【基于STC89C52单片机的土壤温湿度检测系统设计6200字（论文）】

基于STC89C52单片机的土壤温湿度检测系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u32552第一章绪论 21131.1课题研究背景 2253671.2发展概况 2300371.3课题研究主要内容 21785第二章系统的整体方案设计 3215402.1系统设计总目标框架 353212.2设备总体框图 338682.3主要元器件的选择 434112.3.1控制器的选择方案 495462.3.2显示电路的选择方案 4222682.3.3无线通讯模块 4210第三章系统硬件电路设计 68963.1上位机控制电路设计方案 610463.2下位机控制电路设计 733053.3显示电路设计 795683.4报警电路设计 828383.5继电器模块 9135213.6温度采集电路设计 10119033.7电源电路设计 101673第四章软件设计及实现方案 12292144.1设计的软件环境 12193154.2下位机程序设计 14178324.3上位机程序设计 14299814.3显示程序设计 1514965第五章系统的测试与分析 1695885.1系统测试的步骤 16206865.2设备硬件测试 16290395.3设备软件测试 18124035.4系统结果测试 1913792第六章总结 20摘要科学技术在随着时间推进而发展着，电子设备在生活中占据了越来越重要的地位。单片机设备在众多领域中都存在着。单片机设备的出现为人类生产生活提供了便利，单片机设备对生活中有重要影响。本次设计首先介绍了设计背景，接着说明系统的整体方案，该系统以STC89C52单片机为核心。系统设备主要分成上位机和下位机。上位机由土壤温湿度传感器，微控制器和无线传输模块组成。下位机由无线传输模块，微控制器，显示模块，报警模块，继电器模块组成。最后进行系统设备的程序编写，最终完成实现系统的总体功能。本次设计温度误差控制在±0.2℃，湿度误差控制在±0.2％，实现了系统通过检测土壤的温湿度，实现数据的无线传输，并且实现自动控制土壤湿度；当湿度过低可以实现报警。关键词：无线通信；温湿度检测；ZigBee；第一章绪论1.1课题研究背景人类社会发展阶段至今，人类对水的需求量随着人口的增加日渐增大[1]。人类的生产生活离不开水，水资源作为地球上最丰富的资源，虽然地球上水资源丰富，但是并不是所有的水资源都可被人类使用，可供人类使用的淡水资源相当匮乏[2]。我国是个人口大国，于此同时也带来了水资源不足的问题。我国人均水资源的可供使用率均低于世界平均水平，然而，因为中国人口众多，所以中国是世界上最大的用水量国之一。面对水资源急缺的情况，我们该如何解决？为了解决这个问题，一般采取的办法一是开源；二是节流。开源指的是开发另外一种新能源代替水资源，但是现如今依靠技术还不能找到另外一种资源来代替[2]。节流指的是节约资源提高资源的利用效率[4]。占据的我国用水的绝大部分是农业用水，但是，我国的农业水利用率低于世界平均水平，所以提高农业用水的利用率就较为关键[5]。1.2发展概况在现代农业中，无线土壤温湿度检测越来越受到普及，相较于传统农业中的人工检测，它不仅效率高，还能实时掌握土壤的温湿度，减轻了成本，更有利于农作物的发展。它将单片机技术、通信技术和传感器技术巧妙地结合在一起。21世纪的农业发展情况是发展信息农业，我国是个农业大国，发展无线信息技术在农业领域中的应用，对提高我国农业生产的管理水平、推进我国农业产业化和现代化进程起着重大的作用[7]。将单片机与无线传输技术应用于现代农业，更加积极有效地采集了农业信息，使我们能及时制定完善的决策计划[8]。检测土壤温湿度的技术逐渐成熟，现在逐渐从有线灌溉变成无线灌溉，省去了大面积的布线[9]。1.3课题研究主要内容研究系统基于STC89C52单片机。主要由无线ZIGBEE模块、土壤湿度传感器模块、温度检测模块模块、数据显示模块，继电器部分组成。系统通过检测土壤的温湿度实现数据的无线传输，并且实现自动控制土壤湿度[9]。当湿度过低可以实现报警硬件部分主要是利用AD10这个软件制作电路图，采用C语言实现系统程序的编写，最后完成整体功能。单片机：负责数据的采集与处理，实现土壤温湿度的采集，然后通过单片机控制实现数据的显示与传输；无线ZigBee模块：负责数据的接收与发送，实现数据的无线传输；土壤温湿度检测:负责收集土壤的温度将采集的温湿度进行显示；显示模块：实现土壤的温度、湿度的显示；继电器模块：实现土壤湿度的控制。报警模块：当湿度过低，设备可以自动发出声音、响起警报。第二章系统的整体方案设计2.1系统设计总目标框架本次设计主要分为三部分：硬件设计，软件编写和最后的设备测试。硬件总体设计方案：确立系统的整体功能肯定是第一步，然后选出相应的硬件，并画出电路图。按照系统的功能购买元器件并进行组装。以上部分是完成硬件设备的步骤[10]。软件总体设计方案：软件部分是从整体出发，首先选择一个主函数作为系统整体的核心支柱，能对设备的每一个模块、每一个子程序相应的功能函数进行整体地调节。其次，在为每一个模块选择了相应的功能函数后，要进行一步一步的调试，最后判断是否达到预期功能并了解设备软件整体与局部的函数功能。（直到使设备能完成我们既定的工作为止）设备的调试：硬件电路是否能正常工作肯定是测试的第一步，其次测试软件部分是否正常输出。2.2设备总体框图系统基于STC89C52单片机，主要由无线ZIGBEE模块、土壤湿度传感器模块、温度检测模块、数据显示模块，继电器部分组成。系统通过检测土壤的温湿度，实现数据的无线传输，并且实现自动控制土壤湿度。当湿度过低可以自动报警。系统总体设计思路框图如下图2-1所示。（设备整体思路图）图2-1系统总体思路框图2.3主要元器件的选择2.3.1控制器的选择方案选择方案1:PIC单片机，它主要应用在工业中，工业应用中对单片机的性能要求很高。工业现场环境复杂，存在许多不确定因素，这对单片机的抗干扰稳定性提出了非常高的要求，这就造成了PIC单片机的成本相对较高的局面[12]。选择方案2:STC单片机操作简单易懂，处理速度快，性价比高。本次设计采用STC单片机进行设备的开发，单片机参考资料多，比较容易对其了解并掌握其功能。2.3.2显示电路的选择方案选择方案1：选择使用LED组成的数码管来显示[13]。数码管的主要优点在于成本低廉，并且所显示的数据可调节明暗程度。缺点是显示数据量比较少，所以只能应用在简单场合。选择方案2：LCD1602液晶显示器是被广泛使用的一种字符型液晶显示模块。LCD1602与单片机的接口方式相对简单，两者通过并行的方式来让设备驱动显示，方便我们看到刷新率。在一些较为简单的设备选择LCD1602来作为显示是比较划算的。选择方案3：用LCD12864作为显示模块，LCD12864可以说是LCD1602的一个升级版本，其显示的字体更大，可显示的内容更加多样化，在一些复杂的系统中也可以流畅地运作。缺点是LCD12864的价格较高。综上来说，显示模块选择LCD1602显示器，方便快捷，可以降低系统设备的成本，便于观察。2.3.3无线通讯模块ZigBee是一种距离短、功耗低、简单、数据速率低、成本低的无线通信技术[14]。可用于农业领域实现对农作物生长环境的实时监测和数据传输。ZigBee无线传输模块属于物联网无线数据终端，具有低功耗、高稳定性、高可靠性、使用方便等特点。供电就能够进行工作进入数据传输模式 [15]。本次设计通过串口传输数据通过进入，ZigBee模块将数据发送与接收。如图2-2所示。图2-2ZigBee协议栈体系结构图2-3ZIGBEE模块实物图2-4ZigBee电路图第三章系统硬件电路设计3.1上位机控制电路设计方案本系统的核心控制器为STC89C52单片机[16]。其具有40个不同功能和定义的引脚。其中，第9引脚为RST引脚，它是为了实现单片机的复位而设计的。第10引脚设计的是复用引脚，其最主要的是UART引脚，也就是串口的数据读取引脚。单片机的第11引脚是串口的数据输出引脚，它是为了使我们能实现下载程序而设计的。单片机的第1引脚到单片机的第8个引脚是单片机的P1接口，它是使我们实习输入输出功能的关键，其分别对应单片机的P1.0引脚到单片机的P1.7引脚。系统中单片机I/O口拥有如下几个端口：P1端口，是LCD1602的数据输入关联装置，将连接到LCD1602的DB端[17]。P2.5端口、P2.6端口和P2.7端口，又分别与LCD1602的E端、RS端和RW端相连，这几者相连，共同构成系统的总体控制模块。P10端口与蜂鸣器相连。端口P11与继电器相连。本系统设备选择是11.0592M的晶振，确保使用UART接口时候可以得到准确的通讯波特率[18]。单片机的引脚图如下图3-1所示。图3-1上位机电路图3.2下位机控制电路设计微控制器选择功耗低、性能好的STC89C52单片机。P15端口与温度传感器DS18B20的DQ端进行数字连接。无线传输模块的RXD、TXD引脚与单片机相连。单片机电路图如图3-2所示。图3-2下位机电路图3.3显示电路设计本系统选用LCD1602液晶显示器。液晶显示器的８位数据端D1-D7由单片机的P0口控制，LCD1602的3个引脚E引脚、R/W引脚、RS引脚分别与单片机的P2.5、P2.6、P2.7三个引脚相连。LCD1602的引脚功能说明如下图3-3。图3-3LCD1602引脚图LCD1602的电路原理图如图3-4所示图3-4LCD602液晶电路图如上图电路图所示，为了调节LCD1602的对比度，我设计了一个10K的可调电阻PR1，其具有调节的作用。背光灯直接接入5V与GND之间，实现上电屏幕的背光屏幕常亮。3.4报警电路设计此设备中采用的是有源蜂鸣器，有源蜂鸣器中有内部的震荡源，一旦蜂鸣器通电，会发出连续的鸣叫声音。我还设计了一个控制开关三极管9012，它的存在可以在设备通电时，确保蜂鸣器可以在需要时发出声音、提醒报警。电路图如图3-5所示。图3-5报警电路3.5继电器模块继电器是一种电控制器件。该模块由PNP型三极管和继电器及水泵组成，单片机P11口控制三极管基极。当系统湿度低于设定湿度时，P11输出为0，继电器得电，常开触点吸合，电动机回路接通，执行工作。当湿度高于上限湿度时，P11输出为1，继电器失电，常开触点复位，电动机回路断开，结束工作。电路图如图3-6所示。3-6继电器控制电路3.6温度采集电路设计DS18B20温湿度传感器是我觉得为此最合适的设计，其工作格式为单总线数据通讯，优具有占用面积小，使用简便，能及时对温湿度的变化做出反应，成本相对较低，测量精度较高。因此我们选择了DS18B20作为系统中的温湿度测量感知模块。温湿度度传感器DS18B20的VDD引脚接外部电源，GND引脚与单片机共同接地，DQ引脚接单片机的P15引脚，其中设计了一个10K的上拉电阻，使总线在空闲时也可以保持在高电平状态。DS18B20数据温度传感器和单片机一起配合，共同完成测量温度的作用。电路连接图如下图3-7所示。图3-7温度采集电路3.7电源电路设计该电路输出220V交流电，经过变压，整流，滤波，稳压后输出稳定的5V直流电。设计原理如下图3-8所示。图3-8电源电路原理图降压变压器将220V交流电压降陈所需的5V交流电压并传输给整流电路。通过变压器次级线圈电流平均值等于I1，但通过次级线圈的有效值I2要比I1大，I2和I1的关系决定电流脉冲波形的形状。一般取I2≈(1.1~3)I1，I2=1.5I1=1.5A。整流电路是将交流降压电压变成脉动直流电压，在经过滤波电路滤除大的纹波，输出纹波小的直流电压。整流电路主要由整流二极管组成。流过每个二极管的直流电流ID=1/2I1=0.5A有载时的直流输出电压：U01=1.2U2所以变压器次级线圈有效值：U2≈U01/1.2=5/1.2≈4.2V每个二极管承受的最大反向电压:U反=

√2U2=

√2*4.2≈6V滤波电路的作用是滤去整流输出电压中的纹波，从而得到较为平滑的直流电压。可选放电时间常数RLC大于C的充电周期(3~5)倍,C的充电周期等于交流电网周期的一半，即T=1/f=1/50Hz=0.02s；RLC≥（3~5）T/2；RL=U1/I1=5Ω，取RLC=4*T/2，则C=2T/RL=0.04/5=0.008F；电容耐压Vc=√2U2=1.414*4.2V，取C=0.01F/5V。稳压电路是使输出的直流电压稳定且不随交流电电压和负载的变化而变化。此电源设计选用固定式三端稳压器。选用W7805三端正电源输出稳定的+5V电压，对于W7805，1端为输入端，2端为公共端，3端为输出端。Ci、C0是实现频率补偿，反之稳压器产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰。直流稳压电路图如图3-9所示。图3-9直流稳压电路图第四章软件设计及实现方案4.1设计的软件环境在编写程序时，首先建立一个新工程，接着用C语言程序写出代码。新工程文件的建立如下图4-1所示。图4-1新建工程界面图完成新文件的建立后，（接下来就可以对我们所需的程序进行编写了）要对程序进行编写了，具体的编写界面如下图4-2所示。图4-2编写程序界面我们根据自己所需的功能，确立编写一个主函数，围绕着这个主函数，再设计编写对应功能的子函数，最后，运用软件对这个程序进行模拟及调整编译程序的界面如下图4-3所示。图4-3编译界面程序编译成功，软件会自动生成一个可执行的HEX文件。此时，我们使用下载好的STC软件，将在keil软件编译好的可执行文件下载到单片机中。图4-4HEX文件下载界面程序安装完之后，单片机系统会重新启动，此时我们就可以使用我们编写好的主函数程序，来执行我们设定的指令，使用我们设定的功能。4.2下位机程序设计下位机是进行数据采集工作，流程图如下图4-5所示。图4-5下位机程序设计4.3上位机程序设计上位机进行数据的接收工作。数据进行接收后，进行数据校验，校验不通过接着循环，校验通过接着进行数据显示，若显示值超过设定范围，则设备报警，继电器进行工作；若显示值在范围之内，则接着进行循环。

图4-6上位机程序设计4.3显示程序设计LCD1602显示流程图如图4-7所示。首先，我们先对LCD1602显示程序进行设定了引脚与数据寄存器的初始化设置。然后，我们的设备会根据我们之前所写入的函数，显示出我们需要的整体参数与数据。图4-7LCD1602显示流程图第五章系统的测试与分析5.1系统测试的步骤1.在系统测试之前，我们需要对系统硬件进行测试，确定符合电路图的要求，以及测试是否有短路，虚焊等情况。若有，根据问题发生的情况去解决问题。2．对系统软件部分进行测试时，要保证代码正确，在通过添加子程序进行分步骤测试，直到实现预期的功能。通过测量温度温度测量数值为11摄氏度，通过其他温度传感器测量为11.5摄氏度，温度误差在0.5摄氏度左右。通过测量温湿度测量数值为33摄氏度，通过其他温度传感器测量为34摄氏度，温度误差在1摄氏度左右。将两个板子距离在20米无遮挡处，数据可以正常传输，则传输距离大于20米。5.2设备硬件测试设备的硬件测试首先用万用表进行测试，目的是查看VCC与GND是否存在短路情况，测试结果如图5-1所示，图5-1VCC与GND测量结果当我们确定了VCC与GND运行正常的时候，紧接着测试线路的开关状况。测试如图5-2所示，蜂鸣器报警。图5-2连通线测量结果完成系统的整体测试后，显示结果正常，系统整体测试效果如图5-3所示；图5-3设备正常运行图5.3设备软件测试设备在编写程序的后运行出错，错在了显示部分程序，将驱动程序的RS与RW引脚与设备硬件定义反向，这样在上电测试时候发现显示不出内容，显示错误的程序图片如图5-4所示；图5-4显示错误程序图在查找问题后解决，正常显示程序如图5-5所示；图5-5显示正确程序图系统程序的测试显示，设备完全能符合我们的预期目标，可以完成我们既定的功能任