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1.1─3.1：
查阅资料（参考文献不少于10篇），进行方案论证，完成开题报告；
3.2─3.31：
完成不少于3000字的外文翻译，设计硬件电路，编写软件、调试仿真及单元电路调试
4.1─4.30：
样机调试
5.1─5.20：
完善系统调试，撰写论文，准备毕业设计验收等工作；
5.21-6.10：
整理资料，修改论文，准备毕业答辩。
指导教师系（教研室）通信教研室
系（教研室）主任签名批准日期
接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名
温室环境监测系统设计
杜浩然
（陕西理工学院物理与电信工程学院通信103班，陕西汉中723003）
指导老师：
郑争兵
[摘要]随着社会的发展人们越来越关注环境因素，温室大棚的迅速发展使得温室智能监成为炙手可热的话题。
温室监测系统就是通过单片机STC89C52为控制核心，加上温湿度传感器DHT11，和无线模块NRF24L01的配合，实现远程监测室内的温度和湿度。
并且最后通过液晶显示LCD1602的显示使得室内的变化更加直观。
其电路主要分为单片机最小系统，无线集成模块，液晶显示模块和温湿度采集模块。
软件设计采用模块化设计方案,主要完成采集数据处理,LCD显示，led光亮度调节及控制程序。
[关键词]STC89C52、DHT11、无线模块、LCD1602
TheDesignOf
GreenhouseEnvironmentMonitoringSystem
DuHaoran
（Grade10,Class3,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsand
Tutor:
ZhengZhengbing
Abstract：
Withthedevelopmentofsociety,peopleareincreasinglyconcernedaboutenvironmentalfactors,therapiddevelopmentofintelligentgreenhousemakesthegreenhousesupervisorbecomeahottopic.GreenhousemonitoringsystemisthecontrolcenterthroughthemicrocontrollerSTC89C52,withtemperatureandhumiditysensorsDHT11,andwirelessmoduleNRF24L01withtherealizationoftheremotemonitoringoftheindoortemperatureandhumidity.AndfinallythroughtheLCD1602LCDdisplaymakestheinteriorchangesmoreintuitive.Thecircuitcanbedividedintothesmallestsingle-chipsystem,wirelessintegrationmodule,LCDmoduletemperatureandhumidityacquisitionmodule.Softwaredesignismodulardesign,mainlytocompletetheacquisitionofdataprocessing,LCDdisplay,ledlightbrightnessadjustmentandcontrolprocedures.
Keywords：
STC89C52、DHT11、wirelessmodule、LCD1602
1绪论
1.1选题的目的及研究意义
随着科技的飞速发展，人工智能已经走入人们的生活，例如机器人的应用，智能车的普及，以及离人们最近的大棚栽培。
简单地说温室环境监测系统由浙江托普物联网提出，也可仪称之为温室智能控制系统。
系统利用环境数据与作物信息，指导用户进行正确的栽培管理。
托普物联网温室环境监测系统可广泛应用于农业、园艺、畜牧业等领域，在需要特殊环境要求的场所实施监控和管理，为实现对生态作物的健康成长和及时调整栽培、管理等措施提供及时的科学的依据，同时实现监管自动化。
再者说我国毕竟是农业大国，在农业也是积累的相当多的经验和知识，但是我国大部分地区都存在山多土地少，土质不好，土壤资源匮乏，气候条件恶劣。
这些劣势不利于农作物的生长，况且随着社会的日益进步，城市化的发展，使得从事农业生产的人越来越少，而社会对物质的需求却随着社会的发展日益增高，这就使原有的农作种植方式已经不能满足社会发展的需求，必须对传统的农业进行技术改革。
因此农业智能化工作已经到来，而智能就需要对农作物生长的环境因素掌握和控制，而温度湿度是环境因素里面不可缺少的变量。
温室控制技术也是针对这些因素进行研究的。
温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造环境，避免外界环境因四季的变化和恶劣气候的变化对其影响。
它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料在冬季或者其他不适宜陆地植物生长的季节栽培植物。
温室生产以达到调节产期促进生长发育，防止害虫及提高质量、产量为目标。
随着工业的发展学要我国温室的温湿对检测系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，
其智能化程度也越来越高，然而我国的很多地方温室的温湿度调节是应用很传统的开关门来实现，这种方法费时费力，效率又很低，准确度又不高，随机性大，很不科学。
因此需要研制一种结构简单价格低廉的测控系统来达到对温室的因素如光照、温度、湿度等因素的监控。
现阶段温室环境监测已经离是我们越来越近，它替代了外界环境对我们生活的影响，改善了我们的物质和精神生活。
也是社会与科技发展的必然结果。
由于主要应用于大棚农作物的培养，环境监测的智能就显得十分重要了。
故本次对温室环境监测系统的研究具有十分重要的意义。
1.2课题研究现状和前景
我国温室业起步比较晚。
60年代仅利用简易式塑料大棚来种植蔬菜，到了20世纪80年代中期，人们开始对原有日光温室，如建筑结构、环境调控技术及栽培技术进行了全面的改进，在完全不加热获有少量加热的情况下，在严冬生产喜湿果蔬，在我国设施蔬菜栽培史上取得了重大突破，但产量相对较低。
后来，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了先进的现代化温室成套装备，但自主生产的量还是比较少。
首先引进的温室能耗过高，国情国力难以承受；
其次由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术；
再次温室生产是一个复杂的过程，是硬件设施和软件技术的统一体，而我们缺乏相应的管理人才；
最后由于气候、水土、资源、地域等环境因素的差异，引进的国外系统并不完全符合我国的国情，引进的设备没能完全发挥作用，并且设备成本高、维护困难。
致使企业相继亏损或停产，使我国大型温室跌入了发展的低谷。
20世纪90年代初，我国科研单位对主要的蔬菜环境控制问题惊醒了一系列实验研究，并且取得了一定的成效。
“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕，生产出一批具有我国知识产权的控制系统，但总体来说，我国在设施农业中环境控制能力低，自动化程度十分落后，抵御自然灾害的能力差。
在温室因素方面，我国的温室监控系统还停留在单因子控制阶段，现在也有专家进行多因子综合因素的大系统控制研究，这将代表我国温室系统今后的研究方向。
温室监控技术至今已经经历了几十年的发展过程。
早期是使用仪表对温室设施中的光照、温度等参数进行测量，再使用手动或电动执行机构施行简单控制，随着传感元件、仪表及执行器技术的进步，逐步发展成为对温度、湿度、光照等几乎所有室内环境参数分别进行自动控制。
随着计算机的发展使得一切自动控制变成可能。
温室环境控制技术是随自动化检测技术、过程控制技术、通讯技术及计算机技术的发展而发展起来的。
近几年来，温室栽培作为蔬菜生产发展的方面，近十几年来在我国得到了较快的发展。
但是目前我国温室的环境控制水平仍较低，不能满足作物全年高产栽培的要求。
因此，宜通过对温室的结构与材料、环境控制技术及自动控制的计算机软件系统等方面进行进一步研究和开发，以期尽快提高我国温室生产的现代化水平。
温室环境监测系统通信方式主要以下几种，基于485总线或CAN总线的有线通信方式，基于Zigbee协议、蓝牙的短距离无线通信方式，基于GPRS、GSM的远距离无线通信方式。
有线通信方式使得室内的信号线、动力线错综复杂，恶劣的温室环境导致线缆老化，系统可靠性降低，安装维护难度大，不利于农业机器和人等移动设备作业。
无线通信方式无需布线、组网灵活、易升级，无线通信设备可以在网络覆盖范围内重新组网，相对有线通信具有明显的优势。
但是目前温室中使用的无线通信方式存在一定的局域性，如蓝牙通信设备成本高，功耗大，当作为主设备时智能连接7个从设备：
GPRS和GSM通信利用付费的电信网络，频繁的数据传输增加了温室测控的使用成本。
而基于NRF24L01提供的无线网络平台集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、体积小，整个网络所使用的无线频率是国际通用的免费频段（2.4GHz-2.18GHz），优点是抗干扰能力强，网络的自组织，自愈能力强。
通信工程专业的毕业设计是一个十分注重生活和研究意义的设计，是要求我们综合运用所学知识技能，为将来走上社会工作岗位奠定基础的一个不可缺少的实践环节。
通过毕业设计的完成，不仅强化了我们对专业课题的分析和应用能力,而且增强了我们分析解决问题的能力，加强我们的动手能力，学以致用才是老师的真正目的。
作为一个工科生若不会动手或者动手能力差这对于我们以后的发展是及其不利的。
培养自己的自主创新意识和较强的动手能力为以后进入企业、走向社会后打下良好基础。
1.3设计的目的和任务
1、设计目的：
充分熟悉温度湿度测量原理；
用单片机控制无线传输模块实现无线传输；
总结设计，完成设计论文1篇；
2、设计任务：
熟悉DHT11的原理；
了解三顿稳压器的三个引脚作用；
利用无线模块进行数据的收发；
完成接口电路的设计，完成控制程序的编写；
数据显示设计与实现，将测量的温度湿度显示在LCD；
2.系统方案选择和论证
2.1设计要求
目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；
因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的。
此次温室环境监测系统的设计主要有以下几点要求：
1.掌握无线传感器网络方面的基本理论知识；
2.采用NRF24L01协议，实现点对点通信距离300m；
3.系统集成，完成功能调试
2.2方案选择和论证
2.2.1主体方案设计
经分析，将系统分为两个部分，一个是由DHT11温湿度传感器和单片机组成的监测部分，另一个是由单片机和LCD1602显示屏组成的主控与显示部分。
两部分由NRF24L01无线收发模块连接，温湿度传感器将监测到的数据送到监测板上的无线模块，再由无线模块将信号发给接收无线模块，经主控板上的单片机处理数据，将信息交由显示器显示。
下图为系统组成框图：
图2.1整体系统框图
2.2.2各模块的选择说明
1）温湿度传感器的选择说明
方案一：
选用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器。
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℃，误差为-\+0.5℃。
最高精度可达0.0625℃。
HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0%～100%RH，误差为-\+2%RH。
此方案精度高，但是用两个模块，致使电路复杂。
方案二:
选用DHT11作用温湿度监测模块。
DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20～90%RH湿度，误差%5RH，0～50摄氏度，误差2摄氏度。
并且DHT11是数字传感器不需要数模转换大大减少电路的复杂程度。
综上所述，方案一精度高，但电路连接复杂，集成度不高，而方案二也可满足精度要求，综合性强，故本设计采用方案二。
2）显示模块的选择说明
采用12864液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数，但12864液晶模块价格昂贵，接线复杂。
方案二：
采用1602液晶模块显示所测数据，1602接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格合适，是一款性价比较高的显示模块，故本系统采用LCD1602液晶屏完成显示。
综上所述，方案一虽然具有很多优势，但是出于实际与经济考虑，只需要直观的显示温度和湿度即可。
因此选用LCD1602显示。
3）无线模块的选择说明
方案一：
采用基于ZigBee协议的CC2530无线模块。
其工作频段在2405MHz～2480MHz之间，集成8051内核，通信协议标准为IEEE802.15.4，传输距离为1000m，但此模块测试调试复杂，且价格昂贵。
采用NRF24L01无线模块。
NRF24L01无线模块使用2.4GHz全球开放ISM频段，2Mbps高速率传输，降低了无线传输中的碰撞现象。
多频点，超小型，低功耗，成本低，内置天线，方便接线，抗干扰能力强。
综上所述虽然ZigBee有着传输距离远的优势，但是同样的它微电路带来的复杂度和工程量也是不可忽略的。
并且由于价格昂贵，最终选择同样能实现功能的NRF24L01无线模块来实现的毕业设计。
3硬件设计及实现
此次设计的温室环境监测系统硬件电路主要有监测板和主控板两个硬件主板实现，主控板上有STC89C52单片机、LCD1602和NRF24L01无线模块组成，由于NRF24L01无线模块工作电压低于3.3V,故电路板上还需要一个三端稳压管来降低电压，保证NRF24L01正常工作。
监测板上相应有STC89C52单片机、DHT11温湿度传感器、三端稳压管和NRF24L01无线模块。
各部分相互协作，实现温室环境监测系统整体正常运行。
3.1单片机外围电路设计
单片机STC89C52作为主控芯片，控制整个电路的运行。
单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
该设计采用含有二极管的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。
此设计中P0口做为输出口用来驱动LCD显示，而P0口内部又没有上拉电阻，所以加上10K上拉电阻。
考虑到设计要求，本设计中的复位电路集手动复位及上电自动复位于一体。
1）上电自动复位通过外部复位电路的电容C3的充电来实现，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
2）按键手动复位是通过使复位端经电阻与VCC接通而实现的。
考虑系统运行速度，采用12MHZ的石英晶振，并使用两个小电容作为微调电容。
下图为单片机最小系统图：
图3.1单片机最小系统
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强干扰的芯片。
指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/及其周期和6时钟/机器周期可以任意挑选。
因为单片机是毕业设计的核心，因此来了解一下它的特点。
它的主要特点如下：
（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，并且指令大妈完全兼容8051。
（2）工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）
（3）工作频率范围：
0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz，而实际工作频率可以达到48MHz。
（4）用户应用程序空间为8K字节。
（5）片上集成512字节RAM。
（6）通用I/O口（32个），复位为：
P1/P2/P3/P4是准双向口，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口时，则要加上拉电阻。
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），不需要专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下载用户程序，所花费时间很短。
（8）具有EEPROM功能。
（9）具有看门狗功能。
（10）一共3个16位定时器/计数器。
分别为T0\T1\T2.
（11）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
（12）通过异步串口（UART），还可以定时器软件实现多个UART。
（13）工作温度范围工业级是（-40-85），商业级是（0-75）。
（14）PDIP封装。
单片机的工作模式分为空闲模式、正常工作模式、掉电模式可有外部中断唤醒，适用于水表，气表等电池供电系统。
而对于单片机的引脚功能这里就不一一列举。
3.2监测终端
3.2.1DHT11温湿度传感器简介
DHT11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，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保温湿度传感器具有极高的可靠性和稳定性，传感器包括一个电阻式感湿元件和和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该传感器具有响应快，抗干扰能力强，性价比高等优点，单线制串行接口，是系统集成变得简易快捷，体积小，功耗低，4针单排引脚封装，连接方便。
以下为DHT11的引脚说明：
引脚号
引脚名称
类型
引脚说明
1
VCC
电源
正电源输入3-5.5V
2
Dout
输出
单总线，数据输入/输出
3
NC
悬空
空脚，扩展未用
4
GND
接地
电源地
表3.1DHT11的引脚说明
DHT11供电电压为3V-5.5V，传感器上电后要等待一秒以越过不稳定状态，在此期间，无需发送任何指令，电源引脚（VDD,GND）之间可加一个100nF的电容，用于滤波。
串行接口单线双向DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送结束相应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据，从高速模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，不会主动进行温湿度采集。
采集数据后，转换到低速模式。
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18ms，保证DHT11能检测到起始信号，然后发送80us低电平响应信号，主机发送开始信号结束后，延时等待20-40ms后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高，一次完整的数据传输为40bit，高位先出，数据格式为8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
3.2.2DHT11温湿度传感器与单片机接口电路
图3.3DHT11温湿度传感器与单片机接口电路
3.3控制终端
3.3.1LCD1602与单片机接口电路
工业字符型液晶，1602是指显示的内容为16*2，能同时显示两行，每行16个字符。
常见的1602字符液晶有两种，一种显示绿色背光黑色字体，另一种显示蓝色背光白色字体，目前市面上绝大多数基于HD44780液晶芯片控制，原理是完全相同的。
本课题所用1602液晶模块，显示屏是蓝色背光白色字体。
液晶显示器LCD1602与单片机STC89C52的接口由一组8位数据传输线和3跟控制线完成。
LCD1602的RS、RW、E分别由单片机的P1.2、P1.1、P1.0来控制，数据输入口DB0~DB7由P0.0~P0.7传输数据，因为是接在P0口,所以要接上拉电阻。
LCD1602与单片机的接口电路如图：
图3.5LCD1602与单片机的接口电路
3.4nRF24L01与单片机接口电路
3.4.1nRF24L01简介
nRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst协议。
可以实现点对点或是1对6的无线通信。
无线通信速度可以达到2M（bps）。
NRF24L01工作频段为2.4GHz全球开放ISM频段，支持6路通道的数据接收，2Mbps高速率，125频点，满足多点通信和调频通信的需要，内置2.4GHz天线，体积小巧，工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗。
以下为NRF24L01模块的基本特性：
表3.2NRF24L01模块的基本特性
参数
数值
单位
供电电压
1.9̴3.6V
V
最大发射功率
dBm
最大数据传输率
2000
kbps
发射模式下，电流消耗（0dBm）
11.3
mA
接收模式下，电流消耗（2000kbps）
12.3
温度范围
-40̴+85
℃
数据传输率为1000kbps下的灵敏度
-85
掉电模式下的电流消耗
900
nA
nRF24L01有四种工作模式：
收发模式，配置模式，空闲模式和关机模式。
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