示器LCD1602为温湿度检测控制系统提供显示。LCD1602不具有显示图形的能力[14]，是普通产品中的大众型产品。液晶显示器的16个引脚的说明如表1，显示模块电路如图7所示。表2编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地6E使能信号2VDD电源正极7~14D0~D7DATAI\O3VL液晶显示偏压信号15BLA背光源正极4RS数据\命令选择端16BLK背光源负极5R\W读\写选择端图7显示电路3.3检测模块电路本次硬件采用DHT11温湿度传感器与单片机相连构成温湿度检测模块，DHT11的四个引脚分别为：1：VDD接5V直流；2：空脚不做连接；3：数据传输线，单总线；4：需要接地。DTH11通过3号引脚与单片机数据接口相连，完成数据之间的传输，电路图如图8所示。图8传感器电路3.4控制电路设计本次设计的温湿度控制模块是由继电器控制和按键控制共同组成的控制总电路。其中有SET（设置）、ADD（加）、SUB（减）和OK（完成）四个控制按键，主要用于设置用户需要的环境温湿度区间，焊接在单片机的P2.0~2.3引脚。通过继电器来控制对应设备调整温湿度，当环境中的温度和湿度超过预设区间时，焊接在单片机P3.1~3.5处的相关设备就会启动。电路图如图9所示图9按键和继电器控制电路3.5报警电路设计在单片机控制系统中，为了能够及时的了解情况，本系统对传感器采集的数据进行处理。当DHT11检测到的温湿度不在预设区间内的时候，蜂鸣器发出声响提醒用户，使得用户可以及时地了解情况。通过这种设计，用户也可以方便地对设备运转状态进行检测,电路如图9所示。图9蜂鸣器报警电路3.6时钟模块电路设计时钟芯片在每次读写程序之前都需要对数据进行初始化处理，即使芯片的复位引脚RST设为高电平状态，然后再给SCLK一个脉冲信号，并将执行的命令信息和8位地址存储到移位寄存器中，然后就可以在后面的读操作和写操作中输出字符数据并显示在液晶模块上。单片机第4章软件设计本次程序设计有温湿度的检测、控制、和显示三个主要功能，和一个区分昼夜温湿度区间的特殊功能。在完成需求的同时要做到程序结构清晰、流程合理、拓展性强。因此对主要的程序采用模块化设计，在耦合性低的同时可以方便地对其进行修改和调试。4.1程序设计原则及编程思路为了方便设置，该系统设计一个主菜单和一个二级菜单。按下设置键后进入一级菜单，显示内容有白天、夜晚和时钟三个选项其中白天和夜晚选项是分别对昼夜温湿度区间的设定，时钟选项是对昼夜时间的设定，如图10所示：按下设置键按下设置键白天夜晚时钟昼夜图10菜单设计思路继电器及液晶显示模块初始化后，由单片机对温湿度传感器所采集的数据进行显示分析，并与系统内设定的温湿度区间（默认设定值为上一次的设定值，出厂的设定值为零）进行对比，同时调用控制设备对大棚内温湿度进行控制，系统控制思路如图11。开始开始初始化显示温湿度设定温湿度上下限是否超过区间N启动相关设备Y温度达到设定区间内停止设备图11系统控制流程图

4.2程序设计4.2.1设计语言和开发平台的选择C52单片机可以使用汇编语言和C语言进行编程，其中汇编语言虽然高效稳定，但其易维护性和可移植性远不及C语言[15]。所以此次选择C语言进行编程。开发平台选择的是KeilUvision4，这个软件有很好的开发方案，集成了多种方便易用的开发环境，也可以为后期的仿真调试提供便利。4.2.2程序的总体设计给用户提供了SET（设置）、ADD（加）、SUB（减）和OK（完成）四个控制按钮。温湿度预设区间和昼夜时间的设置方法是：按下SET按钮进入菜单，有白天、晚上、时间三个选项，会有闪烁的光标提醒用户当前停留在那个选项处，再次按下设置键可以跳转到下一选项。其中白天和晚上选项是对昼夜温湿度区间的设定，在时钟选项中处按下确定键会进入二级菜单，在这个菜单中有昼和夜两个选项，内容是对白天和晚上时间的设定。完成选项中数值的设定后，按下确认键即可返回上一级界面。主程序流程图如图12所示：11602初始化显示字符读取DHT11采集数值转换读取数据显示温湿度扫描按键计数器加到100转化温湿度数据比较数据控制继电器工作确定白天和夜晚图12主程序流程图第5章系统实现和测试本系统主要有检测、显示、控制三个主要功能，一个区分昼夜温湿度区间的特殊功能。温湿度预设区间和昼夜时间的设置方法是：按下SET按钮进入菜单，有白天、晚上、时间三个选项，会有闪烁的光标提醒用户当前停留在那个选项处，再次按下设置键可以跳转到下一选项。其中白天和晚上选项是对昼夜温湿度区间的设定，时钟选项中有个二级菜单，在这个菜单中有昼和夜两个选项，两个选型的内容是对白天和晚上时间的设定。完成选项中数值的设定后，按下确认键即可返回上一级界面。其中关于实物的功能调试有以下要求：在测试过程中是否全程正确显示达到设计要求。DHT11传感器是否能够正常检测环境温度和湿度，通过对传感器哈气改变空气中的湿度来对传感器的实时性进行检验。四个控制设备分为温度控制设备和湿度控制设备两大类，每个大类中最多仅有一台设备可以同时运行。需要测试温度控制设备和湿度控制设备是否会同时运行。是否能根据预设区间控制温湿度。区分白天和夜晚的温温湿度区间。5.1实物测试连接电源，按下白色的开关按钮进入开机界面，四个蓝色继电器在图片右部，从下往上依次为降温、升温、加湿和除湿设备，后面不再做出说明。系统初始化界面如图13，初始化完成后主界面如图14。图13开机画面图14系统主界面按下SET（设置）按钮后进入到系统的菜单界面，第一页有白天和夜晚的选项如图15，第二页是时间选项，如图16。图14白天和夜晚选项界面图16时间选项界面选择Day-set选项进入白天温湿度区间设置界面，Night-set选项是晚上温湿度区间设置界面，两个界面如图17。图17温湿度区间设置界面选择Time-set选项进入二级菜单，有Sunrise和Sunset两个选项，分别是设置日出日落时间，菜单界面如图18。时间设置界面如图19。图18日出日落选项界面图19时间设置界面当室内温度超过设定的上限值时处于右下角的降温设备启动(指示灯亮则表示相应的继电器工作)如图20。同时对着传感器哈气，温度和湿度同时超过了设定值，降温设备和除湿设备同时启动，如图21。在这过程中温度也随之上升证明温湿度的灵敏性和显示的实时性。约一分钟后，温度和湿度分别降至范围内，继电器停止工作，证明设备运行达到要求。图20降温设备启动图21降温和除湿设备同时启动当环境湿度低于设定值时，加湿设备启动，如图22。图22加湿设备启动5.2本章小结本次主要对系统的温湿度检测、显示和控制功能进行测试。其中显示功能全程无异常，达到设计要求。温湿度传感器的准确性和实时性完全符合要求，在控制设备的实时性和多设备同步工作方面，降温和除湿设备的同时启动也证明了这点。表明方案设计中的三大功能和一个特殊功能全部实现。

第6章总结与展望6.1总结本系统以STC89C52单片机作为控制中枢，由温湿度传感器DHT11为检测单元对环境中的温湿度进行实时监测，通过继电器控制外接设备来控制大棚内的温湿度。能够实时检测控农作物生长环境中的温湿度。使用并根据预设区间加以控制。本系统具有易操作、使用周期长、成本低、实用性强、可扩展性高等优点，在设计过程中主要做了以下的工作：调查我国的农业大棚发展现状，据此提出供中小型大棚使用的温湿度检测与控制系统的设计方案。基于设计方案在AltiumDesigner中设计出原理图，在KeiluVision4用C语言编写控制程序。选择合适的器件焊接、组装，并将程序到单片机中。对实物进行测试，当温室大棚内的温湿度超过预设区间时报警器响，并且温湿度控制设备启动，当温度回到预设区间时控制设备停止工作。6.2展望本系统基于单片机联调各个模块实现了对大棚内温湿度的测控，但是随着科技的飞速发展在未来的学习中还有以下可以改善的地方：此次设计实现了对于大棚温湿度的测控，但是影响农作物生长的环境因素十分复杂，如二氧化碳浓度等，在以后可以向着多因素控制方向发展。本系统还不能进行远程监控，在以后的学习中可以进一步的改善。

参考文献庄岩.智能温室远程监控系统设计[D].青岛科技大学硕士学位论文，2020：1~7.梁玉芹，杨阳，刘云，宋炳彦.茄果类蔬菜日光温室智能化育苗关键控制技术[N].河北科技报，2019，(B05)