智能温室参数无线监控系统设计.docx
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智能温室参数无线监控系统设计
题目智能温室参数无线监控系统设计
学生姓名学号
所在学院陕西理工学院
专业班级电子1203班
指导教师
完成地点物理与电信工程学院实验室
2016年5月20日
智能温室参数无线监控系统设计
作者：
（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业12级3班，陕西723000）
指导教师：
[摘要]介绍基于STC89C52单片机和DHT11的温湿度检测系统。
其中测温湿度控制电路由温湿度传感器和预设温度值比较报警电路组成，DHT11数字温湿度传感器把采集到的温湿度数据传给单片机。
经过单片机的处理。
准确的显示到液晶屏上。
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。
通过测试之后基本实现了所有功能。
并对温湿度设置上下限。
越限报警。
该系统电路简单、工作稳定、集成度高，调试方便，测试精度高，具有一定的实用价值。
[关键词]STC89C52；DHT11；1602LCD
DesignandResearchofGreenhouseEnvironmentalMonitoringSystemBasedonSingleChipMicrocomputer
Author:
ShaoBinZhang
（Grade12,Class03,MajorinElectronics&Informationengineering,Physics&TelecommunicationsengineeringDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）
Tutor:
FangLiang
[Abstract]ThisdesignistheuseofSTC89C52andDHT11intemperatureandhumiditydetectionsystem.Temperatureandhumiditycontrolcircuitinwhichthetemperatureandhumiditysensorsandcomparethevalueofthepresettemperaturealarmcircuit.DHT11digitaltemperatureandhumiditysensorstotheacquisitionoftemperatureandhumiditydatatothemicrocontroller.Theprocessingofsinglechip.AccuratedisplayedontheLCDpanel.Andthetemperatureandhumidityonthesetlimit.Thelimitalarm.If thetemperatureexceedsthethreshold, will drivetherelaytowork. thesystemcircuitissimple,stable,highintegration,commissioningConvenient,highprecision,hassomepracticalvalue.
[KeyWords]STC89C52；DHT11；1602LCD
1引言
1.1课题背景
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[2]。
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立题的目的及意义
AT89C52单片机是被经常用作控制的芯片，它具有开发周期短、控制能力优异、可靠性强的优点，用其作为控制系统的实例也很多。
使用它能够实现温度和湿度全过程的自动控制，并且AT89C52单片机便于学习、了解，性价比都是比较高的。
使用AT89C52单片机设计这个系统，可以准确、及时的反映室内的温湿度的变化。
完成比如升温直到设定温度、降温直到设定的温度、在设定温度的上下限范围内保持恒温和多种控制方式并存，在湿度和温度控制的方面也是一样的[3]。
将此温湿度控制系统应用到农业温室中必然会为植物的成长提供了更好的适宜的环境。
1.3国内外的研究现状及发展趋势
美国是将计算机应用于大棚和管理最早，最多的国家之一。
美国开发的大棚计算机控制与管理系统可以根据作物的特点和生长所需要的条件，对大棚内的光照，温度，湿度等诸多因素进行自动控制。
这种自动控制系统需要种植者输入温室作物生长所需的环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标进行比较，以决定大棚温湿度的控制过程，按照相应的机构进行加热，降温或者是浇水，通风等[4]。
目前，我国绝大部分自主开发的大棚温湿度控制或者进口的国外设备都属于这种系统。
虽然这种自动控制系统实现了自动化，适合规模化生产，提高了劳动生产率，通过改变大棚温湿度的设定目标，可以自动的对大棚内温湿度进行调节，但是这种调节对作物的生长来说还是相对滞后的，难以介入作物生长的内在规律。
所以在这种自动控制系统和实践的基础上，温湿度自动控制向着适合不同作物生长的智能化控制发展。
国外大棚业正致力于高科技发展，遥测技术，网络技术[5]，控制局域网已逐渐应用于大棚的管理和控制中，近几年各国温度控制技术提出建立大棚行业标准，朝着网络化，大众化，大规模，无人化的方向发展的思路[6]。
目前国内外使用的温湿度检测元件种类繁多、应用范围也较广泛加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片机数据采集系统。
基于单机片的温湿度监测控制系统的设计研究较少。
随着经济和社会的不断发展，人们对自己的生活环境要求越来越高。
特别在温室大棚中，对温湿度要求更为严格。
基于单片机的温室温湿度控制统设计，将对环境的温湿度监测系统做详细的设计与实现。
1.4本系统主要研究内容
本系统所要实现的功能是：
1.温湿度实时检测及显示。
通过LCD1602实时地显示传感器DHT11检测到的温湿度值，并且固定时间（2s）检测更新显示一次。
2.报警阈值的手动设置。
通过四个按键实现温湿度阈值的设置，使得系统更加人性化、智能化，具有更高的实用价值。
3.当温湿度超出阈值时能自动开启相应的继电器驱动负载。
通过小灯指示哪一路工作，以提醒用户。
阀值可以通过AT24C02存储，实现断电保存。
4.系统主要可以应用在粮仓的智能控制，当温度超限通风降温；当湿度超限可以抽湿。
1.5系统的工作原理简介
总体来说，本次设计主要涉及了温湿度的测量、显示以及实现简单控制。
硬件方面有五个模块，即STC89C52单片机主控模块、传感器模块、LCD1602液晶显示模块、继电器模块以及阈值设置模块。
本系统以单片机STC89C52为核心，数据采集、传输、显示、报警都要通过单片机。
数据采集通过单总线的智能数字温湿度传感器DHT11完成；通过单片机把采集的数据显示在LCD上；当采集的数据超出给定范围时，有LED灯实时报警，单片机采用C语言编程[7]。
传感器模块使用的是DHT11数字温湿度传感器。
通过DHT11检测出当前环境下的温湿度，将所测数据交给AT单片机进行分析和处理，并分别存入不同数组以便显示时候用。
其中，为了显示稳定，本系统每间隔2s采集一次数据送入单片机。
本系统采用的是继电器驱动负载，因此无论温度还是湿度超出范围继电器均可以驱动负载工作，及时启用降温风扇以及抽湿风扇来有效的调整粮仓等应用场所内的温湿度。
2系统总体方案设计
2.1系统总框图
硬件主要以STC89C52型单片机为核心，通过LCD1602实时地显示传感器DHT11检测到的温湿度值，阀值可以通过AT24C02存储，实现断电保存。
过阀相应的报警驱动。
本研究设计的温湿度控制器框图如图2.1所示。
图2.1温湿度控制器方框图
2.2 芯片选择
单片机的选择
方案一：
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，芯片采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，能够兼容正常的MCS-51指令系统，芯片内部采用8位中央处理器（CPU）和Flash存储器，功能很好。
其片内的8K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。
再者，这个芯片目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
它可用来构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。
只要程序长度小于8K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms。
AT89C52芯片采用了三级程序存储器进行了加密，使用了方便灵活并且可靠的硬加密技术，足够保证程序或系统不被抄袭。
PO口是三态双向口，是数据总线口，因为只有它能直接被用于对外部存储器的读/写操作。
方案二：
STC系列单片机的指令系统和AT系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：
（1）AT89C52不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。
（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC时注意得加长延时，大约是AT的10—30倍就差不多，这一点自己调试就知道了。
（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下STC肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用STC的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。
比较这两种方案，由于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，我选择用STC系列芯片完成。
而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。
本系统选择STC89C52单片机作为主控芯片。
足够本设计运行，且价格便宜，下载程序方便。
传感器的选择
方案一：
选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。
DS18B20是一线式数字温度传感器。
具有独特的单线式接口方式。
测量范围在—55℃～125℃，—10℃～85℃，误差范围在-\+0.5℃。
最高精度可达0.0625℃。
HS1101是电容式湿度传感器。
可测量相对湿度范围在0%～100%RH。
误差为-\+2%RH。
方案二：
选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。
DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，担保产品具有极高的稳妥性与杰出的长期平稳性。
传感器包含一个电阻式感湿器件和一个NTC测温器件，并和一个高性能8位单片机相连结。
所以这个产品具有性能卓越、响应速度快、抗干扰性能强、性价比极好等优点。
湿度测量精度在20%～90%RH之间，温度在0℃～50℃之间。
测温误差在-\+2℃，测湿误差在-\+5%RH。
完全符合这次毕业设计的要求。
经上述分析，方案一虽然精度更精确。
却稍显复杂。
方案二即便不能实现方案一的高精度测量。
却也能满足设计要求。
且简便易行。
可靠稳定。
具有超高的性价比。
故选择方案二。
显示器选择方案
方案一：
采用12864液晶显示屏。
这个显示模块采用64×128点阵的汉字图形型液晶显示模块，可用来显示图形及汉字，内部含有8192个中文汉字、128个字符和64X256点阵显示内存。
可和CPU直接相连，采用两种界面来和微处理器相连：
具有8位串行和并行两种连接方式。
拥有多种特点：
坐标显示、画面移动、睡眠功能等。
方案二：
采用LCD1602液晶显示屏。
LCD1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）。
1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，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等等，显示效果简单。
总结：
在编程使用方面，两者难度差不多，原理差不多，都是写指令、写地址、写数据等等。
当然12864液晶屏显示更全面、字符更多。
相比于1602液晶屏、12864能更形象具体的实现显示功能。
不过1602液晶屏也能实现设计的要求。
网上买比较廉价，最低的六块钱左右。
而12864液晶显示屏最便宜的也要四十块钱。
从造价方面考虑，当然是价格低廉的优先。
而LCD1602A就是最好的选择。
3系统硬件电路的设计
3.1系统硬件概述
此次的毕业设计主要由五个大的模块构成，分别是主控模块、传感器模块、LCD液晶显示模块、继电器模块以及阈值设置模块。
其中主控模块是此次毕业设计的核心模块，主要是指STC89C52芯片，它控制整个系统的运行，利用其各个口分别控制其他模块，使其他模块能够成为一个整体，实现功能的需要，从DHT11温湿度传感器中读入温度和湿度，在液晶屏上即时显示。
液晶屏上同时显示温湿度上限值，该上限值保存外外部EEPROM存储器中，掉电不失，并且可以通过四只按键上调或下调。
当温度或湿度值超过上限值时，报警信号点亮相应报警灯。
该报警信号可以通过三极管驱动继电器，以控制外部风机或制冷器。
3.2主控模块设计
通过上面地总体方案和实施措施的议论后就应该最先着手硬件系统的设计，软件系统设计的基础、硬件系统是应用系统的根本，根据性价比、运行地速度还有部分功能地实现等因素的考虑后，选用STC89C52单片机是一个比较合理的选择。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器,与工业89C51产品指令和引脚完全兼容[8]。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，STC89C52拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[9]。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式[10]。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口中断继续工作。
掉电保护方式下，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。
其引脚排列如图3.1所示：
图3.1STC89C52引脚图
（1）电源及时钟引脚（4个）
VCC:
电源接入引脚；
GND:
接地引脚；
XTAL1:
晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；
XTAL2:
晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。
（2）控制线引脚（4个）
RST/VPD:
复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；
ALE/PROG:
地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚（低电平有效）；
EA/Vpp:
内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚；
PSEN:
外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。
（3）并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）
P0.0～P0.7:
一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；
P1.0～P1.7:
一般I/O引脚；
P2.0～P2.7:
一般I/O引脚或高位地址总线引脚；
P3.0～P3.7:
一般I/O引脚或第二功能引脚。
其内部主要由CPU、RAM、ROM、通用I/O及总线构成。
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格；
单片机的寄存器
MCS-51芯片有独特的程序存储器、数据存储器。
外部程序存储器、数据存储器，都能够采用64K的寻址方式。
程序存储器：
假如EA引脚接低电平，程序读取只有从外部存储器开始读取。
对于52单片机，如果EA接电源，程序读写只有从内部存储器开始，并且从外部寻址。
数据存储器：
52单片机有256字节的片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重合。
意思就是说高128字节和特殊地功能寄存器有一样的地址，然而在物理上却不是在一起的。
假如一条指令访问一条比7FH高的地址时，寻址方式决定着中央处理器是访问高128字节存储器还是特殊功能寄存器（SFR）[11]。
机器周期和指令周期
（1）振荡周期:
也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。
（2）状态周期:
每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。
（3）机器周期:
一个机器周期包含6个状态周期S1～S6,也就是12个时钟周期。
在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。
（4）指令周期:
它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。
每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。
中断
STC89C52有6个中断源:
两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。
每一个中断源都可以通过清除或置位特殊地寄存器IE中的相关中断允许控制位分别让中断源是否有作用。
IE含有一个中断允许总控制位，它可以一次禁止全部中断。
IE.6位不能用，用户的软件不能够给这个位写高电平。
因为它们是为STC89系列新产品得预留[12]。
XTAL1（19脚）：
接外部晶振的一端。
在芯片内部，它就是一个反向放大器的输入口。
因此它组成了一个片内振荡器。
XTAL2（18脚）：
与晶振另一端相连，在芯片内部，它就是一个反向放大器的输出口。
当使用外部振荡器时，这个引脚会收到振荡器的信号，会把这个信号直接和内部时钟发生器的输入端相连[13]。
本系统采用晶振时钟电路。
外部晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。
外接晶振时，C1和C2通常选择30pf,晶振采用12MHz。
本设计时钟电路如下图3.2所示：
图3.2时钟电路
3.3DHT11传感器模块设计
DHT11传感器简介
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，DHT11传感器都在准确的湿度校验室中进行校准。
校准的系数应该采用程序地形式存在于OTP内存中，由于传感器的里面通过检查信号的处理过程中需要调用这些校准系数[14]。
单线制串行口，使系统的集成变得简易而快捷。
超小的体积和极低的功耗，使它成为了给类应用甚至最为严格的应用场合的最好选择。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
DHT11传感器实物图如下图3.3所示：
图3.3 DHT11传感器实物图
（1）引脚介绍：
Pin1：
（VDD），电源引脚，供电电压为3~5.5V。
Pin2：
（DATA），串行数据，单总线。
Pin3:
（NC），空脚，请悬浮。
Pin4（VDD），接地端，电源负极。
（2）接口说明：
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
如下图3.4所示：
图3.4 DHT11典型应用电路
（3）电气特性：
VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注
表3.1DHT11的电气特性
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
mA
平均
0.2
1
mA
待机
100
150
uA
采样周期
秒
1
次
注:
采样周期间隔不得低于1秒钟。
DHT11传感器模块电路设计
DHT11传感器连接STC89C52系列单片机相对比较简单。
单片机的P2.0口用来发收串行数据，即数据口。
连接传感器的Pin2（单总线，串行数据）。
由于测量范围电路大于20米，建议加一个10K的上拉电阻，因此在传感器的Pin2口与电源之间连接一个10K电阻。
而传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端。
传感器的第三脚悬浮放置。
DHT11传感器原件的电路原理图如下3.5所示：
图3.5DHT11电路原理图
3.4液晶显示模块设计
LCD1602A是一种工业字符型液晶显示器，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）。
（1）引脚说明：
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：
R/W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R/W共同为低电平时往里面写入指令或者显示地址，RS为低电平并且R/W为高电平时，能够读忙信号，RS为高电平并且R/W为低电平时可以往里面写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由电平是下降沿时，液晶模块施行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
（2）1602LCD的RAM地址映射以及标准字库表
它的所有操作、屏幕以及光标的操作都是采用指令编程来完成的。
指令1：
清显示。
指令2：
光标复位。
指令3：
光标和显示模式设置。
指令4：
显示开关设置。
指令5：
坐标或显示移动。
指令6：
功能设置命令。
指令7：
字符生成器内存地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读出忙信号和坐标地址。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
1602内部显示地址如图3.6所示：
图3.61602显示地址
在对液晶模块的初始化中要先设置它的显示方式，在液晶模块显示字符时坐标是自动右移的，不需要人为控制。
每次输入指令前都要先判断液晶模块是不是正处于忙碌。
1602液晶模块内部的字符发生存储器已经包含了160个不一样的点阵字符图形。
电路中液晶接口图如图3.7所示：
图3.7 1602显示模块
3.5继电器模块
电磁继电器是由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片这些器件构成的。
只需要在线圈两边加上一定的电压，线圈就可以流过电流，从而使得线圈带电，线圈就会吸附衔铁，带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就可以通过
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