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农业大棚监控系统设计
农业大棚监控系统设计
摘要II
AbstractIII
1绪论-3-
1.1农业大棚控制系统设计背景-3-
1.2本设计的内容与意义-3-
1.2.1本设计的内容-3-
1.2.2本设计的意义-3-
2农业大棚监控系统总体设计-3-
2.1监控系统的设计要求-3-
2.2监控系统的设计目标-3-
2.3监控系统的组成框图-3-
3硬件电路设计-3-
3.1单片机的选择-3-
3.1.1单片机的概述-3-
3.1.2AT89C52单片机简介-3-
3.1.3AT89C52单片机的内部组成结构-3-
3.1.4AT89C52的引脚功能-3-
3.1.5AT89C52存储结构-3-
3.1.6AT89C52定时器-3-
3.1.7AT89C52中断系统-3-
3.2传感器的选择-3-
3.2.1传感器的比较与选择-3-
3.2.1DHT11的简介-3-
3.2.2DHT11引脚说明-3-
3.2.3DHT11数据的传输与时序-3-
3.3液晶显示器LCD1602-3-
3.3.1LCD1602引脚说明-3-
3.3.2LCD1602指令的使用-3-
3.4单片机外围电路设计-3-
3.4.1单片机时钟电路-3-
3.4.2单片机复位电路-3-
3.4.3报警电路-3-
3.4.4执行控制电路-3-
3.4.5LC1602显示电路-3-
3.4.6电源电路-3-
3.4.7总电路图-3-
4农业大棚控制系统软件设计-3-
4.1软件工具的使用-3-
4.1.1Keiluvision4软件概述-3-
4.1.2ProtelDXP2004-3-
4.1.3Proteus7-3-
4.2农业大棚监控系统主程序部分-3-
4.2.1监控系统整体流程图-3-
4.2.2显示电路部分-3-
4.2.3按键电路部分-3-
4.2.4传感器电路部分-3-
参考文献-3-
附录程序-3-
1绪论
1.1农业大棚控制系统设计背景
伴随着我国经济社会的高速发展，农业技术与应用的研究越来越受到重视，国家很多方针都明确农业经济的社会地位的重要性。
农业大棚作为高效农业的一部分，其产生的影响是越来越大。
在大棚蔬菜种植技术中，温度、湿度成为影响蔬菜的主要因素，也是蔬菜能否高产的重要因素。
在现代农业生产中，主要对温度、湿度、CO2含量、土壤酸碱度等一些环境参数进行检测与监控[1]。
我国农业规模庞大，但是效益不高，很多地方在发展大棚蔬菜的同时，存在设备老旧，各种检测方式等落后于西方国家，很多时候造成既浪费人力物力，更是不符合我国实行的科技兴农的战略。
同时现阶段对于发展农业上，缺少相关先进设备以及人才，因此我们都需要引进，需要学习，这样无疑增加了成本，也不利于农业生产上可持续发展的理念
农业是人类发展的基础，是各行各业的根基，作为我们赖以生存的源泉，然而由传统的粗放农业到现代集约经营农业的转变，那就要要求我们在农业技术上有大的发展，进行一次技术的革命[2]。
农业大棚作为有效的手段，已经在实践中证明，但是由于技术、资金等原因，没能大量采用。
农业大棚不但有高的准确性，同时也降低了农业生产者本身的要求，不需要高强度的体力，能定量、定时进行相应的温湿度等的控制与检测，从而提高经济效益。
只有提高智能自动控制系统在农业种的使用，才会让农业生产变得更加智能和方便，才会降低农业生产成本，才能促进智能农业大棚在农业中大量高效的使用，并带来经济效益、
因此利用高新技术改造农业生产成为一个趋势，是我国农业和国民经济持续发展的根本大事。
本设计旨基于51单片基础上，进行对农业大棚内温湿度的检测与控制，方法是通过高可靠性、高精度的温湿度传感器来监控温湿度参数，并通过控制系统进行对大棚内温湿度的检测与调节。
1.2本设计的内容与意义
1.2.1本设计的内容
本设计的硬件电路主要包括：
AT89C52单片机电路、传感器DHT11电路、LCD1602电路、蜂鸣器报警电路、执行调节电路等。
将DHT11所测得的温湿度数据，经过处理之后，与我们设定的限定值进行相互比较。
同时通过液晶显示电路将其主要两个数据显示出来。
要是超过预设值，电路将会启动蜂鸣器报警，并启动相应的灯，同时控制系统会根据这时候做出相应的操作来启动如：
吹风机、暖风机、喷雾器等设备，从而来调节大棚内的温湿度。
这样就实现了大棚的智能自动的控制。
1.2.2本设计的意义
在过去的农业生产中，人们主要使用温度计、湿度计等等，以此来采集温湿度等数据，然后通过人工的办法来改变一些设备来控制这些参数。
比如大棚内温度在冬天温度过低时候就会启动暖风机，或者在夏天温度过高，就会启动吹风机来调节，这些都需要手工去控制调节，而且有的时候线路多，操作很不便。
本设计实现了温湿度的实时检测与显示，并进行相应的实时操作，用起来方便、简单，再一个所用器材，价格低、抗干扰能力强、精度高、安装方便。
因此作为一种智能、经济、简单的方案，适合进行推广并改进，为我们农业生产带来良好的经济效益和社会效益。
2农业大棚监控系统总体设计
2.1监控系统的设计要求
本监控系统要实现的基本要求如下：
1．实现对大棚内的温湿度参数的实时检测与监控，其主要的检测数据如表2.1所示。
表2.1系统环境检测参数
Tab.2.1systemenvironmentdetectionparameters
检测参数
检测范围
检测精度
温度
0℃～+50℃
±2℃
相对湿度
20%～90%RH
±5.0%RH
2．根据检测到的信号，对于超出预设值范围的要有声音报警功能，并且实时控制执行机构的显示与执行。
3．预设值可以根据不同的环境要求进行相应的设置。
2.2监控系统的设计目标
温度目标：
检测大棚温度，并通过升温（加热）或冷却（降温）操作达到蔬菜所需要的温度。
系统设定在温度在低于20°或者高于40°以上都会报警。
湿度目标：
检测大棚湿度，并通过喷雾（增湿）或干燥（去湿）操作达到蔬菜所需要的湿度。
系统设定湿度在低于35%或者高于85%以上都会报警。
显示目标：
在显示屏上要显示设定值和当前状态下的测控数据。
调节控制目标：
当温度、湿度超过预设值时报警，启动蜂鸣器报警并显示相应颜色的灯，制冷就显示绿灯，加热显示红灯，增湿显示黄灯，干燥显示蓝灯，并启动相应的继电器来控制以上所需要的操作。
2.3监控系统的组成框图
本系统主要由以下几部分组成：
AT89C52、传感器DHT11、LCD液晶显示、报警、执行调节电路等部分组成。
居于实物性上面的考虑，本设计的执行调节电路用LED灯替代，但是在仿真中插入三极管跟继电器控制高电压电器来达到控制现实农业大棚中的其他设备。
框图如图2.1所示为农业大棚监控系统的主要硬件构成。
图2.1系统组成框图
Fig.2.1System’sBlockdiagram
3硬件电路设计
对于硬件电路的设计上，我们一般会考虑所选硬件是否利于功能的实现、价格高低、使用是否简单、是否通用等几个主要方面。
在电路的设计中尽量使电路简洁明了，功能容易实现，而且要到达使用方便使用的基本目的。
3.1单片机的选择
3.1.1单片机的概述
单片机是单片微型计算机的一种较为准确的说法，也叫做微控制器等[3]。
主要由CPU、存储器、定时器、外设接口等组成，并将所有部分集成在一块芯片上。
其具有体积小、成本低、功耗小、可控性高等许多特点。
因此会在生活中大量使用，适合工业过程控制、智能仪表仪器、智能系统这类型的前端控制。
现在单片机的主要应用领域：
工业检测与控制、智能仪器仪表、通信技术、各种终端及计算机外设、汽车和节能设备、制导和导航设备、家用设备等主要领域。
因此，在本课题设计的温湿度测控系统中，居于多种因素考虑，本系统采用AT89C52单片机。
该单片机拥有众多的优点与特点，应用也是相当的广泛，在市面上经常买到，价格也很合理，适合本设计的开发与使用。
3.1.2AT89C52单片机简介
AT89C52是ATMEL公司生产的高性能8位单片机[4]，其采用可靠的CMOS技术，基于标准51单片机的结构和指令，是89C51的增强型号。
集成时钟、计数器等多功能于一身，其应用领域十分广泛。
其为高性能8位单片机，内部RAM达到256字节，片内程序存储器容量为8K。
含有32个I/O口，3个16位定时/计数器，片内时钟电路，以及6个中断向量。
同时有两种作业模式，一是空闲，二是掉电模式。
空闲模式时候，CPU会冻结，但是定时器等会维持工作状态；在掉电模式时候，保存RAM数据，停止其他功能。
该型号单片机拥有PDIP、PLCC、PQEP、TQFP等封装形式，可以满足不同的要求，适用于许多复杂的控制领域中。
3.1.3AT89C52单片机的内部组成结构
其内部结构图[5]如图3.1所示。
图3.1单片机内部结构图
Fig.3.1Microcontroller'sinternalstructure
3.1.4AT89C52的引脚功能
该单片机每个引脚[6]如图3.2所示。
图3.2引脚功能说明图
Fig.3.2FunctionDescriptionFigureofthePin
VCC：
电源+5V输入端。
GND：
接地端。
X1（XTAL1）：
晶体振荡器和放大器。
内部振荡器，晶体振荡器和一个电容器连接；采用外部晶振的时候，引脚接地。
X2（XTAL2）：
输入晶体振荡器和放大器。
内部振荡器，晶体振荡器和一个电容器连接；采用外部时钟时候，该脚为空。
P0口：
P0口是准双向I/O口，作为一般外设接口使用。
当作为地址与数据口的时候，控制信号为高电平，接外部设备，包括存储器。
当作为通用I/O口时，加上拉电阻成为准双向口，当写入“1”的时候，就可以驱动8个TTL电路。
P1口：
P1口是一个准双向I/O口，用作一般外设接口。
其内部含有上拉电阻。
接收低8位地址的时候，可以驱动4个LSTTL逻辑门电路，不用上拉电阻也可驱动MOS的输入。
其P1.0口以及P1.1口还具有第二功能，作为定时器/计数器T2的T2端和T2EX端。
P2口：
P2口为准双向口，既可以作为通用外设接口，也可以是扩展的高8位地址线接口，具有上拉电阻，能够驱动4个TTL逻辑门电路。
对P2写入“1”时，原理基本跟P1口一样。
作为8位的地址的输出。
P3口：
P3口为双向I/O口，能够驱动4个TTL逻辑门电路。
与其他I/O端口不同的是，P3口还有第二功能，这点十分重要，其第二功能如图3.3所示[3]。
图3.3P3口的第二功能
Fig.3.3P3portsecondfunction
由此我们可以看到P3口的复用功能，而且我们常用的也是该复用功能。
此外，P3口也会用于程序检验控制信号。
RST：
复位信号输入端。
高电平持续时间在两个机器周期以上，将会使其有效复位。
再一个，为避免其内部RAM的数据不见，可以在掉电的时候加上一个备用电源。
ALE/PROG：
地址锁存的允许输出端。
当访问外部memory时，输出地址锁存信号；不访问时，将以1/6频率输出，可用作外部时钟或者是定时器。
PSEN：
访问外部ROM读选通信道输出端。
PSEN有两次有效的时间，但是访问片外ROM或者是访问内部ROM读指令时，该引脚信号将失效。
EA/VPP：
外部访问允许端。
其使用如下：
当EA=1且PC值小于8KB时，处理器将会访问外部ROM中读取指令；而当PC值大于8KB时，处理器将会访问外部ROM中读取指令；当EA=0的时候，程序将不起作用，其只能在外部ROM中读取指令。
3.1.5AT89C52存储结构
AT89C52存储器结构[6]有四种，其中程序存储空间：
程序读取从外部存储器开始时候，EA需要接地。
要是EA接电源，那么程序将从内部存储器开始；在复位的时候，PC值是0000H，将会进行从外部开始寻址。
注意一点，有6个地址单位是被保留使用的，只能用于某种情况下的地址中。
一般来说单片机中的ROM，主要是用于存放编好的指令和一些常数，一般情况下，该区域将会使用不同的保护措施，对内容进行一定的保护。
数据存储器：
有内、外两部分。
首先，AT89C52芯片，256字节的内部数据存储器。
虽然高128Byte与SFR重叠。
但是在物理上是不一样的。
也就是说当指令访问高于128Byte的地址时候，由于寻址方式不同，其结果就会不一样，直接寻址方式才能直接访问SFR。
其次，看片外部分，可以外扩64KB的RAM。
特殊功能寄存器：
实际上是单片机片内各部分外围部件的控制寄存器及状态寄存器。
位地址空间：
由两部分组成，一是片内，二是特殊功能寄存器，一共有220位寻址空间。
3.1.6AT89C52定时器
单片机定时器主要用于控制、延时、计数等功能上[7]，其操作形式、定时形式等都一样。
其还拥有定时器2。
定时器2是一个16位定时计数器，可以用作定时，也可以用作对外部事件的计数器，运行模式决定于T2CON上C/T2的位选择上。
该定时器有三种运行模式：
一是捕获形式；二是自动装载形式；三是波特率发生器方式。
要明确一点，不管定时器是在那种运行模式或者计数方式下，定时器T0、T1都不占用处理器的时间。
从这里可以看出来，定时器是一个具有最高的效率的组件。
3.1.7AT89C52中断系统
单片机中断系统主要用于实时监测[8]。
其定义是指CPU在运行的状态下某些事件发生时，处理器的外围设备要求其进行快速操作，因此处理器会暂时中断当前的状态下的任务，转入中断的位置去处理该中断请求的任务，当中断任务处理完成时候返回原来的操作，这样的一个过程被称之为中断。
AT89C52中有6个中断向量，其状态都由TCON和SCON进行对应状态位的锁存。
因此就有中断优先级别的判断。
当碰到几个中断源同时向CPU发出请求的时候，CPU将判断哪个是最优先级别，进而一个一个处理这些中断程序，于是就有每个中断源的优先级别的比较，由高到低排列，其中断入口如下图3.4所示。
图3.4AT89C52的中断入口地址
Fig.3.4AT89C52’sinterruptentryaddress
3.2传感器的选择
3.2.1传感器的比较与选择
对于传感器的选择上面，本设计讨论这两种方案：
方案一：
使用DS18B20与CHR-01湿敏电阻两种传感器的组合。
对于该组合来说，
作为一线连接的数字温度传感器，DS18B20拥有十分出众的优点[9]。
温度测量范围：
55~+125℃，它可以是9到12转换数据。
其分辨率也是十分出众的，高达0.0625℃。
分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存[9]。
对于在湿度采集上，我们采用经常使用的CHR-01湿敏电阻[10]。
其固定的电压为1V，其所对应的湿度范围是：
20%~90%RH，所得的分辨率在±5%之间，一般的工作温度在0~+85℃。
采用555电路或者RC晶振电路，将传感器等效为一定的阻值，从而实现测量的目的。
方案二：
采DHT11数字温湿度传感器。
作为一款本身已校准的数字温湿度复合传感器，具体性能参数如下：
温度的测量范围是：
0～50℃，达到的精度是：
±2℃；湿度的测量范围：
20%~90%相对湿度，相对湿度5%的±精度；工作是电压在3-5.5V之间，而其相应的时间小于5秒钟，一般通电时候需要等待一秒钟左右。
可直接与高性能单片机相连，使用起来十分方便[11]。
对于上述两种方案，方案一具有很高的精度，测控的范围也比较广，但是因为采用组合的形式，这样增加系统的不稳定还有复杂程度，再一个湿度传感器是需要数模转换，没有方案二的数字一体化，在简单的基础与符合要求的要求上，方案二足够我们使用，不需要太过高的精度，因此我们选择了方案二。
3.2.1DHT11的简介
本系统所用的传感器为数字温湿度传感器DHT11[11]。
作为一款本身已校准的数字温湿度复合传感器，它具体的性能参数如下：
温度的测量范围是：
0～50℃，达到的精度是：
±2℃；湿度的测量范围：
20%~90%相对湿度，相对湿度5%的±精度；工作是电压在3-5.5V之间，而其相应的时间小于5秒钟，一般通电时候需要等待一秒钟左右。
它包含很多先进技术，使其具有好的稳定性与实用性[12]。
DHT11内不含有电阻式感湿元件和NTC测温元件。
可以直接与8位高性能单片机相连，免除数模转换的烦恼。
其体积非常小，而且功耗十分低，一般传输距离在20米以上，再加上封装十分简单，连接方便，使得其在应用上越来越受欢迎。
3.2.2DHT11引脚说明
DHT11的引脚说明如下：
引脚1：
VDD供电+3-5.5V。
引脚2：
串行数据单总线。
引脚3：
NC为空脚，悬空。
引脚4：
GND接地。
DHT11传感器与单片机的连接方法如下图3.5所示。
图3.5传感器与单片机的连接方法
Fig.3.5ConnectionsbetweenSensorandmicrocontroller
3.2.3DHT11数据的传输与时序
DHT11传感器在数据的传输上[12]，运用单总线数据的格式，使得连接变得简单，数据用于微控制器与传感器同步通讯，一般一次通信握手的时间是4ms左右，然后才得到数据，并且分整数与小数部分数据，其通讯过程如下图3.6所示。
图3.6DHT11通讯过程
Fig.3.6DHT11communicationprocess
其通讯基本过程如下：
当检测到总线空闲状态为高电平时，此时会将总线电平改为低电平，并且等待传感器的响应，此过程中持续时间要大于18ms。
接着传感器就是等候开始信号发出要停止的信号，接着再传送时间为80us的低电平。
想要读取传感器的响应信号，那就需要等到开始信号的结束才行，在这个过程，我们需要延时等待20-40us的时间，这样才能接收。
在传感器发送响应信号时，其总线的状态为低电平，在等到响应信号发送，才会把总线的状态拉高。
在信号传送的过程中，每一数据都限定以50us低电平为间隙进行传送，信号究竟表示是“0”还是“1”，决定在该信号的电平时间长短上，根据间隙长度来解释数据。
在数据传送完成之后，传感器会将总线状态拉低50us，将其拉高进入一开始的时候的空闲状态。
有时候会出现响应为高，但是传感器无响应的情况，这就可能是我们电路接线出现问题。
在信号传输的过程中，数字0信号表示方法如图3.7所示。
图3.7数字0的表示
Fig.3.7Representsofnumber0
而数字1信号的表示如下图3.8所示。
图3.8数字1的表示
Fig.3.8Representsofnumber1
3.3液晶显示器LCD1602
3.3.1LCD1602引脚说明
LCD1602一般有16根引脚，也有少数是14根引脚，其中包含8跟数据线、3条控制线和3条电源线。
16根线多出来的两个引脚分别是：
一个是15脚的背光电源线，一个是16脚地线。
其控制的原理跟14脚的是完全相符合的。
但是对于背光与不背光的问题，都不会对使用有很大的影响，其中16脚的引脚定义如表3.2所示。
表3.2LCD1602引脚接口规格表
Table3.2LCD1602PinInterfaceTable
引脚号
引脚符号
引脚说明
引脚号
引脚符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据I/O
2
VDD
电源5V正极
10
D3
数据I/O
3
VEE
液晶显示偏压
11
D4
数据I/O
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据I/O
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据I/O
6
E
使能信号
14
D7
数据I/O
7
D0
数据I/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据I/O
16
BLK
背光源负极
其定义与使用如下[13]：
引脚1：
VSS为地电源端。
引脚2：
VDD接+5V电源。
引脚3：
VEE为液晶显示偏压信号端。
此引脚可以接地，也可以接正电源，但是接地的时候，对比度最高，接电源就是最弱的，因此为避免“鬼影”的发生，在该引脚上加一个10K左右的电阻。
引脚4：
RS为寄存器选择端。
当RS是高，数据存储，当RS是低，选择指令存储器。
引脚5：
R/W为读写选择端。
当该引脚等于0时，进行写的操作；反之是读操作。
再一个当4、5引脚同时为低时，作为写入指令或者是显示地址的作用；当4引脚为低，而5引脚为高时，作为读忙信号作用；当4引脚为高，5引脚为低时，可以写入数据。
引脚6：
E端使结束。
当引脚由高到低，液晶模块将相应的命令执行。
引脚7～14：
D0～D7这8个引脚，作为双向数据端。
引脚15：
BLA为背光源正极。
引脚16：
BLK为背光源负极。
LCD1602实物图如下图3.9所示。
图3.9LCD1602实物图
Fig.3.9LCD1602physicalmap
3.3.2LCD1602指令的使用
该液晶显示器中有11条控制指令[14]，如表3.3所示。
表3.3控制命令表
Tab3.3ControlCommandTable
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清屏指令
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
输入方式指令
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
工设置工作命令
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
CGRAM地址设置指令
0
0
0
1
字符发生存贮器地址（0-63）
8
DDRAM地址设置指令
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址（AC）
10
写数据指令
1
0
要写的数据内容
11
读数据指令
1
1
读出的数据内容
其指令内容分别如下：
指令1：
清屏指令。
光标复位到显示屏左上方位置，将地址计数器（AC）的值设为0。
指令2：
光标复位指令。
光标返回到地址为00H，位置在左上方，AC为0，DDRAM内容不变。
指令3：
输入方式指令。
当I/D为0时，写入数据后光标左移；为1时，写入数据后光标右移。
S为0时，写入数据后显示屏不移动；为1时，写入数据后显示屏整体右移一个字符。
指令4：
显示状态控制指令。
当D=0的时候，显示关；当D=1的时候，显示启动；而C=0的时候，光标关闭，C=1的时候，光标开启；当B=0的时候，光标闪动，B=1的时候，光标将不闪动。
指令5：
光标或显示移位。
当S/C=1的时候，将移动文字，当S/C=0的时候，将光标进行移位；
指令6：
设置工作命令模式。
当DL=
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