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基于单片机农业大棚环境监测系统设计题目 基于单片机的农业大棚环境监测系统设计 学生姓名 王鹏学号1213024035所在学院物理与电信工程学院 专业班级 通信工程专业1202 班指导老师 刘亚锋 完成地点物理与电信工程学院实验室2016 年 6 月 5 日 陕西理工学院本科毕业设计任务书 院(系)物理与电信工程学院专业班级 通信工程(通信 1202) 学生姓名 王鹏一、毕业设计题目 基于单片机的农业大棚环境监测系统设计二、毕业设计工作自2015年 12月 22 日 起至 2016 年6月18日止 三、毕业设计进行地点:通信工程试验室 A-1103四、毕业设计应完成内容及相关要求：温度、湿度以及光照等环境参数的测量和限制在日常生活和农业领域中具有广泛的应用。随着生活水平的大幅提高，人们对大棚蔬菜提出了更高的要求, 大棚中农作物在生长过程中，温湿度及光照对其影响较大。传统测试方法费时费劲、效率低，且有时须要不间断监控，以达到实时监测的目的。针对以上问题，本设计是基于单片机的环境监测系统，该系统可实现温度、湿度及光照的实时测量，通过须要设置测量参数的范围，超出设定范围可发出警报提示外界进行干预限制。五、毕业设计应收集资料及参考文献：1、应收集与课题相关文献 12 篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为 2010 年至 2016 年； 2、除了文献之外，所参考的书目不能超过 3 篇； 3、全部的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导老师。六、毕业设计的进度支配：1、必需查阅大量资料（包括肯定数量的外文资料），了解课题的探讨背景、意义，熟识设计中要用到的相关电路学问；完成开题报告；并完成一篇外文文献的全文翻译工作；（1 月 1 日3 月 18 日）2、进行系统的概要设计；（3 月 19 日4 月 10 日）3、熟识设计软件，并提交中期报告；（4 月 10 日4 月 20 日）4、系统的设计与实现；打算作品的验收；完成论文第一稿；（4 月 21 日5 月 10 日）5、依据要求对对论文及作品进行完善，完成论文其次稿；（5 月 11 日5 月 20 日）6、制作答辩 PPT，打算答辩材料，打算答辩，并完成后续工作；（5 月 21 日6 月 10 日） 7、必需定期与指导老师见面，汇报进展状况，按时完成论文的撰写工作。 指导老师签名 刘亚锋专业负责人签名 王战备 学院领导签名 熊晓军批准日期2016-01-10 基于单片机的农业大棚环境监测系统设计 王鹏（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 1202 班，陕西 汉中 723000）指导老师：刘亚锋 摘要 温度、湿度和人类的生产有着亲密的关系，同时也是农业生产中不行或缺的参数。随着科学技术的发展，温室大棚的应用越来越广泛，为人们创建了更高的经济效益。本文阐述了一种基于单片机的温室大棚的环境监测系统的设计过程。该系统主要由单片机STC89C52、温湿度传感器DHT11、液晶显示LCD1602和光敏电阻等组成，实现了实时采集温湿度信息、温控报警等功能，具有精度高、功能强、体积小、简洁敏捷等优点，很好的满意了农业大棚环境监测要求。关键词 农业大棚；环境监测；单片机； DHT11；LCD1602 The design of a gricultural greenhouse environmental monitoring system based on MCUWANG Peng (Grade 12 Class 02,Major in Communication Engineering, School of Physics and Telecommunication Engineering, Shannxi University of Technology, HanZhong 723000, Shannxi) Tutor: LIU Yafeng Abstract: Temperature, humidity, and human production is closely related, but also an integral part of agricultural production parameters. With the development of science and technology, greenhouses used more widely for people to create a higher economic efficiency. This paper describes the design of a process SCM greenhouse environmental monitoring system is based. The system consists of microcontroller STC89C52, temperature and humidity sensors DHT11, LCD LCD1602 and photosensitive resistance, etc., to achieve a real-time acquisition of temperature and humidity information, temperature alarm and other functions, with high precision, powerful, small, simple and flexible, etc., good to meet the agricultural greenhouse environmental monitoring requirements. Key words: Agricultural greenhouses; environmental monitoring; MCU; DHT11; LCD1602 目 目录 引言. 1 1 方案论证及器件选择. 3 1.1 方案论证 . 3 1.2 主要元器件选择. 4 1.2.1 单片机选型. 4 1.2.2 传感器选择. 4 1.2.3 显示器选择. 4 2 系统硬件设计 . 5 2.1 主控模块 . 5 2.1.1 STC89C52. 5 2.1.2 主控模块电路. 7 2.2 DHT11 传感器模块. 7 2.2.1 DHT11 传感器. 7 2.2.2 DHT11 传感器模块电路. 10 2.3 光传感器模块. 10 2.4 1602 液晶显示模块. 11 2.4.1 1602 液晶显示屏. 11 2.4.2 1602 液晶显示模块电路. 12 2.5 报警模块 . 12 2.5.1 蜂鸣器. 12 2.5.2 三极管 8550. 13 3 系统的软件设计. 14 3.1 传感器模块设计. 14 3.2 1602 液晶显示模块设计. 15 3.3 软件调试 . 16 4 系统的焊接与测试. 17 4.1 系统硬件电路焊接. 17 4.2 系统硬件电路调试. 17 4.3 系统硬件电路结果分析. 17 结束语. 19 致谢. 20 附录 A 英文文献原文. 22 附录 B 英文文献译文. 29 附录 C 源程序. 35 附录 D 原理图. 44 附录 E 元器件清单. 45陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 45 页 引言 (1) 课题探讨的背景 温室对于如今的生产生活的影响越来越大，利用温室技术的探讨来提升生产效率，为植物供应相宜的环境。随着改革开放，特殊是 90 年头以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主的植物栽培，在大江南北遍地开花，政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是 21 世纪最具活力的新产业之一。温室环境是一种更加利于植物生长，避开环境影响其生长发育。在大棚里可以种植反季节作物，提高农业效率以及经济效益2 。国外在 20 世纪 70年头就起先对温室大棚技术进行了探讨，采纳模拟式显示组合仪表，将采集的信息经过处理然后发出指令进行限制和记录。分布式限制系统在 80 年头出现，经过人们的不断探讨，以及对温室限制技术快速的发展，现在部分国家已经实现了自动化限制并向更先进、更自动化的方向发展。在我国北方冬季寒冷而漫长，利用温室大棚种植蔬菜能更快的提高人民生活水平。温室大棚管理主要的因素是温度、湿度及光照的限制。温度管理一般把一天分为中午前、中午后、前半夜和后半夜四个时段来进行温度调控。中午之前是促进光合作用的最佳时间，增加有机物的累积为主，将棚温保持在 25-30最为相宜。中午过后光合作用渐渐下降，温度要比中午之前降低 3-8，相宜温度在 22左右，避开养分过多的消耗，而降低了有机物的累积。天黑之后四小时内，温室的温度需降到 12-18，以促进植物对有机物的累积。之后接着降温 3左右，不行降得过低，这样简单导致植物产生低温危害。阴雨天光照缺乏，光合作用进行缓慢，需降低温度 5左右，以削减呼吸消耗2 。现在单片机发展快速，通过单片机对环境进行监控日益广泛，其小体积、多功能、高性价比等。运用在自动监控系统中削减人们的劳动，提高生产效率。(2) 温室探讨现状 国外温室限制技术以美国最为先进，主要是因为其计算机的发展特别快速，这也使得以计算机为主的温室环境限制技术快速发展。温室大棚内限制包括室内温度、土壤温度、相对空气湿度、通风口状况、保温幕状况、pH 调整、CO 2 浓度；室外限制包括光照强度、相对空气湿度、大气温度、风向风速等3 。温室系统的应用为农业生产发展供应了很大的帮助，提高了工作效率，削减劳动量，收获了更多更好的农产品。荷兰从上个世纪八十年头就起先温室计算机自动限制系统的开发，并不断地探讨模拟限制软件。并通过交互式界面显示必要的信息，设置参数并绘制曲线，修正值曲线和测量数据曲线可以从设定的时间数据库中调用。其便利的方式可以干脆查询数据计算机的串行端口和完成上位机和下位机之间的信息沟通。实现参数设置、信息显示和限制等功能，同时还能够进行数据调整，完成温室环境监控。国内外温室限制技术的发展史可以分为三个发展阶段：手动限制：在温室限制技术前期被广泛采纳，其并没有真正意义的限制体系。种植者不仅要充当温室环境的传感器，又要充当温室作物管理的执行。温室种植户相当于环境限制核心。通过对气候条件和作物生长状况的视察，利用以往阅历和直觉进行推想和推断，以手动方动式来调整温室环境，这样对作物状况的反应是最干脆、最快速、最有效的方式。但这种限制方式局限性太大，不适合工业化农业生产的须要。自动限制：此限制系统必需先输入植物所需的生长目标参数值，经计算机将实际测量的数值和预先设定的目标值进行比较，利用推断后的结果来调控温室环境因子，以限制相应的操作通风、制冷和加热等。计算机温室自动限制技术实现自动化生产，劳动生产率的提高，适合于大规模生产。温室环境设置变更目标值可以在温室环境内进行自动调整，此方法的缺点是变更作物生产响应的状态不刚好，很难实现作物生长的最佳环境。智能化限制：利用温度自动限制技术和生产实践为基础，经过总结，收集农业领域积累的学问、阅历和数据，从而建立植物生长数学模型，实现各类植物生长的不同需求。从手动到全自动限制技术，限制温室生产过程向着更先进、更全面的方向发展。将来的温室环境限制，势必以植物生长模型、温室农业专家系统的自动信息采集、温室综合环境因素分析模型和智能限制为基础向着全自动化方向发展。(3) 课题设计思路陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 45 页 首先明确设计思路，通过查阅资料了解相关的设计方法以及主要的设计原理等，然后着手进行设计，搭建一个大体的设计框图，再依据设计要求完成相应的补充设计。热电偶形式是通过加热湿度传感器，该 A/D 变换器将单片机不能测量的温度和湿度信号转换成电信号从而实现测量，将湿度、温度值显示在液晶显示器，将温度、湿度传感器的温度和湿度信号转换成模拟电压信号，然后通过低通滤波器滤除干扰信号送入单片机，再经过单片机的采样，进一步提高测量精度，经过数字滤波单片机后将取样的温度信息与设定值进行比较，假如不匹配，利用限制触发音量限制量的 PID 限制方法调整程序，并通过设计限制程序执行，以 LCD 显示屏显示最终结果。电路总体上分为采集模块、核心处理模块、报警模块和显示模块。STC89C52 单片机为核心用于限制电路、DHT11 传感器、光敏电阻的采集转换、1602 液晶屏的显示以及蜂鸣器的报警4 。详细显示的内容方式由软件来完成。温湿度传感器，不选择单独的器件，而是采纳 DHT11 数字温湿度一体传感器进行温湿度的测量，一方面在简化设计流程的同时增加了系统的稳定性，另一方面是降低了设计的成本消耗。1602LCD 液晶显示屏，能够实时、精确的显示采集温度值、湿度值及光照强度值，而且成本较低。并设计了三个输入按键能够依据环境在不同时间段内对温度、湿度及光照强度的不同要求，用户可人为的更改温度、湿度和光照强度上下限值，以满意用户在运用中的不同需求。当在运用中环境超出随意上下限值，经主控模块处理采集的温度值、湿度值及光照强度值与其标准值进行对比，如推断越线则刚好的启动报警装置，蜂鸣器发出滴滴滴的报警声5 。陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 45 页 1 方案论证及器件选择 1.1 方案论证 方案一：采纳可编程逻辑器件设计 采纳可编程逻辑器件设计，利用数字电路各功能模块相组合起来以达到其功能，可以利用ALTERA公司的 FLEX10K 系列 PLD 器件。结构设计比较清楚，各个模块从硬件上设计起来相对简洁，比较便利的限制与显示模块间的连接。设计框图如图 1.1 所示。数据显示模块PLD数据接收模块按键PLD数据采集模块温湿度传感器数据 图 1.1 系统设计框图 方案二：基于单片机的设计 以单片机 STC 为限制核心，采纳温湿度传感器和光敏电阻作为测量元件，构成智能温度、湿度和光照强度的测量系统6 。可分为温度、湿度测量电路、光照强度测量电路、主控电路、报警电路和显示电路。主器件：温湿度传感器 DHT11、光敏电阻、单片机 STC89C52、1602LCD 显示器、LED灯和蜂鸣器。设计框图如图 1.2 所示。STC89C52主控模块DHT11传感器模块1602显示模块报警模块光传感器模块 图 1.2 系统总体设计框图 在方案设计中，遵循简洁至上的原则，因此全部的外围模块采纳串行方式和微处理器模块链接。以 STC89C52 单片机为限制核心，限制温度、湿度和光照强度采集以及显示器的显示等功能。在设计系统时，为了更好地采纳模块化设计法，分步设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传感器采集、单片机限制、1602 液晶显示和蜂鸣器报警四大部分。方案二可以利用单片机内部的限制只读存储器、随机存储器和其丰富的引脚资源，外接键盘输入，液晶显示器等实现数据的传输处理和显示功能。单片机可扩展性强、体积小、好用性强、功能齐全；设计起来也比较简洁，硬件更加简单实现。方案一的好处是设计较为简洁，但是假如结合本设计的特点，EDA 在功能扩展上会受到约束，而且这样设计的电路有些繁杂，焊接的过程也比较困难，成本较高，操作困难，因此不予接受。经过综合分析，本次设计采纳方案二。陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 45 页 1.2 主要元器件选择 1.2.1 单片机选型 方案一：AT89C51 是低电压，高性能的 CMOS 型 8 位微限制器，该设备采纳 MCS-51 指令，片内通用的 8 位中心处理器和闪存单元，功能强劲，采纳 FLASH 技术 4K 程序存储器，对设备开发要求低，从而缩短了开发周期。AT89C51 可构成最小的应用系统，缩小系统体积、提高系统牢靠性、降低系统成本。只要程序长度小于 4K，四个 I/O 端口供应给全部用户。供应 5V 的电压编程和擦除时间只需10 毫秒。AT89C51 芯片供应三个级别的程序存储器的加密，并供应了便利、敏捷、牢靠的硬件加密，可以保证程序或系统不被仿制。方案二：STC89C52 单片机和 AT89C51 系列的完全兼容，实际操作起来也便利许多。而 AT89C51不带 ISP 下载，要用下载器才行，STC89C52 可以用你的 USB 转串口进行下载，下载软件可以到 STC厂家网站下载。STC 单片机执行指令的速度很快，大约是 AT 的 330 倍，尽管达到了高速，但 AT 上的程序在 STC 上不肯定好用，比如那些对时序有严格要求的模块。STC 对工作环境的要求也比较低，3V4V 之间还可以正常工作，所以选用 STC 单片机会更合适。经过比较两种方案，以及在学校期间学过数字电路、单片机原理、C 语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，最终选择用 STC 系列芯片。1.2.2 传感器选择方案一：选用 DS18B20 温度传感器作为温度检测模块，HS1101 湿度传感器作为湿度采集模块。DS18B20 是数字温度传感器，单线式接口方式，测量范围-1085，误差范围±0.5，最高精度达 0.0625。HS1101 测量的相对湿度范围在 0%100%RH，误差±2%RH。方案二：选用 DHT11 作为设计的温湿度检测模块。DHT11 是集成型的一体数字温湿度传感器。DHT11 采纳数字温湿度传感技术，具有高牢靠性和稳定性。传感器由电阻式测湿元件和 NTC 测温元件组成与单片机连接。产品具有品质高、响应快、抗干扰实力强等优点。测量范围湿度 20%90%RH，温度 050。测温精度为±2，测湿精度为±5%RH。通过以上分析，方案一虽然精度高，却稍显困难。方案二即便不能实现方案一的高精度测量，却也能满意设计要求。且简便易行，牢靠稳定，具有超高的性价比。故选择方案二。光传感器方面则选择常用的光敏电阻。1.2.3 显示器选择 方案一：LCD12864 液晶显示屏，能够显示汉字和图形，是 128×64 点阵的汉字图形型液晶显示器，内置 8192 个中文汉字、显示 RAM 和 128 个字符，以 8 位并串行两种方式与微处理器干脆连接。方案二：采纳 HJ1602 液晶显示屏。HJ1602 是一种工业字符型液晶显示屏，能够同时显示 16 列2 行。仅能显示字母、数字和符号，但寄存器不止 32 个。有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示。在编程运用原理、写指令和写地址等都基本相同。当然 12864 液晶屏显示更全面，字符更多。相比于 1602 液晶屏，12864 能更形象详细的实现显示功能。不过此次设计 1602 液晶屏也能够完全胜任，其显示简洁好用，价格实惠。经过综合考虑，1602 是最好的选择。陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 45 页 2 系统硬件设计 本次设计主要由 4 个模块构成，分别是传感器模块、主控模块、LCD 液晶显示模块以及报警模块。主控模块采纳 STC89C52 芯片，限制整个系统的运行，并利用各个接口分别限制外围模块，使其他模块可以连成一个整体，实现设计须要7 。报警模块主要指将蜂鸣器接入单片机电路，通过对实时温度、湿度和光照强度的检测，并设定所须要的温度、湿度及光照强度值区间，当越限时发出报警信号。传感器模块用于实时温度、湿度及光照强度的检测，由于 DHT11 是数字一体化，集成了模数转换等模块，干脆连接单片机即可。LCD 液晶显示模块同样接入单片机，实现对数据的实时显示。系统总体设计框图如图 2.1 所示。STC89C52主控模块DHT11传感器模块1602显示模块报警模块光传感器模块 图 2.1 系统总体设计框图 2.1 主控模块 2.1.1 STC89C52 STC89C52 单片机是一种低功耗，高性能 CMOS 8 位微限制器具有 8K 字节的可编程闪存，与 80C51指令集和引脚完全兼容。片上闪存程序存储器可实现在系统编程，同时也适用传统的编程，如STC89C52 设备可供应敏捷有效的解决方案，以及很多嵌入式限制应用。STC89C52 具有以下标准功能：闪光的 8K 字节，256 字节 RAM，32 位 I/O 线，看门狗定时器，两个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个六向量两级中断结构，全双工串行口，片内振荡器和时钟电路。此外，空闲模式下，CPU 停止，允许 RAM，定时器/计数器，串行端口，中断至工作 8 。掉电爱护模式，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止9 。STC89C52 引脚如图 2.2 所示。陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 45 页图 2.2 STC89C52 引脚图 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口是 8 位双向开路 I/O 口。用作输出端口时，每个引脚汲取 8TTL 门电流。FIASH 编程，P0 口作为原码输入口，FIASH 进行校验，P0 输出原码，P0 外部实行拉高。P1 口：P1 口供应内部上拉电阻的双向 8 位 I/O 口，此口缓冲器可接收输出 4TTL 门电流。P1 口写入 1，然后上拉为高电平作输入，下拉为低电平输出电流，是内部上拉所造成的结果。FLASH 编程和校验，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为 8 位内部上拉电阻双向 I/O 口，其缓冲器可接收输出 4 个 TTL 门电流，在被写为1时，管脚被内部上拉电阻拉高作输入。当作为输入时，管脚又被外部拉低输出电流。在访问外部程序存储器或数据存储器进存取时，输出是地址的高 8 位。在闪存校验和编程时接收限制信号以及高八位地址信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个双向并带有内部上拉电阻的 I/O 口。写入1之后，被内部上拉为高电平作输入。做输入口时，由于内部的上拉电阻，被外部拉低的引脚会输入一个电流 ILL。P3 口可用于一些特别功能口在 STC89C52 上，如表 2.1 所示。表 2.1 P3 口功能表 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时作为编程校验和闪耀编程接收部分限制信号。RST：复位输入。要保持 RST 脚两个机器周期的高电平常间当振荡器复位期间时。ALE/PROG：当访问外部存储器和地址锁存器，允许用于锁存地址状态字节的输出电平。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。一般时间 ALE 端在周期输出脉冲信号时，振荡器频率为 1/6。因此，可用于定时目的或外部输出的脉冲。假如想禁止 ALE 输出，可设置为 0 在 SFR8EH 地址上。陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 45 页 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。/EA/VPP：/EA 保持低电平期间，外部程序存储器（0000H-FFFFH）。加密方式为 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端为高电平常，CPU 执行内部程序存储指令。XTAL1：内部时钟工作电路和反向振荡放大器的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.1.2 主控模块电路 单片机主程序模块通过对 DHT11 传感器采集到信号的读取，将得到的数据信号进行分析和处理，再将处理后的信号发送给 1602 液晶显示模块，完成信息的接收与发送，并连接蜂鸣器，限制报警系统。如图 2.3 所示。P1.0P1.1P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1GNDVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1 P2.0P10P11P12P14P158910111213141516171819 20U1P1.2GNDGNDVCCVCCS1S1 C1C110uF10uF1234567R810KY112MC3 2020P35P36P37 40393837363534 32313029272625242322212833VCCP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22 图 2.3 STC89C52 模块电路原理图 2.2 DHT11 传感器模块 2.2.1 D