温湿度控制系统在大棚中的应用.docx
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温湿度控制系统在大棚中的应用
目录
摘要：
1
0前言1
1环境因素2
1.1温度2
1.2光照2
1.3水分2
2硬件需求3
2.1温湿度检测模块3
2.2单片机系统模块4
2.3LCD显示模块5
2.4执行调节模块6
3电路设计7
3.1温湿度采集模块电路7
3.2RESET复位电路7
4程序设计8
4.1系统流程图8
4.2程序设计9
5实物图12
6结论13
参考文献13
温湿度控制系统在大棚中的应用
（河南大学物理与电子学院，河南开封，475004）
摘要：
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。
本文设计了一个以DHT11为核心，基于STC89C52单片机的温湿度控制系统。
关键词：
DHT11数字温湿度传感器；STC89C52单片机；控制系统
Theapplicationoftemperatureandhumidity
controlsystemingreenhouse
ZhangZhi-peng
（SchoolofPhysicsandElectronics,HenanUniversity,HenanKaifeng475004,China）
Abstract:
DHT11 digitaltemperatureandhumiditysensorisa digitalsignaloutputwithacalibratedtemperatureandhumiditycombinedsensor. Thispaperintroducesthedesignofa DHT11asthecore, thetemperatureandhumidity controlsystembasedonSTC89C52single-chip.
Keywords:
DHT11digitaltemperatureandhumidity sensor;STC89C52single-chip;temperatureandhumiditycontrolsystem
0前言
炎炎夏日，酷暑难耐，在这当空烈日下，悠闲的坐在室内享受空填这个现在科技产物带来的凉爽外，要是再有一种传统水果消暑解渴就最好不过了，在这个时候，西瓜就是大多数人们的首要之选。
西瓜在夏天遍地都是，哪里都有它的身影，但是在冬季，突然心血来潮，再想品味一下它的可口美味就非常困难了。
这个时候有一个温室大棚就可以解决我们当前遇到的问题了，但传统大棚由农民依据自己的经验和简单的温度计进行监测并手动进行管理控制，很难达到预期的效果。
使作物获得比室外生长更优的环境条件，达到优质、高产、高效的目的对温室大棚的性能提出了更高的要求。
而在温室大棚中，最关键的是温湿度控制技术。
我国现阶段大棚多为中小规模，要在大棚中引入自动控制系统还要考虑成本因素[1]。
单片机及电子产品的性价比的提高使这一诉求得以解决。
结合目前的需要设计了基于单片机的大棚温湿度控制系统。
下面介绍一下西瓜种植的环境因素，系统的硬件需求，电路设计以及程序框架。
1环境因素
不同的作物对温度及湿度等生长环境所需条件各不相同，为它们提供一个适合其生长的密闭环境，控制其生长的过程及时间，从而达到经济效益的最大化。
下面介绍一下适合西瓜生长的最佳条件。
1.1温度
西瓜作为一种重要的经济作物，它在中国主产区的播种总面积达81.25万公顷，总产量达6818.1万吨[2]。
西瓜生长的适宜温度为18℃~32℃，耐高温，当40℃时仍能维持一定的同化效能，但不耐低温。
西瓜种子在15℃条件下发芽速度极慢,发芽率也低[3]。
所以气温降至15℃时生长缓慢，10℃时停止生长，5℃时地上部受寒害。
营养生长可以适应较低的温度，而坐果及果实的生长则需较高温度，茎叶生长的温度低限为10℃，果实生长为15℃。
昼夜温差大有利于糖分的积累，使茎叶生长健壮，果实的含糖量提高。
1.2光照
增加日照时间和光照度，可促进侧枝生长，而对主蔓影响较小。
日照由14小时增至24小时，每株花数、子房大小、子房内胚珠数，均随日照时数的增加而增加；反之不仅影响西瓜的营养生长，而且影响子房的大小和授粉、受精过程。
西瓜对日照条件反应十分敏感。
天气晴朗，表现株型紧凑，借鉴和叶柄较短，蔓粗，叶片大而厚实，叶色浓绿；而连续多雨、光照不足的条件下，则表现为节间和叶柄较长，叶形狭长，叶薄而色淡，保护组织部发达，易感病。
在坐果其严重影响养分积累和果实生长，含糖量显著下降[4]。
1.3水分
水分充足，西瓜枝叶茂盛，生长迅速，产量高，产品含有大量水分，如水分不足，可影响营养体的生长和果实膨大。
西瓜需水不同生育期有所不同，幼苗期田间持水量为65%。
伸蔓期为70%，而果实膨大期应保持75%，否则影响产量。
对土壤水分的敏感时期，一是在坐果节位雌花现蕾期，此时如水分不足，雌花蕾小，子房较小，影响坐果；二是在果实膨大期，如土壤水分不足，影响果实膨大，严重影响产量。
西瓜的根系不耐水涝，瓜田受淹后根部腐烂，造成全田死亡，因此要选择地势较高的田块种植，并加强清沟排水工作[5]。
此外还有土壤条件与施肥条件，因与本文研究关系不大故不再过多叙述。
2硬件需求
了解了西瓜的生长环境，我们可以根据这一特性设计一个能够检测并控制温室当前温湿度的单片机系统。
此系统由四个基本模块构成：
温湿度检测模块、单片机系统模块、LCD显示模块、执行调节模块（加热器、喷水机和降温模块等）。
2.1温湿度检测模块
温湿度的测量在仓储管理工业、生产制造、智能化建筑、科学研究及日常生活中被广泛应用。
传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并需要经过复杂的校准、标定过程，测量精度难以得到保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意[6]。
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，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
2.1.1技术参数
供电电压：
3.3~5.5VDC
输出：
单总线数字信号
测量范围：
湿度20-90%RH，温度0~50℃
测量精度：
湿度+-5%RH，温度+-2℃
分辨率：
湿度1%RH，温度1℃
互换性：
可完全互换，
长期稳定性：
<±1%RH/年
2.1.2内部结构及工作原理
DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
其内部结构如下图2.1所示。
该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择[7]。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
图2.1DHT11温湿度传感器内部结构
2.2单片机系统模块
STC89C52是一种低电压、高性能CMOS8位单片机。
支持在线编程，可基本满足编写程序的需求，集成度高、体积小、可靠性强，具有极高的性价比；低电压、低功耗，具有很强的控制功能[8]。
STC89C52单片机个引脚标注如下图2.2。
图2.2STC89C52单片机个引脚标注
2.3LCD显示模块
LCDD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块[9]。
能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）注：
为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。
LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形[10]。
LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶[11]。
2.3.1管脚功能
1602采用标准的16脚接口，如下图2.3其中。
图2.3LCD1602引脚
第1脚：
GND为电源地
第2脚：
VCC接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，负跳
变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
2.3.2特性
3.3V或5V工作电压，对比度可调
内含复位电路,提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能,有80字节显示数据存储器DDRAM,内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM,8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM[12]。
2.3.3特征应用
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
2.4执行调节模块
执行调节模块有许多不同的模块可选
2.4.1加热模块
当大棚内温度过低，或者低于西瓜正常生长温度时，进行室内温度加热处理，由上述叙述可知，西瓜的正常生长温度为18至32摄氏度，甚至温度高至40摄氏度时仍然能维持一定的同化效能，正常生长，但是西瓜不带低温，当温度降低，低至15摄氏度时，生长速度明显降低，当持续降温低至10摄氏度时已经停止生长，因此大大棚内部的加热模块十分的必要，我们可以在系统内部进行设置当温度低于10摄氏度时，系统内的蜂鸣器开始工作，提醒大棚内的工作人员此时温度较低，已经影响到西瓜的正常生长发育，并启动系统加热模块，迅速提高室内温度。
2.4.2喷水模块与降温模块
当此系统检测到大棚内部湿度低时，可利用喷水模块进行洒水，进一步增大大棚内部湿度。
当系统检测到大棚内部温度较高时，启动相应的降温模块，比如室内空调系统，改善大棚内部温度。
由于大棚内西瓜的种植，对于湿度没有太大的要求，水分充足即可，温度较高情况下仍能正常生长，所以喷水模块和降温模块本系统可以不做考虑，具体细节也不再叙述。
因温湿度测制系统工作电压为5V，外加模块要对大棚整体进行加温处理，需要220V电源进行供电，所以可以在系统上面加一个继电器对此模块进行控制。
继电器控制电路如图2.4所示。
图2.4继电器控制电路
图2.4中IN引脚接单片机控制引脚，当单片机引脚出现低电平时，三极管导通，继电器线圈通电，触点闭合控制执行器件开始工作。
当出现高电平时线圈断电，触点断开执行器件停止工作。
因继电器线圈属大感性负载，所以接入二极管起续流的作用[13]。
3电路设计
温湿度控制系统主要硬件设计电路如图3所示。
该电路图主要包括：
温湿度采集模块电路、RESET复位电路。
3.1温湿度采集模块电路
单总线DHT11温湿度传感器共4个接线引脚，设计中，第一脚VCC接5V正电源，第二脚DATA为数据端输出，第三脚NC为空脚，一般可悬空不用，第四脚GND接地[14]。
此处特别需要注意的是数据端第二脚DATA，在具体硬件设计电路时，DATA引脚可直接接在主控制器ST89C52的I/O口。
但为了提高温湿度采集数据的稳定性，应在DATA和正电源5V之间接一个4.7kΩ的上拉电阻。
3.2RESET复位电路
RESET复位是系统中归零调整操作。
主控制器STC89C52第9个脚为RESET引脚。
在工作中，RESET引脚接高电平2个机器周期后就能产生一个复位，其中6个时钟脉冲为1个机器周期。
由于系统采用的是12MHz晶振，一个时钟脉冲周期为1/12μs，一个机器周期包含12个时钟脉冲，即1μs。
也就是说在RESET引脚上连接一个2μs的高电平脉冲即可产生一个复位动作[15]。
图3温湿度控制系统主要硬件设计电路
4程序设计
4.1系统流程图
温湿度控制系统流程图如图4.1。
系统启动初始化后，经过短暂的延迟，由DHT11温湿度传感器采集当前大棚内的温湿度数据并传送给LCD显示器进行输出，在大棚种植西瓜环境应用内，湿度的影响并不大不做考虑，只对于温度进行判断，在此温度的预设值①为15摄氏度，预设值②为40摄氏度。
将测量到的温度输送给STC89C52单片机单片机进行判断处理，若温度低于初始值15摄氏度将影响大棚内西瓜的正常生长，此时蜂鸣器进行报警，提醒人们温度过低，同时继电器吸合，外部电源对执行调节（加热）模块进行供电。
当温度高于40摄氏度时，继电器断开，外部电源断开。
图4.1温湿度控制系统流程图
4.2程序设计
本系统内部主要程序如下：
voidinit（void）//初始化液晶1602
{
lcden=0;
lcdrw=0;
red=0;
green=0;
beep=1;
hot=1;
write_com（0x38）;//设置显示模式
write_com（0x08）;
write_com（0x0c）;
write_com（0x06）;
write_com（0x01）;
}
voidinit_words（）//初始化开机文字显示
{
uinti;
write_com（0x80）;
for（i=0;i<10;i++）
{
write_data（table1[i]）;
delay（20）;
}
delay（2000）;
th_words（）;
}
voidrun（）//DHT11程序
{
DHT11_run（）;
if（status）
{
write_com（0x80+0x07）;
write_data（0x30+（unsignedchar）（Data[2]/2/10））;
write_data（0x30+（unsignedchar）（Data[2]/2%10））;
write_data（'.'）;
write_data（0x30+（unsignedchar）（Data[3]/10））;
write_com（0x80+0x40+0x07）;
write_data（0x30+（unsignedchar）（Data[0]/2/10））;
write_data（0x30+（unsignedchar）（Data[0]/2%10））;
write_data（'.'）;
write_data（0x30+（unsignedchar）（Data[1]/10））;
if（Data[2]/2<15）//温度低于15度，蜂鸣器、继电器工作
{
beep=0;
hot=0;
delay（500）;
}
elseif（Data[2]/2>40）//温度高于40度，继电器停止工作
{
beep=1;
hot=1;
}
else
{
beep=1;
hot=1;
}
delay（500）;
}
}
/*主程序*/
voidmain（）
{
init（）;
init_words（）;
while
（1）
{
run（）;
}
}
5实物图
图5温湿度控制系统实物图
通过以上电路设计与程序设计做出的温湿度控制系统如图5所示。
由图5可知测得温度为13℃，湿度为17%RH，为了检测继电器是否在15℃时正常工作，主程序中将温湿度数值除以2所以当时实际温度为26℃，湿度为34%RH，符合当时实际温湿度，温湿度控制系统设计成功。
6结论
本文以DHT11温湿度传感器为核心，设计了一个基于STC89C52单片机的温湿度控制系统，设计包含了硬件电路的设计和系统程序的设计，其中硬件电路包含了温湿度检测电路、主控制电路和显示电路，最终实现了设计要求。
为验证温湿度测制系统的准确性，经现场调试，相对温度在大棚内部实际温度±2℃，属于测量允许误差范围内，满足大棚种植西瓜所需的基本需求。
采用此系统后，克服了冬天种植西瓜的季节限制，比传统温室大棚相比，温度可控性较强，节省大量人力，作物增产，大幅度提高了农民的经济效益，具有较好的实际应用价值，值得广泛推广。
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齐
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