基于单片机的智能温室大棚监控系统的设计本科论文.docx
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基于单片机的智能温室大棚监控系统的设计本科论文
学科分类号：
___________
湖南人文科技学院
本科生毕业设计
题目：
基于单片机的智能温室大
棚监控系统的设计
学生姓名：
学号
系部：
信息学院
专业年级：
2012级电子信息科学与技术
指导教师：
职称：
工程师
湖南人文科技学院教务处制
湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
（手写）
二○年月日（手写）
基于单片机的智能温室大棚监控系统的设计
摘要:
在科学技术的推动下，智能温室大棚应运而生，它能让农作物拥有更好的生长环境。
将单片机运用到对大棚内温度、湿度的采集与监控，提出了基于单片机的智能温室监控系统的设计方案。
整套系统由温湿度传感器、AT89C51单片机、声光报警器、显示器等部分组成。
本设计以AT89C51单片机为核心单元，温湿度传感器为测量元件，储存并分析所测量的数据，通过与预设参数的对比，判断是否发出警报。
通过此设计可以实时有效的对农作物生长过程中的温度、湿度进行测量，并能直观的显示出来。
系统克服了人工传统温湿度采集的迟滞性、不准确性等诸多弊端，操作更方便，效率更高。
关键词：
单片机；传感器；数据传输；监控系统
DesignofIntelligentGreenhouseMonitoringSystem
BasedonSCM
Abstract：
Underthepromotionofscienceandtechnology,intelligentgreenhousecameintobeing,itcanmakecropshavebettergrowingenvironmentinthepromotionofscienceandtechnology,theintelligentgreenhousecameintobeing,itcanwithabetterenvironmentforthegrowthofcrops.TheSCMisappliedtothecollectionandmonitoringoftemperatureandhumidityinthegreenhouse，adesignschemeofIntelligentGreenhouseMonitoringSystemBasedonSCMisputforward.Thewholesystemconsistsofsensor,AT89C51SCM,soundandlightalarm,display.ComparisonofthedesignAT89C51microcontrollerasthecoreunit,temperatureandhumiditysensorformeasuringcomponents,connectedbysinglechipcomputer,storageandanalysisofthemeasureddatawithpresetparameterstodeterminewhetherthealarm.
Throughthisdesign,wecanmeasurethetemperatureandhumidityintheprocessofcropgrowthinrealtime.Thesystemovercomesthedisadvantagesofartificialtraditionaltemperatureandhumidityacquisition,suchashysteresis,inaccuracyandsoon,whichismoreconvenientandefficient.
KeyWords：
SCM;Sensor;Datatransmission;Monitoringsystem
第一章绪论
1.1课题背景及目的
中国自古以来是农业大国，数千年来一直以种植业为主。
地域辽阔、人口众多，市场经济不断发展扩大，居民的生活水平要求达到更高的标准，对于食品安全质量也提出了更严格的要求。
在科学技术的推动下，农业现代化进程越来越快，越来越受到重视，农业科学的应用和研究逐步展开，进而催生了智能温室大棚技术。
智能温室大棚是把智能化操作模式运用到温室种植中，利用高科技的环境模拟技术，调节出农作物最适合的环境参数。
智能温室大棚在现代化农业生产中的占有着很重要的地位，我国的温室大棚产业在整个农业生产上比例不断加大。
目前，在全世界范围内我国的温室面积位居前列，但是这些普通的温室大棚没有技术、设备的支持，当自然灾害来临时，自我抵抗能力很低，不能很好的调节温室内的自然条件参数，智能化程度低，技术含量不高。
究其根本，在于温室大棚缺乏现代化的智能监控调节系统。
在现代农业生产中，往往需要对生产环境中的一些重要参数进行采集和检测。
许多环境条件都在影响着农作物的长势，例如：
空气的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等，这些因素都与植物的生长发育密切相关，人们手工的对环境参数进行检测不仅测量不准确，而且不能连续作业，容易造成经济损失，很难达到种植的预期效果，也不利于提高种植质量和规模，信息化程度难以提升[]。
智能化温室大棚通过先进的科学技术与管理，运用环境科学、计算机科学、信息处理等技术，能对大棚内环境因素进行实时检测、采集、监控。
结合温室智能监控系统所收集到的参数数据，农作物的自然生长状况，有效的调节温室大棚内的环境条件，使得农作物达到预期的长势，提高产量与质量。
1.2国内外研究状况
我国是温室栽培发源地，温室大棚技术运用得最早，在很多年前我国就能利用类似温室覆盖设施来种植各种农作物。
我国的智能温室产业虽然起步落后于欧美等发达国家，但发展迅速。
在种植规模上，我国的温室种植面积排在世界前列。
随着科学技术的不断进步，温室大棚的环境调控方式不断在改进，传统农业转变为现代化农业，逐渐向大型产业化、模块化和多样化的方向发展[]。
我国温室规模虽然十分庞大，但是配备有智能监控系统的温室微乎其微。
上世纪八十年代开始，我国开始把将温室大棚结合计算机技术与用到农业发展上，90年代又研发出了温室大棚的控制管理系统，这套系统能对温湿度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行监测等综合控制。
欧美发达国家在发展智能温室产业中智能化程度很高，温室内温湿度、光强、肥料等都实现了智能调控。
不论是在电子计算机方面，还是将计算机结合到农业栽培上，美国都走在了所有国家的最前面，目前，美国的智能温室大棚种植面积也是最大的，他们拥有发达的硬件设施和先进的栽培技术，综合质量水平很高。
环境控制计算机是用来对影响作物生长的环境因素进行管控。
发达国家的智能温室产业已迈入高科技方向发展，远程无线遥测技术、局域网（互联网）等已在智能温室系统得以实现[]。
另外还有多个端口连接到网络，通过无线连接等技术，工作人员可以在其他地方通过电子计算机、甚至手持终端对大棚进行监控管理。
在有了智能温室大棚监测系统的基础上，越来越多的发达国家正致力于大棚种植的无人化。
农业的根本出路在于机械化，我们可以设计出智能测温测湿等系统，接下来的一步便是实现大棚内无人化自动机械化操控。
欧美国家的大棚机械化程度很高，不仅仅再是人们繁琐的对大棚内环境进行手工改善，智能机械化大棚能够利用机械化技术，对大棚进行自我调节与操作。
机械臂、机器人越来越广泛地运用到了大棚种植技术中来，敲敲键盘就能控制大棚内的环境条件，这都是机械化的成果，自动喷灌系统，自动化遮阳帘，自动施肥通风甚至自动播种、收割等等，这将是智能自动化温室大棚的趋势[]。
1.3设计主要研究内容
1、研究影响温室内温湿度参数变化的原因，分析调控温室大棚内温湿度参数的方法。
2、根据目前国内外温室大棚的研究成果，利用单片机技术、通信原理、传感器技术、设计编程等，设计出一套基于单片机的智能温室大棚监控系统。
3、详述AT89C51单片机在此设计方案中的工作方式，通过温湿度传感器准确地将温湿度参数测量出来，并将数据记录储存下来。
4、通过与预设的参数值进行对比，当检测到的温度参数超过预先设定的范围时（温度60℃），系统发出声光警报。
5、对设计方案进行模拟仿真。
第二章系统总体设计
基于单片机的智能温室大棚监控系统的设计，分为系统硬件设计部分和系统软件设计部分。
在硬件设计部分中，传感器、单片机、显示屏、报警器等硬件相互兼容，为整套监控系统提供了强有力的硬件支撑。
系统软件设计部分，灵活运用核心硬件单片机的性能及功能，强化各部件的工作流程，编写出一套简单实用的程序，使整套设计系统运作流畅，能基本实现预期功能。
2.1功能设计
1、温度传感器和湿度传感器能对温室大棚内的温度和湿度进行实时监测和采集。
2、传感器所检测的数据由单片机进行处理，准确判断参数。
3、数据能直观的显示在显示屏上。
4、控制处理，当所测温度超过60℃时，触发声光警报器。
2.2系统组成及工作原理
以单片机为核心单元，运用传感器、通信原理等技术以及电路构成整套设计系统。
选用的主要元器件：
AT89C51单片机、SHT10温湿度传感器、LCD1602显示屏、LED、蜂鸣器等[]。
在系统的软件部分，系统初始化数据收集模块、数据判断模块、LCD显示模块、警报模块，其中，数据收集模块由SHT10温湿度传感器来完成，数据判断模块由预设程序来执行。
通过各硬件之间的正确连接，配合各硬件所设计的软件流程，从而构成了一套基于单片机的智能温室大棚监控系统的设计。
系统组成如图2-1所示：
图2-1系统的组成
系统组成及工作原理：
基于单片机的智能温室大棚监控系统是以AT89C51单片机为核心单元，利用温湿度传感器对温室大棚内的温度和湿度进行精确测量，将温度量和相对湿度量的模拟信号转换为单片机可以识别的数字信号并传输到AT89C51单片机中，通过与预设的温湿度参数值的对比，如果所测量的实时温湿度参数超过预设范围（温度60℃），自动触发警报系统，警报装置可发出声光警报，数据参数直观的显示在显示屏上[]。
若所测量的实时温湿度参数没有超过预设范围，系统不发出警报。
2.3单片机
单片机发明于1971年，其发展分为SCM、MCU、SOC三个阶段。
在早期阶段，SCM是主要潮流，为了让嵌入式系统拥有最佳的体系结构，SCM是最佳的单片形态适应此系统。
它也奠定了单片机与通用计算机的两条不同的发展路径。
因特尔公司在嵌入式系统发展道路上功不可没。
为了满足嵌入式系统的发展，各种系统的发展都要求其有智能化控制能力。
在电气、电子技术领域的厂商担起了MCU发展的重任。
在这方面，飞利浦公司最为成功，它利用在嵌入式方面的巨大优势，将MCS快速的发展到了微控制器。
目前，单片机的发展趋势就是寻求应用系统在芯片上的最大化。
随着EDA、微电子技术、IC设计等发展迅速，基于单片机的SOC设计有了较大的进步。
2.3.1AT89C51单片机功能
AT89C51具有以下特点：
看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，2个16位可编程定时计数器，40个引脚，2层中断嵌套中断，32个外部双向输入/输出（I/O）口，2个全双工串行通信口，128字节的RAM，4000字节BytesFlash片内程序存储器，5个中断优先级。
此外，振荡频率在AT89C51中，也相应地进行了设计和配置。
而且运用软件设置合理的省电模式。
在掉电模式下，振荡器停止工作来保护RAM的数据，阻止其他芯片功能，直到外部中断或硬件复位被激活。
空闲模式下，RAM定时器/计数器、串行端口和中断系统可继续工作。
但是中央处理器就会结束工作。
AT89C51单片机是一款高性能，低能耗CMOS8位微控制器，具有4K系统可编程Flash 存储器。
该微控制器采用Atmel的高密度非易失性存储器技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
Flash允许芯片上的程序存储器在系统可编程，也适用于传统的编程。
在单芯片上，它有一个方便的8位CPU和在系统可编程Flash，因此AT89C51可以在很多大型应用系统中使用。
2.3.2AT89C51单片机引脚及构成
单片机引脚如图2-2所示：
图2-2AT89C51单片机引脚图
VCC：
电源。
GND：
接地。
RST:
复位。
当振荡器响应时，复位引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：
在访问外部程序存储器时，地址锁存是允许输出脉冲，用来锁存低位字节。
在Flash编程的期间，PROG还能用来做编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE十一震荡频率的1/6输出，可用来作为外部定时器或定时目的。
PSEN：
外程序存储允许是外部程序存储器的读选通信号。
EA/VPP：
访问外部程序存储器控制信号。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器输出端。
P0口：
P0口有三个功能：
当外部扩展时，将用作数据总线，也可以用作地址总线；当PO口不作扩展时，可以作为一般的I/O来使用，但内部没有上拉电阻，当做输入或输出时要在其外部接上拉电阻。
P1口：
P1口只做I/O口使用，P1口的内部自带有上拉电阻。
P2口：
P2口有两个功能：
当外部扩展时，将用作数据总线；当作为一般的I/O口使用时，它的内部带有上拉电阻。
P3口：
P3口有两个功能：
当做I/O口使用，一些由特殊寄存器来设置的特殊功能。
CPU：
中央处理器，包含了运算逻辑部件，其中还有寄存器、控制部件等等。
RAM：
随机存取存储器，与CPU直接交换数据，作为程序数据的临时存储媒介。
ROM：
只读存储器，存放原始数据、程序等。
单片机的寄存器：
具有单独的程序存储器（如果EA解读，程序只从外部存储器开始读取）和数据存储器（256字节片内数据存储器）。
机器周期和指令周期：
振荡周期、状态周期、机器周期、指令周期。
中断系统：
AT89C51单片机拥有6个中断源，它包括了两个外部中断INT0和INT1，三个定时终端，一个串行中断。
复位系统：
复位系统的使用方式是上电和按键两种方式共同运作，两者都能够将单片机复位。
在这里面，上电方式的复位，是为了使单片机电容的充放电时间保持在2US以上，同时RST引脚接收得到这个电信号，这样便完成了上电方式的复位；在使用键盘复位方式时，此时电充处于一个暂时性短路状态，电能被全部释放掉，电阻增大，引起了系统的复位[]。
复位电路如图2-3所示：
图2-3单片机复位电路
时钟电路是时序的基础，按照先后顺序有规律地运作，单片机内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟，时钟有内部方式和外部方式两种方式。
系统采用内部时钟方式，XTAL1输入端和XTAL2为输出端之间设有12M的石英晶体和30pF的电容，以此构成了一个相对稳定的振荡器，采用外部时钟方式时，XTAL2口悬空，它的外部时钟电源将会接到XTAL1口。
时钟电路如图2-4所示
图2-4单片机时钟电路
2.4温湿度传感器
温度和湿度对于生长过程中的农作物来说，是最为重要的环境因素之一，如果没有适当的温度和湿度，植物将面临长势差，甚至凋亡。
在很久以前就有了温湿度的测量方式，在温室大棚种植业中，传统的温湿度测量方式以人们手工测量为主，这类测量方式不仅操作十分繁琐，而且测量出的温湿度值也十分不精确，时间迟滞，不能连续作业，费时费力，从而影响到了农作物的质量和产量。
随着科学技术的发展，在测量手段方面也有了很大的进步。
温湿度传感器是一种能将某种条件下的温度和湿度的模拟信号转换为能够让其他电子设备识别的电信号的设备，这样一来人们就能很方便的对温度和湿度进行采集。
温湿度传感器的应用，保证了农作物的质量、产量，提高了生产效率，保证生产安全，促进了经济的发展。
如今，我们能在市场上买到的的温湿度传感器一般测量的是温度量和相对湿度量。
目前，智能化设备不断普及，智能手机、电脑等移动终端发展十分迅速，许多的智能设备都已经内置了微机电系统。
传感器的种类及工作方式逐渐向人性化方向发展，适应各种工作环境下的需求。
未来的高精度温湿度传感器将越来越智能化、微型化、大众化，运用到的领域也将越来越广阔。
2.4.1SHT10温湿度传感器
SHT系列温湿度传感器是一种拥有已校准的数字信号输出的温湿度一体传感器。
它运用温湿度传感技术和专用数字模块采集技术，传感器在工作的稳定性和可靠性方面都十分的令人满意。
这种传感器的测湿系统是一个电容式聚合体测湿元件，感温系统是一个能隙式测温元件，所以这类温湿度传感器具有响应快、抗干扰能力强、品质优、性价比高的特点。
所有的SHT10温湿度传感器都在湿度十分精准的校验室进行校准，在OTP内存里，校准系数以程序的形式进行存储，当传感器内部进行信号检测处理时将调用这些储存好了的校准系数，单线制的串行接口是的系统集成非常便捷。
它的传输距离元，体积小巧，能耗极低，使得SHT系列型号传感器大规模应用于各种环境场合[]。
2.4.2SHT10传感器引脚及参数
引脚如图2-5所示：
图2-5SHT10传感器引脚图
传感器引脚分配如表2-1所示：
表2-1传感器引脚分配
引脚序号
名称
描述
1
GND
接地
2
DATA
串行数据，双向口
3
SCK
串行时钟，输入口
4
VDD
电源
NC
NC
悬空
传感器接口电路如图2-6所示：
图2-6SHT10接口电路图
其中GND接地；DATA为双向串行数据接口，SCK为串行时钟单向输入口；VDD接电源,其中，NC脚必须悬空。
SHT10温湿度传感器技术参数如表2-2所示：
表2-2传感器参数表
2.5LCD1602
LCD（LiquidCrystalDisplay）通常称作液晶平面显示器或者液晶显示器。
它是将液态晶体放置在两片平行的玻璃基板之间，两块玻璃中间有很多电线，上下玻璃基板分别设置：
薄膜晶体管（TFT）、彩色滤光片，通过上电、改变电压、信号来操控水晶分子的转动方向，把光线折射了出来从而产生画面，达到显示目的。
LCD1602就是指的显示内容为16*2，即显示2行，每行显示16位字符。
LCD1602能耗低、可以显示的内容丰富、小巧轻薄，因此在各类的仪表和设计系统应用得十分广泛。
2.5.1LCD1602主要技术参数
显示容量:
16×2个字符
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
2.5.2LCD1602引脚电路图
引脚如图2-7所示：
图2-7LCD引脚
LCD1602引脚说明：
VSS：
电源，VDD：
电源正极，VD：
液晶显示偏压，RS：
数据或者命令选择，R/W：
读/写选择，E：
使能信号，D0-D7：
数据，BLA：
背光源正极，BLK：
背光源负极
LCD电路连接如图2-8所示：
图2-8LCD电路图
2.6警报系统
系统的警报系统采用了声光报警设计，在本系统中，当温度或者湿度超出了预定设置的参数范围（温度60℃），系统的光报警部分为红色LED灯警报提示，声报警部分为蜂鸣器警报提示，因为三极管可以为蜂鸣器提供足够大的驱动电流，所以在此处加入三极管来驱动蜂鸣器。
在正常的温度和湿度下，系统检测出的参数符合预先设定的要求，则警报器不发出警报[]。
电路连接如图2-9所示：
图2-9报警电路连接图
第三章系统软件设计
智能温室大棚监控系统软件设计部分主要有：
系统初始化数据收集模块、数据判断模块、LCD显示模块、警报模块。
核心单元为AT89C51单片机，温湿度传感器对温室大棚内的温度和湿度进行测量，将测量到的温度和湿度参数传输到单片机中，通过与预设的参数值进行对比，当所检测的温度参数超过预设范围时（温度60℃），自动触发警报系统，警报装置可发出声光警报。
数据参数直观的显示在显示屏上。
设计流程图如图3-1所示：
图3-1运行流程图
3.1初始化与数据采集模块
系统初始化模块主要功能：
实现系统初始化、设定系统工作状态。
具体包括以下几方面内容：
AT89C51单片机的初始化以及定义引脚、LCD1602的初始化以及它的运行方式、整个系统开始正常状态的运行。
整套系统的数据采集由温湿度传感器采集，温湿度数据监测是本系统最重要的模块之一，实现温度和湿度的测量，实现将模拟信号转化为数字信号的功能。
温湿度传感器采集了温湿度模拟信号之后转换为数字信号，将数字信号发送至AT89C51单片机，经过单片机的处理后，LCD1602液晶显示屏上将直观的显示温度、湿度的数值，以便于人们的操作。
由此可以看出，温度传感器所测温度、湿度的准确度直接影响到了整套设计的最终结果。
3.2数据判断模块
经过SHT10传感器采集到的温度和湿度的数值，要与提前预设好了的参数值进行对比。
这就是温湿度的判断模块了，两个参数值先进行判断、对比，然后进行操控。
整个温湿度参数的判断模块是这个系统的桥梁，它决定着系统接下来要执行什么任务。
经模块判断，如果当前的温湿度参数超出了预设范围，那么系统将触发警报系统。
温度传感器的精准度直接影响到系统的运行，因此本设计采用了SHT10温湿度传感器[]。
判断流程如3-2所示：
图3-2判断流程图
3.3LCD1602显示模块
系统的所测得的温度值和湿度值是由LCD1602进行显示的。
在系统初始化后，LCD1602上不显示任何数据，当数据经单片机发送至LCD1602时，显示屏第一行显示湿度值，第二行显示温度值。
目前市场上的字符液晶大多数基于HD44780液晶芯片，它们的控制原理都是相同的，所以可以很方便的应用于大部分的字符型液晶[]。
液晶显示器驱动程序：
voidw_cmd（ucharcom）//lcd1602写命令
{
rs=0;
lcd=com;
en=1;
delay（5）;
en=0;
}
voidw_data（uchardat）//lcd1602读数据
{
rs=1;
lcd=dat;
en=1;
delay（5）;
en=0;
}
voidw_str（uchar*s）//lcd1602写字符串
{
while（*s）w_data（*s++）;
}
voidlcd_int（）//lcd1602初始化
{
en=0;
w_cmd（0x38）;
w_cmd（0x0c）;
w_cmd（0x06）;
w_cmd（0x01）;
w_cmd（0x80+0x00）;
w_str（table0）;
w_cmd（0xc0+0x00）;
w_str（table1）;
}
3.4警报模块
本设计的警报模块由两部分组成，光报警和声报警。
单片机控制LED灯的报警状态，经过与预设温湿度值的对比，系统测得的温湿度值在其预设的安全范围内，LED等不被激活点亮；一旦超出了预设范围，LED被激活亮灯。
在光警报被激活的同时，声警报也被激活。
如果温湿度值超出了预设范围（温度60℃），LED灯亮、蜂鸣器发声，反之，测得的
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