基于单片机的温室大棚环境参数监控系统设计与研究.docx
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基于单片机的温室大棚环境参数监控系统设计与研究
题目：
基于单片机的温室大棚环境参数监控系统设计与研究
基于单片机的温室大棚环境参数监控系统设计与研究
摘要
现如今，我国的经济水平和社会地位都在不断的进步和提高，人们对生活质量的要求也越来越高。
因而，很多人希望在一年四季内都能品尝到优质新鲜的蔬菜，这一需求促进了温室大棚的发展和进步。
良好的温室大棚需要有一套科学和先进的管理方法才能更好的运用好温室栽培这一高效技术，更需要有一个能够对温室大棚环境参数进行实时检测的监控系统。
这种系统可以检测温室大棚内的温度和湿度，确保大棚内的蔬菜生活在优良舒适的环境内。
本课题就是运用AT89C51单片机设计和实现了这种监控系统，它将单片机的相关应用具体化和实际化了，体现了单片机的一种实际意义。
此系统是温室大棚环境参数监控系统，它的功能是将温室大棚内的温度和湿度进行检测并显示出来。
AM2301是系统中的温湿度传感器，它是通过AT89C51单片机进行检测温度和湿度的数值，并经过一系列的运算处理将数值在1602液晶屏上显示出来。
检测的数值会和之前设置的标准温湿度范围进行比较，判断是否在这范围内，倘若不在这个标准的范围内，系统就会对此结果执行相应的报警程序。
关键词：
AT89C51；AM2301；1602液晶显示屏；温湿度控制系统；报警
DesignandResearchofGreenhouseEnvironmentalMonitoringSystemBasedonSingleChipMicrocomputer
Abstract
Nowadays,ourcountry'seconomiclevelandsocialstatusarecontinuousprogressedandimproved,peoplehashigherrequirementforthequalityoflife.Therefore,moreandmorepeoplewishcanenjoyhighqualityfreshvegetablesatallseasons,sogreenhouseshavemakegreatdevelopmentandprogress.Goodgreenhousesneedsasetofscientificandadvancedmanagementmethodsthatcanmanageusingefficienttechnologyofgoodgreenhousecultivationbetter,andweneedamonitoringsystemthatcantestgreenhouseenvironmental'sparametersinrealtime.Thissystemcandetectthetemperatureandwetnessinsidethegreenhousegreenhousesandensurethevegetableshaveacomfortableenvironment.
ThistopicisdesignedandimplementedthemonitoringsystembyAT89C51,itwillbetoembodyandpragmatizethefunctionofMCU,anditshowedthemeaninginourlife.Thesystemisthegreenhouse'senvironmentalparametersmonitoringsystem,it'sfunctionistodetectthetemperatureandhumidityinsidethegreenhouseandshowit.AM2301isasensortodetecttemperatureandwetnessinthesystem,itistesttemperatureandvalueofwetnessbyAT89C51,andshowthedatabyaseriesofprocessingontheLCDscreenin1602.ComparingthedatawithStandardtemperatureandhumidityrangethatsetbefore,andmakeajudgement.Thesystemwillexecutecorrespondingprogramofalarmifthedataisunnormal.
KeyWords：
AT89C51；AM2301；LCD1602；TemperatureandHumidityControlSystem；Alarm
1绪论
1.1课题研究的背景
改革开放以后，我国的经济水平在快速的发展，我国的社会地位在不断的进步，生活质量水平的好坏相对很多人来说也变得至关重要。
如何在一年四季都能种植和培养出优质新鲜的蔬菜，一直是人们研究的课题方向。
而基于单片机的温室大棚环境参数监控系统对解决这些问题有着非常重大的意义[1]。
温室大棚一直都用于植物种植和培育中，但这需要有一套科学的和先进的管理方法才能更好的运用好温室栽培这一高效技术，这样就可用它来监控植物在各个时间段所需要的温度和湿度等一系列环境参数。
把温湿度监控系统用在温室大棚中，是将单片机的相关应用具体化和实际化了，体现了单片机的一种实际意义，这种应用随着温室大棚的发展将会十分广泛，它代表了一种智能监控的方法。
1.2课题研究的目的和意义
在工业设计、农业生产、国防安全等行业，环境参数的监测都有着非常广泛的实际应用。
因为使用的环境不同、采集的参数不同，其系统设计也有着很大不同[2]。
在现代实际生活和发展中这一系统的应用十分广泛，温度和湿度是室温大棚环境检测系统中两个举足轻重的显示和判断指标，需要对温度和湿度进行定期的抽样检测和分析，从而采用合理的方法进行应对。
现如今，国内外的温湿度检测器件种类五花八门，而且拥有比较广泛的应用，再加上现代科技不断发展的单片机和大规模集成电路技术，随之产生了可行性比较高、稳定性比较高的单片环境参数采集体系。
随着国内外社会的不断发展和进步，很多人对现有所处的生活环境要求变得越来越严格。
为了让人们在一年四季都能吃到优质的蔬菜，在培育蔬菜的温室大棚中，对这一点要求尤其严格。
运用单片机的温室大棚监控系统的设计，将对大棚中环境的温湿度监控进行具体的设计与实现[3]。
在智能测试器件、工业生产操控、机械统一控制等方面，AT89C51单片机是很好的控制芯片，在很多温湿度监控系统的实际应用也比较常见。
用AT89C51单片机实现温湿度实时的自动监控和显示不仅性能良好，而且价格也非常便宜。
同时，在学习和应用中，AT89C51单片机也易于掌握。
使用这一监控系统，可以对温室大棚内的温湿度变化及时、精确的监控和显示以及更重要的报警功能。
在温室大棚当中采用此系统对植物的生活环境进行了时刻的监控，以便能对植物提供更加适宜的环境。
1.3课题研究的主要内容
本课题设计的系统是采用高性价比的AT89C51单片机和高准确度AM2301数字温湿度传感器设计，并朝着智能化、低廉化、模块化、迅速化的单片机数据采集系统逼近。
本系统要满足以下要求：
（1）能够准确的采集温室大棚中的温度值与湿度值。
（2）根据采集的数据实时的把结果显示出来。
（3）通过之前采集的温湿度参数值，运用合理的方法准确的比较设定值与测出值之间的差别，超出范围时进行报警提示。
2系统总体设计
2.1系统功能设计
本系统应具有以下功能：
（1）采集温室大棚里的温度和湿度，用数字显示出温室大棚中的温度和湿度。
（2）运用单片机的功能对采集的温湿度值进行不断检察、数值比较，然后显示所采集的数值。
（3）实现超越正常温湿度参数范围内的及时报警。
设定达到的温湿度参数指标如下：
（1）所设温度范围：
10~30摄氏度，温度检测精度：
+0.5摄氏度；
（2）所设湿度范围：
20到60%RH，湿度检测精度：
+2.5%RH[4]。
2.2系统设计原则
在系统设计当中要遵循一定的设计原则，本次基于单片机的温室大棚监控系统要求在可靠性、操作方法、维修体系、价格与性能等方面具有良好的体现，能够对现实中所遇到的问题简单合理地解决。
2.2.1可靠性
在高可靠性的单片机系统的前提下，系统设计的各个环节，可靠性设计准则应该是首要的。
为了提高系统的可靠性，通常是从下面几点来研究：
高可靠性元件的使用；合理可靠地设计电路板布线以及众多的接地；用一系列措施使供电电源具有抗干扰能力；IN和OUT通道也要具有抗干扰性；软件和硬件的滤波及判断系统的诊断功能。
2.2.2操作维护方便
为了减少对运行者相关知识的要求，在软件和硬件系统的设计中，我们要借助运行者的角度考虑操作和维护方便，从而便于系统的不断发展。
所以在系统设计中，要增加非人机交换界面，内部植入或简化相应的操作方法。
而且系统应对现场故障进行自动诊断和配备，以便可以有效地保证故障定位，最终进行合理的修复[5]。
2.2.3性价比
单片机最大的优势是较高的性价比，此外它还具有小尺寸、低功耗等的特点。
性价比是一个单片机应用系统是否被广泛地应用的重要条件。
所以我们在设计中，要尽可能地降低设计成本，但这是在保持高性能的基础上。
而且要对外围的硬件电路进行合理地简化，并尽可能地用相同性能和运行速度的软件进行替换，使电路更简单，性价比更高。
2.3系统的组成和工作原理
2.3.1系统的组成
此温室大棚智能监控系统是以AT89C51单片机为控制中心，采用控制系统、通信系统、温湿度检测系统等相关技术，测量元件为AM2301温湿度传感器。
在此基础上设计了温湿度检测电路、数据显示电路以及报警电路。
图2.1为系统的组成框图，主要电子元器件为：
AT89C51单片机，温湿度传感器AM2301，LCD1602显示屏，红色发光二极管LED，蜂鸣器等[6]。
图2.1系统的组成
2.3.2系统的工作原理
本系统在参数采集、数据传输、数据显示、判断报警过程中都要通过AT89C51单片机进行运算，因为AT89C51单片机是此系统的核心。
通过数字温湿度传感器AM2301单总线数据采集，通过AT89C51单片机在LCD1602上显示收集的数据。
如果采集的参数结果超出设定的标准范围，蜂鸣器就会经行实时的报警，红色LED将会显示提示。
此监控系统中的单片机编写是运用C语言，编写相对简单，而且运用了AM2301单总线技术[7]。
温室大棚监控系统是基于AT89C51单片机为中央控制单元，该中心负责系统的操作和控制，从而达到各模块之间的协调工作。
单片机把所采集的值合理地处理，并在液晶屏上显示相应的数据[8]。
报警功能是通过LED发光二极管和报警模块进行实现，倘若超过之前设定的范围，系统便会自动报警，这会体现在LED和蜂鸣器上，以此来通知用户采取相对应的措施。
系统的工作流程图如图2.2所示。
图2.2系统的工作原理图
3系统硬件设计
3.1单片机系统设计
在讨论了总体方案和实施措施后，上述硬件系统设计便可开始，无论是应用系统还是软件系统，它们的基础都是硬件系统，可见硬件系统设计的重要性。
在主机的选择中应考虑很多因素，对总体功能、性价比及其运行速度等方面考虑后，选择了51单片机系列中的AT89C51，它不必进行存储扩展，而且符合所有的要求，同时设计上也相对简便。
3.1.1AT89C51单片机简介
MCS-51系列单片机最基础的成果是8031/8051/8751（8031/8051/8751是对应的低功耗单片机以及其增强产品8032/8052/8752）。
它们具有品种全、兼容性强、性价比高等特点，然而它们却是8位的单片机，同时具有足够齐全丰富的软硬件应用设计内容，在国内外设计人员中都有所认识。
在1980年到1990年期间，MCS-51系列单片机是中国设计运用非常普遍的单片机机型[9]。
中央微处理机AT89C51：
它是一个消耗功率低、运行性能高的CMOS8位单片计算机。
拥有4K字节的ISP（在一些系统中可以编程成片状）的Flash程序存储器只读反复1000次。
使用Atmel高密度不容易丢失的存储器设备、匹配准则、制造技术、一系列MCS-51指令系统和80C51引脚的基本结构，通用8位CPU和ISP闪存存储单元，AT89C51强大的计算机可以为许多嵌入式控制应用系统提供高可比性的解决方案。
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[10]。
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。
而且，该芯片包含三种封装：
PDIP，TQFP和PLCC。
根据现实的选择需求，并且也考虑到了整个系统的设计和精致的成本，因此在本系统的设计中采用AT89C51单片机作为整个系统的控制器，因为它的价格便宜、运行也比较可靠[11]。
图3.1AT89C51单片机实物图
图3.2AT89C51单片机的片内硬件组成结构
3.1.2AT89C51单片机的引脚介绍
AT89C51的引脚封装如图3.3所示。
AT89C51共40个引脚，可划分为以下3种：
电源及时钟引脚：
VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。
控制引脚：
PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、RST。
I/O口引脚：
P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
图3.3AT89C51的引脚封装
3.1.3时钟电路设计
AT89C51单片机的每个模块的运作均是依靠时钟信号为统一标准，按先后顺序、一定规则地操作。
所以单片机的运行速度会被时钟频率非间接影响，单片机系统的稳定性也会被时钟电路的质量非间接影响。
在AT89C51单片机中，高增益反相放大器是为了产生内部震荡的，XTAL1是它的输入端，XTAL2是它的输出端[12]。
二者之间接有12M的石英晶体和30pF的电容，以此来形成一个相对稳定的振荡器。
而外部时钟方式时，XTAL2端悬空，它的外部时钟电源将会接到XTAL1端。
时钟电路如图3.4所示。
图3.4时钟电路
3.1.4复位电路设计
单片机的初始化运作是复位，在RST复位端上外加两个机器周期可使单片机复位。
复位电路通常采用两种方式自动复位和复位按钮。
电源由电容C添加到复位端短的高电平信号，信号逐渐下降与VCC电容C充电时间RST充电过程，在这一高度的持续时间取决于电容C。
因此，为了保证系统能够可靠地复位，在EST引脚高水平必须保持足够长的时间。
有两种类型的复位方式，手动按钮和水平脉冲复位[13]。
复位电路如图3.5所示。
图3.5复位电路
3.2温湿度采集电路设计
本设计采用AM2301数字温湿度传感器来采集数据，它可以同时采集温度和湿度，并通过一条数据线对单片机进行数据输出。
3.2.1AM2301简介
AM2301数字温湿度传感器是一种温度和湿度信号可以同时输出的传感器。
它是应用特定程序的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有高可靠性和良好的长期稳定性。
该传感器包括一个电容式湿度传感元件和温度传感器，并连接一个高性能的8位单片机。
因此，产品品质优良，响应速度快，抗干扰能力强，性价比很高。
AM2301传感器事先是要经过准确地校准再进行封装，校准的系数通过程序的方式存储在OTP内部存储器中，传感器内部调用校准系数进行处理检测信号。
它是一个快速简易的单线串行接口集成系统，且体积小，消耗也比较低。
即使在最苛刻的环境下应用，也可以很好地传输，因此成为各种应用的最佳选择。
AM2301传感器为4引脚单列引脚封装产品，连接方便，特殊的包装也可根据客户的需求提供[14]。
AM2301的引脚如图3.6所示。
其中，1脚VDD：
供电3.3-5.5VDC；2脚DATA：
串行数据传输，单总线形式；3脚NC：
空脚，悬空（不要接VCC或GND）；4脚GND：
接地，电源负极。
图3.6AM2301引脚
AM2301的额定工作电压在3.5-5.5V范围区间内，而一般供电电压设定是5V。
数据线DATA当作读/写传感器，而且它的数据引脚为三态结构。
AM2301的技术参数如表3-1所示。
表3-1AM2301技术参数
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
0.1
%RH
16
Bit
重复性
1
%RH
精度
25
3
%RH
0－50
5
%RH
互换性
可完全互换
采样周期
1
2
S
响应时间
2
S
迟滞
%RH
长期稳定性
典型值
温度
分辨率
0.1
16
重复性
精度
量程范围
-40
80
响应时间
6
10
S
3.2.2AM2301接口电路设计
AM2301与AT89C51连接电路如图3.7所示。
图3.7中1脚接VCC，2脚接单片机的P1.5脚，上拉电阻是10K。
串行数据线的作用是使单片机和AM2301能够正常传输联系，传输过程中是用总线的方式进行，每次传输在5ms上下，其传输长度是40个二进制位，先输出高位后输出低位。
图3.7AM2301与AT89C51接口电路
3.3液晶显示电路设计
LCD1602液晶是一类特定用来显示符号、字母、数字等的点阵型液晶模块，是由很多点阵字符位组成，但是只能显示字符不能显示图像，而且只能显示两行。
1602实物图如图3.8所示。
图3.8LCD1602实物图
LCD1602主要技术参数如下：
（1）显示容量：
16×2个字符；
（2）芯片工作电压：
4.5～5.5V；（3）工作电流：
2.0mA（5.0V）；（4）模块最佳工作电压：
5.0V；（5）字符尺寸：
2.95×4.35（W×H）mm；（6）LCD1602采用标准的16脚（带背光）或14脚（无背光）接口。
以下是每个引脚端情况：
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，当对比度比较高的时候会出现“鬼影”，调整对比度时便可调节一个10000的变阻器。
第4脚：
RS是寄存器选择端口，高电平是数据寄存器的选择，低电平是指令寄存器的选择。
第5脚：
R/W为读写数据线，高电平为读操作，低电平为写操作。
假如RS和R/W同一时间均是低电平，便可以写入指令或者显示地址。
第6脚：
E端为使能端口，如果E端从高电平变为低电平的时候，此液晶模块执行相应的命令。
第7～14脚：
这八个脚为八位双向通信的数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极[15]。
LCD1602与AT89C51的电路连接方式如图3.9所示。
图3.9LCD1602与AT89C51连接图
3.4光声报警电路设计
该系统采用红色的LED灯作为光报警，当系统检测到的数据符合给定的要求时，现场红灯不显示；当系统检测到的数据不符合要求时，现场为红灯报警。
本系统采用蜂鸣器作为报警声，当系统检测数据符合给定的要求时，现场没有蜂鸣器报警；当系统检测到的数据不符合要求时，蜂鸣器报警。
连接电路如图3.10所示。
图3.10光声报警系统电路图
3.5按键设置电路设计
在实际运用中，我们需要对系统设置一个适合植物生长的温湿度范围。
在此，系统设置了三个按键，通过这三个按键来设置温湿度的上下限数值。
三个按键中分为设置键、数值加和数值减键。
第一次按下设置键是设置温度的最大值，第二次按下设置键是设置温度的最小值，第三次按下设置键是设置湿度的最大值，第四次按下设置键是设置湿度的最小值，按数值加和数值减键可以设置当前的数值大小。
4系统软件设计
此次系统设计包括：
初始化设计模块，温湿度检测模块，LCD1602显示模块，温湿度判断模块，报警模块。
系统软件设计的整体流程图如图4.1所示。
图4.1系统流程图
4.1初始化模块
系统的初始化模块的主要功能是完成系统的初始化和系统工作状态的设置，初始化部分包括以下几个方面：
（1）单芯片的初始化和各种引脚定义；
（2）1602液晶初始化和运行模式；
（3）系统处于正常工作状态。
4.2温湿度检测模块
温度和湿度检测模块是系统的核心模块，温度和湿度都是经过它的检测，并将检测内容进行数字转换，直接与单片机进行通信，因此此模块非常重要。
数字式温湿度传感器AM2301是直接模拟试验为数字量的单芯片微控制器，处理后，在1602液晶屏上显示温度和湿度值。
因为温度和湿度传感器值的精确度直接影响整个系统的检测控制，所以本系统采用AM2301这个高性能、高精确度的数字温湿度传感器。
4.3温度和湿度控制模块
温度和湿度控制模块是判断系统的核心模块，控制模块可比作为法官，它的职责是进行判断，倘若温室大棚内的温度和湿度在设定的温度和湿度范围内，判断为“是”；倘若温室大棚内的温度和湿度超过设定的温度和湿度范围，判断为“否”。
控制模块以此来确定系统将做什么工作，“是”执行不报警，“否”执行报警。
温湿度控制模块的程序判断步骤如图4.2所示。
图4.2温湿度控制模块判断步骤
4.41602液晶显示模块
该系统运用1602液晶显示器显示温度和湿度值，当系统初始化时，1602液晶不显示任何数据；当AM2301监测的数据通过单片机进行传输时，1602液晶显示器显示双行字符。
第1行的显示方式为：
“Temperature：
--℃”，第2行的显示方式为：
“Humidity：
--%”。
4.5报警模块
报警模块有两个功能，即声报警和光报警。
LED光报警是为了吸引用户的视觉注意，它是由单片机进行控制，其点亮条件为：
（1）系统的温度和湿度值在原先设定的范围内，红色LED灯不亮；
（2）系统的温度和湿度值超过原先设定的范围时，红色LED灯亮。
在LED灯点亮的同时，声报警也将在同一时间跟随。
LED灯为红色，因此共有一条数据线通过单片机实现红色LED灯功能点亮。
如果当前系统检测的温湿度值经过比较，不在原先设定的标准范围内时，红色LED灯点亮，且声报警也随之启动，蜂鸣器鸣声。
相反，如果当前系统检测的温湿度值经过比较，在原先设定的标准范围内时，红色LED灯不亮，声报警不启动，蜂鸣器不发声[16]。
5结论
以上为毕业课题所设计的温室大棚控制控制系统，在通过不断地设计与调试后，基本要求还是设计出来了。
系统是采用AT89C51单片机、AM2301数字温湿度传感器、LCD1602液晶显示模块和蜂鸣器、LED发光二极管等器件实现的温室大棚监控系
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