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-毕业设计（论文）-基于单片机的智能温室温湿度控制系统的-第 32 页基于单片机的智能温室温湿度控制系统的设计摘要：在农业生产中，温室大棚的应用越来越广泛，为人们创造了更高的经济效益。在温室大棚中，最关键的是温湿度控制方法。传统的温湿度控制方法完全是人工的，不仅费时费力，而且效率低。本文旨在论述一种温室大棚温湿度控制系统的设计，该系统主要由单片机AT89S52、温湿度传感器DHT11、无线通信模块nRF2401、液晶显示LCD1602等组成。采用温湿度传感器DHT11来测量温湿度，它的精确度高，而且DHT11直接是输出数字信号，可直接与单片机相连。通过无线传感器nRF2401来进行信号传送，这样能够降低布线的麻烦。显示部分使用的是LCD1602来显示温湿度。本系统的核心是单片机AT89S52，接收传感器所测的数据并处理，然后执行各种操作。本系统智能度高，可靠性高，系统工作稳定，且综合性价比较高，具有较大的市场应用前景。关键词：单片机，温湿度控制系统，温湿度传感器DHT11，LCD显示，无线模块nRF2401Design of temperature and SCMAbstract :In agricultural production, more and more extensive application in the greenhouse, create more economic benefits for the people. In the greenhouse, the most critical is the temperature and is be directly connected with the single-chip microcomputer. Through the NRF2401 to transmit signals, it can reduce the trouble of wiring. The display part is using LCD1602 to display the temperature and perform various operations. The system of is stable, and the , Temperature and ×4 mm封装9供电电压为1.9 V3.6 V引脚说明图3.12 nRF24L01nRF24L01引脚排列如图3.12所示。各引脚功能如下：CE：使能发射或接收；CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01；IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端；VSS：电源地；XC2，XC1：晶体振荡器引脚；VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V；ANT1,ANT2：天线接口。工作模式通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3.2所示：表3.2 工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO 寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX_FIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0-待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。工作原理图3.13 电路原理图发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式219。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。图3.14 单片机与nRF24L01连接图配置字SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mbs，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU20。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表3.3所示：表3.3 配置寄存器地址（H）寄存器名称功能00CONFIG设置24L01工作模式01EN_AA  设置接收通道及自动应答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数07STATUS状态寄存器，用来判定工作状态0A0FRX_ADDR_P0P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收接点地址1116RX_PW_P0P5设置接收通道的有效数据宽度3.4 液晶显示装置设计液晶简介1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它有若干个5x7或者5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此，他不能显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）1602LCD是指显示的内容为16x2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶23。1602LCD主要技术参数：显示容量：16×2个字符芯片工作电压：4.5-5.5V工作电流：2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm图3.15 1602LCD引脚图引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。液晶显示原理读写操作时序如图3.16和图3.17所示：图3.16 读操作时序图3.17 写操作时序3.5 报警系统设计本系统采用红LED灯作为光报警提示，当系统检测到的数据不符合给定的要求时，现场为红灯报警提示；本系统采用蜂鸣器作为声报警提示，当系统检测到的数据符合给定的要求时，现场没有蜂鸣器报警提示；当系统检测到的数据不符合给定的要求时，现场蜂鸣器报警提示。如图3.18：图3.18 报警系统电路图4 系统软件设计本系统软件系统设计包括：系统初始化模块，数据采集模块，无线模块，1602LCD显示模块，报警模块。系统软件总体流程图如图4.1：图4.1 系统流程图4.1 系统初始化模块系统初始化模块的主要功能是完成系统的初始化以及设定系统的工作状态，初始化部分包括以下方面的内容：1.单片机初始化以及各种引脚定义2.1602液晶初始化及工作方式3.系统进入正常工作状态4.2 数据采集模块温湿度检测模块是本系统中的核心模块之一，它负责完成温度和湿度的测量及模拟量转换为数字量的全过程，这也是它为什么重要的原因。数字式温湿度传感器DHT11直接把检测到的模拟量转化为数字量送给单片机，在经过单片机的处理，把温湿度值显示在1602液晶上。温湿度传感器的精确度值直接影响到整个系统的检测与控制，所以本系统采用数字式温湿度传感器DHT11采集温室内的温湿度25。温湿度判断控制模块也是系统的核心模块之一，所谓判断控制模块，就是对当前温室内的实际温湿度与给定的温湿度范围进行比较，先进行判断，然后再进行控制，控制模块是决定系统将要进行什么工作的。如温度和湿度高于上限时或低于下限时需要进行启动警报，并且将温湿度结果以无线进行通信等。温湿度传感器程序流程图如图4.2所示：图4.2 温湿度传感器程序流程图4.3 无线模块无线发射模块部分首先进行初始化操作，初始化包括设置单片机IO和SPI相关寄存器两部分其可以和nRF24L01通信。通过SPI总线配置射频芯片使其进入正确的工作模式。发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式26。接着把发送端待发射数据的目标地址TX-ADDR和数据TX-PLD写入nRF24L01缓冲区，延时后发射数据，其流程图如图4.3所示：图4.3 无线发射软件流程图无线接收模块部分接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式。接着延迟进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效地址和CRC时，就将数据包储存在接收堆栈中，同时状态寄存器中的中断标志位RX-DR置高，产生中断使IRQ引脚变为低电平，以便通知MCU去取数据，其流程图如图4.4所示：图4.4 无线接收软件流程图4.4 显示模块本系统采用1602液晶显示温湿度值，当系统刚开始上电时1602液晶不显示任何数据，等待AM2301的监测数据，双行显示在1602液晶上。第一行显示：TRH RH:-%，第二行显示：TRH T:-。C。 否图4.5 显示流程图4.5 报警模块报警模块具备两项功能，即为报警灯和声音报警。报警灯模块是完成LED有规律的转换，以便从视觉上提醒用户。LED是由单片机控制LED灯组成的，其转换规律为：1.系统温湿度值在给定的范围时，LED不亮。2.系统温湿度值超出给定的范围时，红色LED亮。在LED灯转换的同时，声音报警也会同时启动，可采用延时的方式来延长声音报警的声音。警报灯由1个LED灯组成，一共需要1根数据线，使用单片机AT89S52控制。要实现的功能是使LED灯有规律亮与熄灭，当系统上电后，系统进行实时的采样，并判断出当前温湿度与给定温湿度之间的差异，如果当前温湿度低于用户给定的下限温湿度值，则说明当前温湿度过低，系统自动启动红色警报灯，直至温湿度值升到适合范围时警报灯熄灭。反之，如果当前温湿度高于用户设定的上限温湿度值，则说明当前温湿度过高，系统也会自动启动警报灯，直至温湿度值降到适当范围时警报灯熄灭。5 硬件调试 使用AT89S52单片机为控制核心芯片，DHT11温湿度传感器为空气温湿度检测模块，nRF24L01无线模块进行数据传输，进行数据的实时显示。在单片机开发板上连接好电路进行调试：图5.1 正常室温中温湿度检测结果（湿度：22%，温度：31。C）图5.2 使用热水进行高温加热，查看其温湿度变化图5.3 不断的进行使用热水加热，当温度超过其范围时报警，LED等同时亮图5.4 当温度上升到超过适当范围时检测的温湿度值图5.5 显示为无线模块NRF24L01，温度超过正常范围时进行数据的无线发送与接收图5.6 温湿度数据接收板图5.7 无线模块接收发送的数据后经单片机处理后在显示屏上显示的结果结论到此智能温室温湿度控制系统的设计已经完成了，在这段时间里，先后完成了资料的收集、设计方案的拟订、画图等多方面的工作。首先，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，其次，我也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。 本系统主要根据目前温室大棚技术的发展趋势和国内实际的应用特点和要求，采用了自动化的结构形式，实现对空气温湿度的自动检测和控制。 系统以单片机AT89S52为核心部件，单片机系统完成对温湿度信号的采集、处理、显示等功能。该系统的主要特点是:1.适用性强，用户只需对参数进行设置并启动系统正常运行便可实现对温室温湿度的实时监控。2.实现无线信号传输。 3.可对作物的生产环境进行适时、适当的控制，不仅有利于作物的生长发育，而且避免了了资源的浪费，起到了提高作物产量的作用。附录发送部分程序#include <reg52.)；void StartUART( void )；void init_NRF24L01(void)；uint SPI_RW(uint uchar)；uchar SPI_Read(uchar reg)；void SetRX_Mode(void)；uint SPI_RW_Reg(uchar reg, uchar value)；uint SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)；uint SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)；unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf)；void nRF24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf)；void read_TRH()；char receive()；*长延时*void Delay(unsigned int s)unsigned int i；for(i=0；i<s；i+)；for(i=0；i<s；i+)；void delay_ms(unsigned char ms) unsigned char i；while(ms-) for(i = 0; i< 150; i+) _nop_()；_nop_()；_nop_()；_nop_()；5us级延时程序void delay_us() unsigned char i；i-；i-；i-；i-；i-；i-；uint bdata sta； 状态标志sbitRX_DR=sta6；sbit TX_DS=sta5；sbit MAX_RT=sta4；*延时函数void inerDelay_us(unsigned char n)for(；n>0；n-)_nop_()；*NRF24L01初始化void init_NRF24L01(void) inerDelay_us(100)； CE=0； chip enable CSN=1； Spi disable SCK=0； Spi clock line init set SCK low again return(uchar)； return read uchar*函数：uchar SPI_Read(uchar reg)*功能：NRF24L01的SPI时序uchar SPI_Read(uchar reg)uchar reg_val；CSN = 0； CSN low, initialize SPI communication.SPI_RW(reg)； Select register to read from.reg_val = SPI_RW(0)； .then read registervalueCSN = 1； CSN return(reg_val)； return register value*功能：NRF24L01读写寄存器函数uint SPI_RW_Reg(uchar reg, uchar value)uint status；CSN = 0； CSN low, init SPI transactionstatus = SPI_RW(reg)； select registerSPI_RW(value)； .and write value to it.CSN = 1； CSN return(status)； return nRF24L01 status uchar*函数：uint SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)*功能: 用于读数据，reg：为寄存器地址，pBuf：为待读出数据地址，uchars：读出数据的个数uint SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)uint status,uchar_ctr；CSN = 0； Set CSN low, init SPI tranactionstatus = SPI_RW(reg)； Select register to write to and read status ucharfor(uchar_ctr=0;uchar_ctr<uchars;uchar_ctr+) pBufuchar_ctr = SPI_RW(0)； CSN = 1； return(status)； return nRF24L01 status uchar*函数：uint SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)*功能: 用于写数据：为寄存器地址，pBuf：为待写入数据地址，uchars：写入数据的个数uint SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)uint status,uchar_ctr；CSN = 0； SPI使能 status = SPI_RW(reg)； for(uchar_ctr=0; uchar_ctr<uchars; uchar_ctr+) SPI_RW(*pBuf+)；CSN = 1； 关闭SPIreturn(status)； *函数：void nRF24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf)*功能：发送 tx_buf中数据void nRF24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf)CE=0；StandBy I模式SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH)； 装载接收端地址SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD, tx_buf, TX_PLOAD_WIDTH)； 装载数据SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e)； IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主发送CE=1； 置高CE，激发数据发送inerDelay_us(10)；*主函数*void main(void)uchar temp =0； init_NRF24L01()；nRF24L01_TxPacket(TxBuf)； Transmit Tx buffer dataDelay(6000)；while(1) read_TRH()； nRF24L01_TxPacket(TxBuf)； Transmit Tx buffer dataDelay(10000)； 可变SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0XFF)； flag=0；char receive() unsigned char i； ST=0； com_data=0； for(i=0；i<=7；i+) respond=2； while(!TRH)&&respond+)； delay_us()；delay_us()；delay_us()； if(TRH) temp=1；respond=2；while(TRH)&&respond+)； else temp=0；com_data<<=1； com_data|=temp； return(com_data)； 湿度读取子程序 温度高8位= TL_data温度低8位= TH_data湿度高8位= RH_data湿度低8位= RH_data校验 8位 = CK_data调用的程序有 delay()；, Delay_5us()；,RECEIVE()； void read_TRH() 主机拉低18ms TRH=0；delay_ms(18)；TRH=1； DATA总线由上拉电阻拉高 主机延时20us delay_us()；delay_us()；delay_us()；delay_us()； delay_us()； delay_us()；delay_us()；delay_us()；delay_us()； 主机设为输入 判断从机响应信号 TRH=1； 判断DHT11是否有低电平响应信号 如不响应则跳出，响应则向下运行 if(!TRH) respond=2； 判断DHT11发出 80us 的低电平响应信号是否结束 while(!TRH)&& respond+)； respond=2； 判断从机是否发出 80us 的高电平，如发出则进入数据接收状态 while(TRH && respond+)； 数据接收状态 RH_temp = receive()； RL_temp = receive()； TH_temp = receive()； TL_temp = receive()； CK_temp = receive()； TRH=1；ST=1； 数据校验 untemp=(RH_temp+RL_temp+TH_temp+TL_temp)； if(untemp=CK_temp) RH_data = RH_temp；RL_data = RL_temp； TH_data = TH_temp；TL_data = TL_temp； CK_data = CK_temp； 湿度整数部分 TxBuf0 = (char)(0X30+RH_data10)； TxBuf1 = (char)(0X30+RH_data%10)； TxBuf2 = 0x2e； 小数点 湿度小数部分 TxBuf3 = (char)(0X30+RL_data10)； TxBuf4 = 0X25；"%" TxBuf5 = 0X52； "R" TxBuf6 = 0X48； "H" 温度整数部分 TxBuf7 = (char)(0X30+TH_data10)； TxBuf8 = (char)(0X30+TH_data%10)； TxBuf9 = 0x2e；小数点 温度小数部分 TxBuf10 = (char)(0X30+TL_data10)； TxBuf11 = 0X27； "'" TxBuf12 = 0X43； "C"接收部分程序#include <reg52.()；记忆按键状态void da_in()；将按键值转化并送入到DA中void dianliu_to_lcd()；将按键状态值送入LCDvoid dianya_to_lcd()；将按键状态值送入LCDvoid ad()；得到AD采样的值void sendcom(unsigned char com)；向LCD发命令void senddata(unsigned char dat)；向LCD发数据void lcd_init()；LCD初始化void T_init()；定时器初始化void autosaodianliu()；int od_data,op_data,oz_data；void change(int dat)；unsigned char code dianliu1="设置电流：mA"；unsigned char code dianliu2="实际电流：mA"；sbit sid=P36；LCD串行数据输入端sbit clk=P34；LCD时钟输入端sbit cs=P35；LCD片选unsigned char key_button=0；unsigned char key3,j=0,i=0；KEY数组用来存放按键按下的值unsigned int ad1,ad2,advalue；用于取AD采样值bit flag=0；int d_data,pf_data,t_data；unsigned char z1_data,z2_data；int knum,aa=0,p_data,z_data,t_on；#define TX_ADR_WIDTH 5 5 uints TX address width#define RX_ADR_WIDTH 5 5 uints RX address width#define TX_PLOAD_WIDTH 32 20 uints TX payload#define RX_PLOAD_WIDTH 32 20 uints TX payloaduint const TX_ADDRESSTX_ADR_WIDTH= 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01；本地地址uint const RX_ADDRESSRX_ADR_WIDTH= 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01；接收地址*NRF24L01寄存器指令*#define READ_REG 0x00 读寄存器指令#define WRITE_REG 0x20 写寄存器指令#define RD_RX_PLOAD 0x61 读取接收数据指令#define WR_TX_PLOAD 0xA0 写待发数据指令#define FLUSH_TX 0xE1 冲洗发送 FIFO指令#define FLUSH_RX 0xE2 冲洗接收 FIFO指令#define REUSE_TX_PL 0xE3 定义重复装载数据指令#define NOP 0xFF 保留*SPI(nRF24L01)寄存器地址*#define CONFIG 0x00 配置收发状态，CRC校验模式以及收发状态响应方式#define EN_AA 0x01 自动应答功能设置#define EN_RXADDR 0x02 可用信道设置#define SETUP_AW 0x03 收发地址宽度设置#define SETUP_RETR 0x04 自动重发功能设置#define RF_CH 0x05 工作频率设置#define RF_SETUP 0x06 发射速率、功耗功能设置#define STATUS 0x07 状态寄存器#define OBSERVE_TX 0x08 发送监测功能#define CD 0x09 地址检测 #define RX_ADDR_P0 0x0A 频道0接收数据地址#define RX_ADDR_P1 0x0B 频道1接收数据地址#define RX_ADDR_P2 0x0C 频道2接收数据地址#define RX_ADDR_P3 0x0D 频道3接收数据地址#define RX_ADDR_P4 0x0E 频道4接收数据地址#define RX_ADDR_P5 0x0F 频道5接收数据地址#define TX_ADDR 0x10 发送地址寄存器#define RX_PW_P0 0x11 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P1 0x12 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P2 0x13 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P3 0x14 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P4 0x15 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P5 0x16 接收频道0接收数据长度#define FIFO_STATUS 0x17 FIFO栈入栈出状态寄存器设置void Delay(unsigned int s)；void inerDelay_us(unsigned char n)；void init_NRF24L01(void)；uint SPI_RW(uint uchar)；uchar SPI_Read(uchar reg)；void SetRX_Mode(void)；uint SPI_RW_Reg(uchar reg, uchar value)；uint SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)；uint SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)；unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf)；void nRF24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf)；*