【《基于单片机的大棚温湿度监控系统硬件和软件设计案例分析》8500字（论文）】

基于单片机的大棚温湿度监控系统硬件和软件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u8321基于单片机的大棚温湿度监控系统硬件和软件设计案例分析 7209641硬件设计 7193021.1设备选型 7120431.1.1温度采集方案 7266381.1.2显示界面方案 8214741.2电路设计 8173431.2.1STC89C52单片机 8128771.2.2温湿度传感器 12255021.2.3光照传感器 15292901.2.4LCD1602液晶显示屏 16206632软件设计 18319862.1系统总体流程图 18116002.2温湿度控制流程图 1976042.3光照度控制流程图 2097263系统功能实现与测试 2299733.1系统功能实现 2292173.1.1显示界面 2212053.1.2温度湿度及光照度设置界面 2351193.2系统测试 25264053.2.1测试说明 25274113.2.2测试结果 251硬件设计1.1设备选型1.1.1温度采集方案方案一：模拟温度传感器。热敏电阻，温度值转换为电压值通过抽真空操作放大A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后通过比较计算出的温度由微控制器。优点：应用范围广，特别是在工程领域，采用不同的热敏电阻可实现超低温测量。缺点：必须使用高速A/D转换器，系统复杂，成本高，而且还引入非线性误差，所不同的是通过软件修正。方案二：采用DHT11温湿度传感器，该传感器采用单总线接口，能方便的与单片机通信。测温范围从0°到+50°,测温精度为±2°，完全满足本设计的要求。缺点：不能实现高温与低温测量。从上各种因素，我们采用DHT11温湿度传感器方案。1.1.2显示界面方案方案一：采用数字显示，优点：结构简单，成本低。缺点：只能显示有限的测量点和符号。

方案二：采用LCD显示屏。英文操作提示可以方便的人机交流。多点温度值可同时显示，可以通过键盘或显示器浏览一个测量点的温度快速滚动。本系统设计为多点温度采集情况，所以选择LCD显示。1.2电路设计1.2.1STC89C52单片机1电源电路设计本次控制系统的主要电源集成器电路主要是由两个组成部分共同构成,分别是电源集成器和二极管,电源集成器可以使整个系统的运行顺利,保证整个系统具备充足的动力。电源电路图以图3-1表示。图3-1电源电路图2复位电路设计第9脚被指定为一个自动复位引脚(Reset),如果该引脚之间相互连接的高电平工作引脚要求远大于2个自动复位引脚机器人正常运行的工作生命周期,则位于该引脚的自动复位引脚的动作便必须能够正常地进行。以12mhz的中频工作时钟脉冲实例可以作为一个简单的例子,每个中频工作时钟脉冲1us,两个中频工作时钟机器人的时钟分别为12us,那么,在第9脚上只需要外接一个12us以上的中频工作高电平的时钟脉冲,它们就应该会自动开始进行时钟复位。外接了一个自动短路复位电容在自动短路充电复位器的引脚上面也就是自动上下短路充电复位,当这个自动短路引脚上外接+5v的自动短路复位电压时,此时的这个自动短路复位引脚的电路真正可以被自动地作为一个自动短路充电复位的电容,经过一小段的复位时间后,电容将被自动地接入到一个自动短路充电停止的状态,此刻这个复位引脚的电路还可以说就是充电时相当于自动停止或者是自动切断。另外一种复位方式主要是采用手动连接法对电路进行复位,其中的这种手动连接法主要特点就是在两个位于STC89C52RC的两个复位引脚外部内部相互连接的一个复位启动控制电容上再另外加上一个复位启动控制开关。如果快速启动时的开关未被自动按下一下,则整个充电电容器就很有可能直接陷入到自动停止快速充电的正常工作状态;如果按下快速启动开关控制器的开关,电容就可能会直接开始自动进行快速放电,从而,在快速复位电路引脚上就可能会自动产生一个高电平,从而直接实现了复位电路的快速复位。复位电路图以图3-2表示。图3-2复位电路图3晶振电路设计晶体振荡器控制电路设计来给MCU提供一个新的时钟控制信号。两种类型的晶体振荡器,其中所需要包含的就是有源晶振和无源晶振,它们都已被广泛认为是整个时钟集成电路最主要的一个构件和组成部分,晶体振荡器就是为整个时钟集成电路和其它一些重要的电子元件而言的提供了一个完全相应的频率和温度基准。XTAL1是一个片内单片机直接地作为一个片内反向信号控制电路反向信号放大器的一个基本输入和信号端,XTAL2是一个片外单片机直接地作为一个片内反向信号控制电路反向信号放大器的一个基本输出和信号端,反向信号放大器一般也可以直接地拿来作为片内反向信号振荡器的一个基本输入端。可直接用于工具的有陶瓷片内振荡器和石晶振荡器。而且当我们需要通过使用外部驱动的时钟和电源元件来对这一个驱动器件进行控制时,此时XTAL2是不必再与它进行时钟连接了[6]。利用一个二分频信号触发器就可来直接实现某一个不同时钟控制电路中内部或与交换机相互连接的某个不同时钟电路信号点来进行数据传送和信号输出。在虚拟现实化技术和工业生产中的应用中,不仅仅是需要按外部接地方式确定脉冲信号的脉宽,但首先还必须要求脉冲电压与输出端电流相同。晶振工作电路框图以图3-3表示。图3-3晶振电路图4按键电路设计本操作系统中所采用的按键控制电路主要是通过对k2、k3、k4三个按键采取最简单的低电平扫描技术手段来实现,共有k2、k3、k4三个按键,k2为按键的设定点,可以根据温度、湿度和光照程度等多种影响因素选择按键位置,k3为加键,k4为降低键,利用这三个按键在开关的任何一端都能够连接到单片机的I/O口,另外的一端则是采用接地方式,用一个单片机来监视I/O口是否以低电平,判断按钮是否已经被按住。该按键的电路框图以图3-4表示。图3-4按键电路图5控制电路设计如果通过温湿度传感器监视得到的温度值远远高于预先设定的温度值,则系统就会自动地驱动一个继电器,后者就会带动一个风扇在棚内进行操纵和工作,降低西瓜大棚的温度。该控制电路框图结构以图3-5表示。图3-5控制电路图所以当一个空调西瓜大棚的平均气温或者一个空调的温湿度已经完全不在用户预期中所设定的空调限值温度范围内时,就系统软件会自动地对空调装置西瓜大棚中的各个空调系统组件进行对空调温湿度的实时监测。1.2.2温湿度传感器1工作原理（1）接口说明根据不同的电路工作环境条件情况可以分别连接不同的负载电阻,连接线的两端高度和连接距离与20米电阻相比,在较短的工作时间内可以使用5k的上或下拉连接电阻,在较长的工作时间内则需要根据不同的电路工作条件情况使用来分别选择不同的上或下拉连接电阻。DTH11典型的工业应用集成电路基本结构以图3-6表示。图3-6DTH11典型应用电路（2）电源引脚电源电压供电器该系统可以提供3-3.5v的有源电压。当一个传感器被自动放置连接到无线电后,它的一个响应中断持续时间大约不过是1秒,在这段短的响应持续时间里,要立即进行暂停。若是同时需要直接进行一个去耦电容滤波的话,可以加一个100nF的电容在电源引脚（VDD，GND）之间。直接添加一个100nF的去耦电容。（3）串行接口(单线双向)数字温湿度复合传感器dth11与数字微处理器之间我们可以直接通过采用单总线两种数据通讯的格式直接地进行一次数据通讯和一次数据同步[9],一次通讯数据的同步时间大约为4ms,其中一次通讯的数据由两个主要的部分共同连接而来,分别是指的就是一个带有单位整数及一个带有小数的部分,具体对于数据格式的要求可以根据下文中详细地进行了说明,目前这些带有小数点的部分已经可以读出其值为零,以后再对该主要部分数据进行同步扩展。其中高位操作系统流程定义为如下:一次完全高位的数据输入传递速率可以设定为40bit,高位首先就是输出。位控制算法主要是将一个温湿度整数与一个温度整数进行计算,将一个温度和湿率小数进行计算,只需要保留一个较低的8位数字。主机的所有微处理器MCU都开始自动实时发送主机起始响应信号,同时主机DTH11的工作模式被自动切换至高速,实施了对主机数据的自动实时监测,对主机的所有起始响应信号也自动进行了实时响应,在发现主机的所有起始响应信号已经完全自动终止后,这时主机DTH11开始向所有主机用户提供实时响应的数据信号,发出的从机响应数据信息位数为40位,同时对主机响应后的信息数据进行了实时采集,其中一些响应数据信息可以随时提供给主机用户实时查看和随机阅读。如果从主机DTH11接受了一次主机温湿度信号起始的采集信号,就很有可能会再次从机触发一个温湿度起始信号的再次采集,如果一个主机接到无法再次接受信号得到的是主机直接传来的一次温湿度信号起始时的信号,从而主机DTH11进行一次温湿度的信号采集则很有可能认为是主机处于临时的或暂停。若将一个数据采集处理完毕DTH11的数据模型由高速可以转换至一个低速。通信的总体和流程设计框图具体设计方案如下,以流程图3-7表示。图3-7通讯总流程图总线的主机空闲运行状态必须设置为一个高电平,主机通过微处理器将主机总线高度拉低,并不能让其继续等待从主机DTH11的实时响应,拉低后的时间必须始终控制在18毫秒以上,这样这么做的设计目的主要是为了保证能够有效确保从主机DTH11对整个主机所进行发送的每个起始和最后终止数据信号都可以能够及时进行顺利地实时监测。在一个主机中连接微处理器的一个指定起始控制信号若被主机DTH11接受并同时被听到,主机就必须决定是否要继续通过等候连接一个主机的一个指定起始控制信号直到接收器终止,然后再向一个机器端接收到80us的一个指定低电平信号作为响应。主机在此时自动读取计算机发送到的起始输入响应模式的信号工作全部完成后,延时主机停止继续工作等待20-40us,开始自动打开主机继续读取DTH11向计算机起始输入的响应模式信号,主机在此时自动读取计算机发送到的起始输入响应模式的信号也就是可以直接自动切换为主机输入响应模式,或者当主机输出的两个高电平都有即可,上下下拉的响应电阻把整个控制总线拉高。如果当一个新的总线主机处于低于高电平时,这时由于主机向另外一个新的主机总线发出一个响应线路信号,主机将整个响应线路信号数据发送连接完之后,把整个主机总线接口宽度拉高80us,准备开始发送数据,每个总线主机的的每一位一个响应线路信号主机开始数据发送时都必须一直是以50us低于高电平时隙大小来开始进行的,数据位0或1是直接影响取决于整个高电平时隙的时间大小和时隙长短,对整个响应线路信号的时隙大小已经进行了一次读取,如果这样的话则响应线路信号必须一直是处于高电平,从而主机DTH11没有什么大的响应,需要先对整个线路信号进行一次测试,看其总线连接后的情况数据是否正常。如果最后面的一位主机数据已经成功完成了空闲传送,从而主机DTH11要把整个点在总线上的宽度分别拉低50us,然后主机通过总线上面的拉稳压电阻将整个点在总线上的宽度拉高并且数据进入了一个空闲传送状态。2温湿度传感器电路数字西瓜大棚温湿度数据传感器对于DTH11是重要的一个电路工作原理设备和控制原件,电路的内部连接简单,仅仅就是将一个温湿度数字传感器的一个相关数据从电路输入/被发送出两个管脚中间直接通过串联发送到一个数字单片机I/O口[10],通过一个由数字单片机自动控制的数字传感器可使DTH11实时地通过监测和自动读取整个工业西瓜大棚室内空气的实际温度,湿度。温湿度变化传感器的集成电路设计框图结构以下文的图3-8表示。图3-8温湿度传感器电路图图中的VCC引脚分别作为串口电源引脚、DATA脚分别作为串口单片机接地P1.2口、NC脚分别作为空足、GND脚分别作为串口接地。因为DTH11是一种可以利用微机单线程的方式直接进行视频数据无线传输,所以它的集成电路和器件接线简便。1.2.3光照传感器为了保证能够有效使得监测得到的紫外光照度监测数据更加准确,本监测系统在进行测量紫外光照射强度时特别采用了一种控制精度极其高的紫外光照射强度控制传感器,该控制模块和采用单片机的多种通信控制方式共同协作构建了一种完全符合国际相关标准的IIC[12]，使用方便,便于系统设计和技术开发者及时地对其进行科学研究和设计开发,适合于对紫外光照射亮度和辐射强度的实时监测。光照传感器电路图以图3-9表示。图3-9光照传感器电路图1.2.4LCD1602液晶显示屏1LCD1602简述这种数位字符式彩色数字显示屏主要的用途之一就是一种数字显示能够提供一种利用字母、数码、符号等各种文字信息来对其进行显示的数字点阵式彩色数字显示器阵列LCD,现在常见的数字液晶显示器阵列LCD模块分别是16×1,16×2,20×2和40×2行。LED1602液晶数字显示屏系统可以非常清晰地向企业用户和系统研究工作人员准确地显示各种英文字母和各种图形文本,占整个系统研究工作人员在开发过程中所占大小比重较少、所展现的信息内容丰富、对于系统实际使用能量的消耗影响相对较少。lcd1602液晶文字显示屏主要的特点之一就是它在工作时能够同时也可以实现2行16个字符的自动数据显示,有一个d0-d7,8位数据传输总线及三个主要的自动控制功能端口,即rs,r/w,en,工作电压分别设定为5v,对比度和彩色背光自动亮度调节两个主要的控制功能显示字符[13]。它还由很多个小的点阵和字符位集合所构成,例如5×7或5×11等,每个小的点阵和字符位都很有可能会使用户需要对一个大的点阵并以字符形式进行表达。每位之间就是只有一个字符点位的间隔就直接地起到了一个字符间隔的作用,每行之间就是只有一个的字符间隔就直接起到了一个的字符行间隔的作用,所以这个时候不能直接对它进行任何文本或者图形的具体展示。可以根据显式屏的明亮度和程度不同来对其进行手动调整,用户就已经能非常清楚地可以看到上面16个字符。2LCD1602引脚LCD1602液晶显示原理图以图3-10表示。VSS:为电源地。VDD:接5V电源正极。vl:lcd1602液晶显示屏的输出口是一个对比度自动调整端,该输出口之间的距离可以因为特殊设置而有所改变,从而使得显示器和屏幕之间具有不同程度的对比。例如当接正电源时其相互之间的对比程度最低,而当接地电源时其相互之间的对比程度最高。rs:根据用户的需要可以自由选择不同的输出寄存器,该口信号可以在不同的电源输出输入电压水平下进行对应并适用于不同的输出寄存器。如果在为低或高电平1的情况下可以直接用来选择一个数据寄存器、当为低或高电平0的情况下也可以直接用来选择一个指令寄存器。R/W:它是用来在电路中作为一个读写输出信号时使用,如果它是高电平1的话这个时候它的功能应该是一个读操作,如果它是低电平0的话这个时候它的功能应该是一个书写操作。如果RS为一个低电平0时,RS和R/W都被认为是一个可以直接用来读出写入指令或者在显示文件中输出地址的一种特殊功能而被使用,如果RS为一个低电平、R/W为一个高电平时,只能直接读数据,相反如果RS为一个高电平时、R/W为一个低电平时,此时只需要直接写入一个数据。E:该端为使能端。D0~D7:为8位双向数据端。BLA~BLK:空脚或背灯电源。15引脚:背光正极。16引脚:背光负极。图3-10LCD1602液晶显示原理图4软件设计2.1系统总体流程图本文对于软件系统中各种的子软件的程序设计性能要求分析是通过基于系统模块化软件设计的系统理念方法进行分析实现的,系统中各种的子软件程序就是由许多子软件程序直接构成的软件程序设计模块。该软件将系统在电气工业应用中的主要应用范围划分调整为四个控制模块,分别是系统主程序控制模块、参数控制设定器和温室的控制数据采集控制模块、西瓜大棚内的数据采集器的显示控制模块及电气继电器上的控制参数处理程序控制模块。每个的子模块都功能具有特定的的子功能,每个子模块都功能可以直接划分开成为一或许多子功能模块,它们之间既独立又相互具有关联的、高级的子模块也就是可以直接用来调用中等或者上下级的子模块。该系统的总体工作流程框图以图4-1表示。首先是进行了系统的数据初始化,把液晶显示屏上所显示的数据内容进行了初始化,接下来就是启动了温湿度传感器,然后进行了数据采集,把这些数据直接存储在缓冲区中,缓冲区对这些数据进行了保存,单片机对这些数据都进行了分析,在LCD1602液晶显示屏里就会把这些数据清晰地显示了出来,采集到的数据若是没有达到预先控制好设定的温湿度范围,使得系统的指示灯一旦亮起,系统就会对温湿度及光照程度进行自动调整,继电器的驱动就会使得风扇或加湿器被关闭。该系统的总体工作流程框图以图4-1表示。图4-1系统总体流程图2.2温湿度控制流程图温湿度监控流程图以图4-2表示。图4-2温湿度监控流程图温湿度传感器DTH11监测棚内的温湿度，并对统计的数据结果进行了分析和汇总,把监测的空调温度和预先设定好的温度都做了比较,如果空调温度的测量值要高于预先设定好的温度值,驱动继电器打开了棚内的一个排气扇,对整个西瓜大棚空调进行了降温,如果是最低的话,再把空调所监测的空调温度和预先设定好的空调湿度都做了比较,如果是温度比预先设定好的当空调系统处理在一定时间内,由单片机带动一个相应的继电器,从而直接打开西瓜大棚的加湿器,使得西瓜大棚的空调系统湿度变大。2.3光照度控制流程图光照度监控流程图以图4-3表示。图4-3光照度监控流程图光照射强度的显示自动控制主要工作原理就是根据控制LED灯的强度显示,光照射强度自动传感器通过控制LED灯对系统屏幕中的每个光照度数据实现了自动监测,数据中的值大小会在LCD1602的32寸液晶电视显示屏上自动分别显示出来,预先在控制系统中对每个光照射强度的数值大小分别进行了自动设置,若是所能监测的数据值远远的要低于预先所能测量到的值,系统屏幕中的灯光指示灯就可能会自动发亮,提醒当时西瓜大棚农民用户西瓜大棚内的照射光线质量存在明显不足,农民用户可以根据其中的具体情况自己自行选择是否使用。这就使得需要尽可能地尽量增加棚内的室外采光率。然而,农作物的各种光合作用仍然存在着一定的白天和次日晚晨的变化规律,一般并没有办法做好这些光化学的处理。5系统功能实现与测试3.1系统功能实现3.1.1显示界面该系统一旦安装上了用户充电后,棚内的气候、湿度和太阳光照射程度就有机会在lcd1602液晶显示屏上进行实时展示,农民们就能够更加明确地通过视频观察获得各种数据。该监测监控系统对棚内空气环境中的相对温湿度与太阳能的光照程度等数据进行了实时监控,并把被检测得到的各种数值都显示在LCD1602的液晶显示屏上。若是空气中的温湿度与太阳光所能照射的强度均被控制在事前预设的范围内,则系统将持续地监测每一个环境因子。相反,如果棚内温湿度没有在预先控制好之后所设定的温度范围,系统中一个相应的指示灯就会随之有机会被自动关闭,系统就有机会自动执行各种温湿度的调节,农民也只是可以随时通过观察得到西瓜大棚内空气温湿度和其光照程度并对各种空气影响的因素进行适当调节,系统将根据需要监测到的空气温湿度及其光照程度的平均值都是可以通过直观地表现出来提供给一个负责监督管理一间西瓜大棚的工作人员,农民不必再过分担心忙于其它的工作而且没有办法能够提前及的准确地测量了一间棚内各种的环境因素,也不需要再过分担心自己所检测到的数据取得来是否正确,而且农民们的使用操作起来非常方便。温度湿度和光照程度的显示界面以图5-1表示。图5-1温度湿度及光照度显示界面图系统对周围环境的气候、湿度及其光照程度等情况进行了监测,将被检测得的数据通过LCD1602液晶显示屏进行了显示,由图5-1表示可以得知,环境的湿度为19%,温度为24℃,光照强度为1570LX。3.1.2温度湿度及光照度设置界面本系统上一共有3个按键,从左到右依次都是按照农作物的温度设定,加,减按键,农民们也就是可以根据自己和其他的农作物在不同的生长季节不同的情况和要求来选择各种影响因素的值,比如把农作物的温度设定为25℃时,当指示灯按下关闭,湿度设定为80%时,当指示灯按下关闭,光照度的值被设定为200lx时各个指示灯按下关闭,这样一来当我们监测得到的温度值已不在我们预先设定的工作范围内,各个指示灯就一定会自动地提醒给我们到了西瓜大棚的农民,让他们随时都能够对不良影响因素的数据进行调整,对于我们的西瓜大棚也就能够做到有效地控制。温度、湿度和光照度的设置界面图以5-2、图5-3、图5-4表示。图5