【基于单片机的仓库温湿度监测系统设计9700字（论文）】

系统硬件电路的设计单片机选型及电路设计单片机选型本仓库温湿度监测系统是以单片机为控制中心，因此在设计本系统的时候单片机选型就非常重要，一定要选择可靠性高、功能强大的单片机。所此本设计选用了STC8A8K64S4A12单片机，它是具备宽电压运行范围1T分频性的能宏晶公司（STC）在2016年发布的单片机，和STC15系列相比较多了12C接口，ADC额外又添加了3个引脚（AVcc、Agnd、AVref）以此提高采集的精度，不用外扩AD。宏晶公司目前主要推出的MCU系列之中也包括了STC8。STC8系列单片机是目前全世界运行速度最快的8051单片机，它的内部集成了一个增强型的双数据指针，经过程序控制可以自动增加或者减少数据指针以及在两组数据指针之间的自动切换能力。是具备非常强的抗静电和抗干扰等特性的最新的8051单片机，它有非常强的加密技术，没有任何办法去将它解密。STC8A8K64S4A12单片机的主要功能有：它是工作在2.0v~5.5V的电压下和-40℃~85℃的温度下，芯片可独自仿真，有4组PCA模块，内部有24MHz高精度的IRC和32MHz的低速IRC，因此会有误差较大的情况存在等等功能。该STC8A8K64S4A12单片机有59个引脚，有4组工作模式，所有引脚都能支持这4种工作模式。管脚图如图2所示：图SEQ图\*ARABIC2STC8A8K64S4A12管脚图主电路设计图SEQ图\*ARABIC3单片机电路原理图DHT11温湿度传感器的电路设计DHT11温度/湿度传感器是本设计使用的一个温湿度复合传感器，它检测的数据波动不大，是一个值得信赖的元器件。品质好、响应非常快、抗扰强、性价高且它是4针单排封装，连接方便这是该传感器的优点。它是以单线串行接口的方式连接的，它最大的优点是体积小和低功耗，它是电路设计中检测温湿度环境数据相对好的传感器。引脚连接如图4所示：图SEQ图\*ARABIC4DHT11引脚接线图引脚介绍：Pin1：(VDD)，电源的供应，3-5.5V工作电压Pin2：（DATA），串行数据，直接与单片机I/O口相连Pin3:（NC），空脚，悬空，不做接线端Pin4（VDD），接地端，电源负极DHT11数据发送如图5所示;图SEQ图\*ARABIC5DHT11数据发送流程图操作者发送启动信号，DHT11开始切换工作模式。主机发送开始信号并停止时，DHT11发送响应信号。DHT11的复位和响应如图6所示：图SEQ图\*ARABIC6DHT11的复位和响应主机发送信号，此时DHT11经过延时响应信号经过一定时间读出并同时发出响应信号。总线帮助高电平发送数据，第一个数据在任何情况下都是低电平。DHT11数字信号流程表示如图7所示：图SEQ图\*ARABIC7DHT11数字信号表示图在低电平时DHT11发送信息到总线，响应信息发送时，总线要提升为发送数据提前做好准备。每一个数据开始必要前提是50Us低电平，高位长度决定了数据位的电平高低。DHT11电路原理图如图8所示：图SEQ图\*ARABIC8DHT11电路原理图ESP8266WIFI模块的电路设计ESP8266WIFI模块的电路设计ESP8266WIFI模块是采用串行端单片机进行通讯，WIFI与主机通讯成功必须要有TCP/IP协议栈。要实现数据的通信，达成物联网功能是利用了ESP8266该模块在传统的串行设备上简单配置了串口。ESP8266WIFI模块的三种工作模式分别是：经过路由器连接到互联网，属于互联网对讲机通讯属于STA模式；利用ESP8266WIFI作为连接热点，主机连接到此热点通信，这属于局域网内通信的模式是AP模式；STA混合AP模式，它是以上这两种方法的混合，用户可以在局域网或者使用互联网通信。本系统采用的工作模式是利用ESP8266与手机热点相连的STA工作模式，它能将传感器监测到的数据抓取发送到手机端，更加简捷和便利。ESP8266的实物图和管脚图如图9和图10所示：图SEQ图\*ARABIC9ESP8266实物图图SEQ图\*ARABIC10ESP8266管脚图ESP8266管脚功能图如图11所示：图SEQ图\*ARABIC11ESP8266管脚功能图ESP8266特性：处理器内部有32位低功耗CPU（zdCentralProcessingUnit）。高精度ADC内置10bit。不仅能支持天线分集，而且低能耗状态消耗功率小于1.0Mw（DTTM3）。经过FCC、CE、TELEC、WIFIALLiance及SRRC认证，内置稳压器、PLL、和电源管理组件等等特性。图SEQ图\*ARABIC12单片机与ESP8266串口连接图图SEQ图\*ARABIC13ESP8266原理图手机APP远程的温湿度监控本设计是相对于仓库温湿度变化设计和开发的，手机温度/湿度的远距离监控指的是将主控机OLED显示屏上的温湿度实时数据同步到手机APP上，因此就需要制作一个能接收到该数据的相关的手机APP，来监控传感器采集到的实时数据，再加上ESP8266WIFI的无线网络通讯，就可监控到仓库温湿度变化的实时信息了。该手机APP需要通过APPinventer制作，制作的APP实物图如图14所示;图SEQ图\*ARABIC14手机APP实物图显示监测到的温湿度实时数据的手机APP原理：第一步，首先要通过单片机单总线获得传感器检测到的数值，并通过串口通讯将数据发送给ESP8266WIFI模块；第二步，相关主题的创立在巴法创客云控制台建立，待WIFI模块收到一完整的数据后，ESP8266WIFI模块将通过TCP/IP协议栈将数据传入已经建好的平台中；第三步，在APPinventer上定阅该主题，因为用来接收数据得手机APP是在APPinventer上制作的，所以要收到来自该主题的讯息的前提是要用该平台制作的手机APP订阅这个相关主题，也就是说制作的手机APP能成功接收并显示DHT11温湿度传感器采集到的数据。需要特别注意的是，要保证手机APP能成功显示数据那与ESP8266WIF相连的WIFI名称必须是自己路由器的，注意输入名称时要区分大小写，因为写错会出现连不上网络，从而导致手机APP不显示数据或显示错误数据的情况。在APPinventer制作手机APP的程序如图15和16所示：图SEQ图\*ARABIC15手机APP制作程序图1图SEQ图\*ARABIC16手机APP制作程序图2语音模块选型及电路设计选型DY-SV17FDY-SV17F是一种智能的语音元器件，集成UART串口控制、IO分段触发、标准MP3、ONE_line单总线控制等等工作模式是它七种工作模式中的几类；板载5WD类功放，可直接驱动4Ω，3~5W扬声器；可以用板载32bit（4MByte）flash存储歌曲，可以通过数据线连接到电脑下载或者将以前的旧歌曲删除。UART串口端口控制音频播放功能，控制它的播放、暂停、选歌和音量加减等功能，能选择歌曲的数量比较大有六万五千首左右。它的IO触发播报功能有两种方式，一种是IO单独触发另外一种是IO组合触发，本设计采用的是IO组合模式0，如图17所示：图SEQ图\*ARABIC17DY-SV17FIO组合模式0电路图IO组合模式可以选择播放255首曲目，以8个I/O输出电平的不同组合形式实现，它分为按键模式和电平模式，如表1所示：表SEQ表\*ARABIC1DY-SV17F模式模式说明按键按键模式是触发低电平后电平释放，按键按下则播放指定的歌曲，播放一次后停止，要在中途播放新的歌曲；则重新拨动按键，播放结束停止；若按键长按不放开，则连续反复播放指定的歌曲，有新的组合或按键播放新歌曲。电平电平触发模式就是电平不释放，触发特定的歌曲，循环播放特定的歌曲，直至电平释放；在播放途中要立刻停止播放的歌曲，就断开电平；若有其他电平触发，则播放新曲目，有新的组合或按键播放新曲目。图SEQ图\*ARABIC18DY-SV17F实物图图SEQ图\*ARABIC19DY-SV17F引脚图引脚定义如图20所示：图SEQ图\*ARABIC20DY-SV17F引脚功能图IO输入输出特性如表2、表3所示:表SEQ表\*ARABIC2IO输入特性符号参数最小最大单位VIL低电平输入00.8VVIH高电平输入2.73.3V表SEQ表\*ARABIC3IO输出特性VOL低电平输出00.33VVOH高电平输出2.73.3V该设计的语音模块需要语音合成软件将需要用到的音乐导入该芯片中，该芯片的曲目选择控制如图21所示：图SEQ图\*ARABIC21IO组合模式曲目选择控制图电路设计图SEQ图\*ARABIC22DY-SV17F电路设计图液晶显示屏电路及选型选型OLED本设计经过对比最终选用OLED液晶显示屏，该芯片具有很多优势，比如它的厚度小于1毫米，相对于LCD显示屏它更轻。OLED它基本都是固态的，没有一点液体，所以抗摔很强；可视角度的问题在OLED显示屏上并不存在，也就是说即使在范围很大的地方，它也能观看无死角并且画面清晰不失真；OLED适应能力性很强，不同类型材料的基板上也可以制作它，且弯曲能力也很强，可以根据要求形成不同程度上弯曲的、柔软的显示器，可塑性较强；和LCD相比较，响应时间OLED快了近千分之一，LCD会存在让人头疼的拖影问题，让用户体验非常不好，然而OLED并没有存在这方面的问题，极大的提升了用户体验；OLED制作过程较简单，成本低廉，相对LCD而言，OLED能耗要低很多；并且，OLED在温度很低的情况下依然能正常显示，而LCD并不能做到。从当前的发展来看，很多人将OLED看作是新一代显示器，前景较好，具有轻薄、柔软、能卷曲、省电等诸多优点，并且它的通信接口非常简单，只有4个引脚，和LCD1602显示屏相比较减少了11个引脚。在同等的条件下，很显然OLED效果要好很多。OLED模块接口定义：IIC接口模块GND电源地VCC电源正（3~5.5V）SCLOLED的D0脚，在IIC通信是时钟引脚SDAOLED的D1脚，在IIC通信是数据引脚电路设计图SEQ图\*ARABIC23OLED实物图图SEQ图\*ARABIC24OLED电路原理图将OLEDSCL引脚和SDA引脚分别连接到STC8A8K64S4A12单片机的P36和P35上，OLED要进行数据传输需要单片机通过IIC标准协议传输数据，并将从DHT11采集到的数据通过OLED进行显示，同时将设置的一些参数一同显示，比如温湿度上下限、时间等。供电电源模块设计STC8A8K64S4A12单片机在2.0V-5.5V电压下工作，OLED显示屏工作在3.3V-5.0V电压下，ESP8266芯片作为一个成本低廉的无线设施，它工作在3V-3.6V电压下，通过STC8A8K64S4A12单片机5V转3.3V，所以ESP8266芯片可在5V供电的电路上进行工作，让整个系统整体运行。系统软件程序设计主程序设计本设计采用的软件开发系统是一个程序编译方便的KeilC51软件。它有许多的可取之处，例如，它是多功能的，它不仅提供了C编译器、宏汇编、链接器等，其中包含了库管理和功能性强大的模拟器。这些功能非常多样化，因为所有这些部分都是通过集成开发环境进行组合的。目前，宏处理器的编程主要由keil软件完成。Keil不但支持C语言，还支持汇编语言。如果我们使用C编程，keil软件无疑是我们最好也是最优的选择。Keil它的功能非常满足本次的设计，结合了以上总结的整体权重，因此将keil软件选作本次设计的开发工具之一。本系统最重要的部分是DHT11温度/湿度传感器数据的采集并且能成功在OLED显示屏上显示监测到的实时数据和通过ESP8266WIFI模块经过一系列的数据处理在手机APP上显示，实现数据的可视化。设立一个温湿度上下限的标准值，当采集的数据大于或者小于设置的标准值时，该仓库温湿度监测系统的报警系统中警报开始响应，警报响起，直至将问题解决。流程图如图25所示：图SEQ图\*ARABIC25主程序流程图中断程序设计当按键发送指令时，主程序暂时停止运作，跳转到对应的中断按键程序，根据操作的按键的作用，转换系统的配置模式或者记录配置的参数，当与按键相对应的中断程序运行结束后，在跳转回原来的主程序。无线程序设计价格便宜、比较全能的WIFI的芯片说的就是ESP8266芯片，本设计采用的ESP8266WIFI模块用的是Arduino软件开发编程。适应性强简捷、简单容易上手的开源电子原型平台说的就是Arduino软件，是可以用它来开发交互式的智能产品的软件之一。它有很多不同功能的硬件（各种类型、型号的Arduino板）和软件（ArduinoIDE）。ArduinoIDE编程氛围是开源的，可以包含很多种的操作系统。操作者可以通过ArduinoIDE的开发环境编写所需要的程序，再把它的程序开发环境中的代码编译成二进制文件，通过数据线将编译好的文件烧录进ESP8266WIFI芯片中。ESP8266WIFI模块将单片机传输过来的数据传入已经建好的巴法云平台中，然后在建立一个专门接收该数据的手机APP，具体流程图如下所示：图SEQ图\*ARABIC26ESP8266WIFI模块程序流程图系统实现和测试系统的实现在制作仓库温湿度监测系统的过程中，原理图设计这一块是重中之重，可以说该设计的完成与否，与原理图息息相关。因此在进行原理图设计的时候翻阅了大量的资料，和同学咨询相关的知识并且上网查阅了每个元器件相关的原理，通过在面包板上反复试验，最终确定了该设计所用到的元器件及原理图，原理图如图27所示;图SEQ图\*ARABIC27原理图电路原理图画好之后，对原理图进行检测是否连接无误，在保证没有问题之后，植入PCB进行排版布线，之后通过转印机打印，进行电路的焊接工作。PCB图如图28所示：图SEQ图\*ARABIC28PCB图焊接好电路之后，为了保证每个模块都能正常运行需要对焊好的实物进行供电检查，如果不能就用万用表检查电路是否存在断路问题，检查出问题，改正之后在上电。上电实物图如图29所示：图SEQ图\*ARABIC29上电实物图系统测试本设计所用到的元器件基本都是从网上购买的，在进行原理图设计的时候，尤其要注意到元器件的封装问题。在制作语音模块报警的时候，由于选用的语音报警元器件在原理图设计软件AltiumDesigner没有该元器件的封装需要自己根据该元器件的特性和形状进行设计和封装。并且该设计所用到的元器件要和我自己绘制的PCB图符合，元器件要一一对应，如果不相对应的话在上电测验的时候会出现数据不准确或者电路短路等问题。对于每个模块功能的检验，我在本次设计中都是先利用面包板对他们进行调试，确定没问题之后在进行之后的步骤。使用面包板的好处又很多，比如对PCB上的焊盘起到了很大的保护作用，避免了因为多次拆卸导致焊盘掉落问题，也极大的规避了PCB接触不良、电路不美观等问题。另外，使用面包板可以让元器件容易拆卸，当元器件出现问题的时候，或者在对整机上某个元器件的某个功能进行功能调试时，拆卸比较容易方便、简单。PCB板是我本设计我采用的板子，由于洞洞板制作过程较麻烦，而且也不太美观，在元器件安装、电路焊接的时候也容易发生各种问题，所以我通过学校实验室的转印机对铜板进行的转印、腐蚀和打孔。在对铜板进行转印的时候经常会出现断线问题，所以在腐蚀之前，需要把断线的地方链接起来，在焊接元器件的时候也要注意电烙铁不能再焊盘上停留太长的时间，避免电烙铁将板子弄坏。在硬件部分和软件部分都检查确认没问题之后，对该系统进行程序烧录和调试。对该电路进行供电，电源开关打开后目前室内的温度和湿度能在OLED显示屏成功显示，并显示设置的温湿度上下限还有时间，温湿度上下限标准值和时间可以利用按键进行适当的调节，当室温和湿度超过或者低于我设置的标准值时，警报开始报警。另一边，ESP8266WIFI模块将所获取到的温湿度数据，通过一系列传输传到巴法云平台，最后在传到手机APP，在手机APP上显示实时的温湿度，远程监控仓库的温湿度变化。结论通过本设计的选题，我查阅、收集资料，设计并制作了该仓库温湿度监测系统的方案，经过各种元器件的比对，完成硬件方面的选型；查阅资料，完成软件代码的书写，最后成品调试。在这个过程中以前从来没有遇到过的问题我也遇到很多，在选题确定后的不知所措，到后来的元器件的选型，一步一步跟进，最终将本设计如期完成，并实现了以下的功能：（1）DHT11温湿度传感器成功检测到当前温湿度数据，单片机通过单总线获取数值，并通过串口将数据分别发送给OLED显示屏和ESP8266WIFI模块。（2）在OLED显示屏上能成功显示传感器检测到的实时温度和湿度的数值，并且成功显示设置的各种参数值；并且能用按键修改所设置的参数值，不需要在电脑上手动修改；（3）当检测到的温湿度数值大于或者小于所设定的标准值时，语音模块开始响应，报警声想起，直至解决问题，报警声停止。（4）在手机APP上成功显示实时的温湿度，通过ESP8266WIFI模块将数据通过一系列的传输。总结本仓库温湿度监测系统的设计是在STC8A8K64SA12单片机的基础上设计的，该设计主要由单片机STC8A8K64SA12、DHT11温湿度传感器、DY-SV17F语音模块、ESP8266WIFI手机APP模块、OLED显示屏等模块构成。在开始设计前，我查阅大量的资料及文献、去和同学咨询和沟通，一步步了解到本设计的要点所在及本设计所用到的单片机原理和应用。在完成此次设计的过程中，关于ESP8266WIFI模块的应用遇到的问题最多也更棘手，在这个模块的时间相对于其他模块花费的时间更多，因为是一次接触这种类型的芯片，而且它是用其他类型的编程软件和我们平时用的差别很大，在前期准备中，也着重的去学习和查阅关于这个芯片的资料，经过和同学的不段探索，终于将WIFI模块成功加入到此次设计中并且成功显示数据。本设计的优点在于在很大程度上为仓库温湿度的监测节省了人力物力一定程度上保证了工作在储存易爆品的仓库工作人员的生命安全，并且可以进行远程监控，很大程度上提高了便捷性和准确性。此次的设计对我来说是有很大的挑战性的，其中有些部分在平时学习过程中并没有涉及到，对我来说很陌生，需要自己去摸索学习，在这个过程中我自己也有了很大的提升和质的飞跃。参考文献[1]桂玲.基于AD9852和单片机的频率合成器设计[J].现代电子技术，2012（15）[2]刘守义，杨宏丽，王静霞.单片机应用技术[M].西安电子科技大学出版社，2002.[3]吴卓葵，张文峰.基于WIFI的生鲜农产品仓库储存温湿度监测系统设计[J].测控技术，2015，34（5）：2