基于单片机的智能温湿控制系统设计.docx
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基于单片机的智能温湿控制系统设计
基于单片机的智能温湿控制系统设计
摘要单片机系统的开发应用将现代的工业测控领域引向了一个新的前景。
自动化、智能化均离不开单片机的应用。
正是因为单片机具有体积小、价格低的优点，在工业控制、家用电器等领域中得到了很大的应用。
系统是一个专门为温室蔬菜大棚温湿度及二氧化碳浓度的检测与控制而设计的智能控制系统。
本次设计是基于STC89C52单片机为基础并结合DHT11温湿度传感器和MG811二氧化碳浓度采集模块的对温室大棚作物的温度、湿度及二氧化碳浓度的智能监控系统，通过对系统的硬件部分与软件部分的设计来达到监控要求。
硬件部分实现对温室大棚各个参量检测、显示与无线通信NRF905模块的设计，软件部分主要根据系统的设计思想设计出各个模块的主程序与子程序，并通过C语言实现。
该系统具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的智能化的优点，能解决实际应用中的问题。
关键词单片机STC89C52，DHT11,MG811,无线传输NRF905
ABSTRACT
SCMsystemdevelopmentandapplicationofanewtechnologicalrevolutiontothefieldofmodemindustrialmeasurementandcontrol,automationandintelligencecannotbeseparatedfromtheapplicationofSCM.Microcontrollerbecauseofitstinysizeandlowcost,widelyusedinhouseholdappliances,industrialcontrolandotherfields.Thesystemisintelligentcontrolsystemdesignedspecificallyforthedetectionandcontrolofgreenhousevegetable,greenhousetemperatureandhumidityandcarbondioxideconcentrations.Thedesignofthisarticleismicrocontroller-basedSTC89C52forthebaseandthetemperatureandhumiditysensorDHT11andMG811concentrationsofcarbondioxideacquisitionmoduleongreenhousecrops,temperature,humidityandcarbondioxideconcentrationofintelligentmonitoringsystem,partofthesystemhardwareandsoftwarepartofthedesigntoachievemonitoringrequirements.Thehardwarepartofthevariousparametersofthegreenhousetest,thedisplaydesignwithwirelesscommunicationsNRF905module,partofthesoftwaresystemdesignideastodesignthemainprogramandsubprogramofthevariousmodules,andbytheClanguage.Thesystemhastheadvantagesofcost-affectivetoimprovethelifeoftheequipment,thedegreeofautomationofintelligentdevices,tosolveproblemsinpracticalapplication.
KeyWords:
SCMSTC89C52,DHT11,MG811,WirelesscommunicationsNRF905
1绪论
1.1课题背景及意义
植物尤其是珍贵花卉、苗木和反季节蔬菜的生长都需要特定的温度、湿度以及二氧化碳的含量等气候条件。
当气候条件不能满足上述要求时，它们便会生长不良甚至枯萎或者死亡。
如果对温室大棚实行智能化的监控，当作物的生长条件发生变化不能满足其正常的生长需要时监控系统便发出报警信号，根据预先设定满足作物生长状况的参数，及时调节环境参数使作物始终处于最佳生长状态。
这样将会大幅的提高其产量和品质，带来较好的经济效益。
目前我国农业温室应用智能监控的为数不多，主要原因就是这种设备的价格昂贵，不适合国情，为此本文设计研究了一套低成本的温室大棚作物的自动监控系统，该系统能够人为自由的设置作物最佳的气候生长状态参数，当作物的生长气候参数不适合作物生长时便会发出声音报警，以方便作物管理人员及时的去更改作物的生长气候参数。
另外本系统还具有掉电保护装置，既使断电了所设置的作物生长的最佳气候参数仍然不会丢失复位。
所以本系统具有具有设计简单、操作方便、适合作为不同地域、不同作物温室大棚监控系统的特点，也比较适合我国西部不发达地区的普通温室进行“智能化”改造，符合中低收入农户的消费水平，符合我国国情。
1.2国外发展状况
目前发达国家计算机智能化温室综合环境控制系统普及，利用此
系统来对植被生长必需的湿度、温度以及二氧化碳浓度等气候参数进行准确的采集，并且综合其他的环境因素，智能的调控在作物生长的适宜范围之内，使作物生长加速、减少生长周期，使农民增收。
以色列、荷兰、加拿大、美国等国家在设施农业方面居世界前列，他们的设施设备标准化程度、植物的保护以及彩后工商化技术、新型的覆盖材料应用与开发技术、设施的综合环境调控以及他们在农业机械化技术的方面有颇深的造诣，引领世界潮流。
荷兰是世界上远近闻名的设施园艺国家，在温室的运作方面基本上运用计算机来控制操作。
它有很多家温室制造公司，不但在结构和自动化以及机械化产品的彩后处理方面的相关设备与技术含量高，而且早期温室的环境调控、计算机的智能化等方面更胜一筹。
英国一个著名的研究院在蔬菜温室大棚普遍应用计算机管调节大棚内的温湿度及二氧化碳的补给。
英国伦敦大学农学院设计及开发的温室大棚计算机遥控技术，能够在50KM开外的控制工作室内观察大棚环境的各个控制参量，使栽培技术条件在适宜的设定范围内。
虽然美国温室大棚的种植面积不大，但是它在无土栽培技术以及温室技术的研究工作在世界上领先。
以色列的设施栽培技术发展很快，受其干旱、沙漠气候和地理因素的影响，节水灌溉技术已达世界先进水平。
夏季的这样玩和睡莲基本上环节了由于高温对生产的影响；设施内的灌溉目前宜采用电脑控制盒电脑谁知检测；肥料的使用几乎全是通过灌溉思路，设施内二氧化碳供给系统不仅能准确定量，而且施入均匀。
此外，国外的信息技术已经得到了广泛的应用，信息技术的智能化与标准化及网络化与系统化极大地推动了农业在信息网络与专家系统方面的发展，并且在农业的各个领域中不断的渗透和应用，不但方便了在农业上信息数据的采集与整理，而且在农业的发展决策、农业的灾情提前监测以及预测资源环境状态等方面提供了更加便捷并且有效的方案。
温室大棚的智能化系统也越来越收到欢迎。
未来的计算机理想的人工智能系统将在气候站、生产资料、种苗公司、市场营销病、虫害测报以及相关的农业社团和身边的普通专业农户互联网。
1.3国内发展状况
我国设施愿意的发展始于20世纪70年代，计算机在我国大陆地区设施农业生产中的应用始于80年代初。
1979～1987年先后从保加利亚、荷兰、罗马尼亚、美国、日本、意大利等国引进24套现代温室，共19.2
分别建造在北京、黑龙江、广东、江苏、上海、新疆等省市区，总计投资960万美元，人民币2570万元。
此外引进了大型连栋温室，温室内配套设备相对完整。
而且各地引进温室都是只注重温室本身，却忽略了对我国的气候适应性以及配套栽培技术中存在消极降温困难、在冬天成本高等问题，在相当大的程度上耗资大，效益低。
此外，从国外引进的这些高水平温室大棚技术对我国在现代文使得发展中有着举足轻重的作用。
2系统总体方案
2.1总体方案设计
由于单片机对数字信号具有敏感性高与控制性强等特点，DHT11温湿度复合传感器产生的是模拟信号以及可以利用ADC0809将模拟信号转变为数字信号的性能，我设计了以STC89C52为核心的一套测量控制系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、二氧化碳浓度监测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。
从机检测电路的系统框图2.1所示：
图2.1从机监测系统框图
主机接收电路的系统框图如下：
图2.2主机接收系统框图
首先，系统启动后，户输入温度的上限与下限的温度值、湿度的上限与下限、二氧化碳浓度的上限与下限。
用户输入之后，系统自动求出中间值，根据实际温度的情况采取相应的方案。
如果该时刻的实际温度值低于用户给定的下限值时，系统立即启动报警装置，且系统处于升温状态，直到实际温度达到用户输入的上下限的中间值一定区间内时停止升温。
反之，如果实际温度值高于用户设定的上限值时，系统也会立即启动报警装置，且系统处于下降状态，直到实际达到用户输入的上下限的中间值一定区间内时停止下降。
（1）温度监控：
对温室当前温度进行测量，并通过升温或降温措施使温度达到适合于植被生长的最佳温度值。
（2）湿度监控：
对温室当前湿度进行测量，并通过喷雾或去湿达措施使湿度达到适合于植被生长的最佳湿度。
（3）二氧化碳浓度控制：
对温室的当前二氧化碳浓度进行测量，并通过开启或者关闭二氧化碳发生器，达措施使湿度达到适合于植被生长的最佳浓度。
（4）控制处理：
当温度、湿度、二氧化碳越限时报警，报警的同时也采取相应的解决措施进行温度、湿度、二氧化碳浓度的控制。
（5）键盘输入及显示：
这个模块主要负责用户设定值的输入及相关数据的显示，LCD12864液晶显示用于操作提示。
（6）越限报警：
在温湿度和二氧化碳浓度越限时声光报警，当温湿度和二氧化碳浓度大于上限值时声音报警的同时红色灯发光，当温湿度和二氧化碳浓度低于下限值时声音报警的同时绿色灯发光。
2.2硬件的选择
通过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据主机与主要部件的选择：
根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用MCS-51系列的89C52为主机，满足上面的要求而且设计方便，不需要再存储扩展。
（1）温室控制系统是由89C52单片机作为中央控制装置，模数转换器ADC0809，温湿度传感器采用DHT11，风扇，加热设备，加湿设备，排潮设备，键盘显示芯片等共同组成的，其功能和原理如下：
（2）89C51作为中央控制装置，负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。
（3）传感器DHT11作为温度和湿度的测量装置，负责系统温度和湿度的测量。
它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。
M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。
A它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。
作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。
（4）模数转换器ADC0809：
即由模拟信号转换为数字信号。
它共有8个模数转换通道。
模数的转换共有2种方法。
一种是利用INT0中断，当一次转换结束后，ADC0809使INT0产生中断，通知系统转换完毕；另一种使用延时方法，开始转换后系统延时100微秒等待转换完成。
本方案采用延时转换的方法。
（5）键盘：
采用独立的按键负责用户的输入及相关数据的。
（6）报警模块：
负责系统的报警功能。
如果当前的温湿度和二氧化碳浓度超过用户设定的界限值时系统将自动报警，音效模块发出报警声的同时报警灯发光，通知用户采取相应的措施。
3硬件系统设计
3.1单片机的确定
单片机又称微型计算机是一种高度集成在电路芯片，是应用超大规模的集成电路控制技术将中央处理单元CPU、掉电保护存储器ROM与RAM、各个I/O口以及定时器、计时器及中断等各个功能集成到一块硅片上形成的一个体积小并且功能完善的计算机系统【1】。
常用单片机芯片：
（1）ATMEL单片机（51单片机）：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K存储器。
ATMEL公司制造，以高密度非易失性存储器技术为核心，同工业上的80C51系列的产品相比，引脚与指令完全兼容。
片上Flash允许ROM在系统可编程，而常规编程器也可使用。
AT89S52在大多的嵌入式控制的系统中，提供的解决方案具有有效性和灵活性高的特点。
由于AT89S52需要专门下载器，所以我们选择STC89C52。
（2）STC系列单片机：
STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8～12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。
本系统采用宏晶公司生产的STC89C52RC单片机作为主控芯片。
它具有加密性强，低功耗，价格实惠，高速可靠，抗干扰性能优良等特点，而且还可以直接通过ISP下载程序。
选用STC89C52单片机的理由是：
降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动。
STC89C52单片机在系统的可编程（ISP）方面突出，ISP的优点有无需再买通用编程器，即可以直接在用户的系统上下载和烧录用户的程序，从而不需要把单片机从生产加工好的产品上拆下来，然后再利用通用编程器把源程序烧录到单片机的内部。
因为可以直接将原程序下载到单片机内，并且运行出结果，所以无需仿真器。
STC89C52单片机管脚图如图3.1所示：
图3.1STC89C52RC管脚图
使系统运行的单片机最小系统包括:
电源，时钟震荡电路，复位电路。
单片机最小系统电路图，如图3.2所示。
图3.2单片机最小系统
3.1.1单片机时钟电路
单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的XTAL1和XYAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器
和
对振荡频率有微调作用。
时钟电路如图3.3所示。
图3.3 系统时钟电路
3.1.2单片机复位电路
单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。
复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上。
单片机的复位方式可由手动复位方式完成。
电阻、电容器的参考值
=10KΩ、
=10uF、
=0.01uF。
复位电路如图3.4所示。
图3.4 系统复位电路
3.2温湿度传感器的选择
温室大棚作物的生长必须具有一定的温度和湿度，过高或者过低都会影响作物的正常生长。
在采集温室大棚的温度和湿度时我们采用了数字温度和湿度传感器DHT11。
其外形如下图3.5所示：
图3.5DTH11外观
它具有很好的性能参数：
（1）相对湿度测量
（2）全部校准，数字输出
（3）卓越的长期稳定性
（4）无需额外部件
（5）超长的信号传输距离
（6）超低能耗
3.2.1DHT11引脚安装
它含有已校准输出温度和湿度数字信号的一种复合式传感器。
DHT11采用专门的温湿度传感技术和数字模块采集技术，可靠性高、稳定性长。
DHT11含有一个电阻式的感湿元件和NTC测温元件，能够与8位的单片机连接。
故DHT11的优点：
品质卓越、较强的抗干扰能力、响应速度快、较高的性价比等。
每个DHT11温湿度传感器均位于非常精准的温度和湿度实验室内进行校准。
校准系数通过程序的形式储存于OTP内存中，以便于DHT11在检测信号处理时方便调用。
DHT11温湿度传感器单线制的串行接口，将系统的集成简易快捷。
功耗低、体积小、20M以上的信号传输距离，使DHT11在各类应用场合中广泛的成为佼佼者【2】。
DHT11供电电压是3～5.5V。
传感器上电后，要等待1s来越过不稳定的状态。
与此同时不用发送任何的指令。
同时为去除偶滤波，可在电源的引脚（VDD及GND）之间添加一
F的电容。
由于温室大棚的面积相对较大，在湿度采集的时候，我们采用了多点检测的方式通过取平均值的方法来确定温室大棚的相对湿度。
气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。
因此在测量湿度时，传感器周边的温度尽量不变化。
如果将能够释放热的元器件和传感器焊接在一个电路板上，应离传感器稍远点，同时保持良好的通风。
为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。
DHT11与单片机的连接电路如下图3.6所示：
图3.6DHT11与单片机的连接
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。
3.2.2DHT11串行接口（单线双向）
DATA，作用在微处理器同温湿度传感器DHT11的同步与通讯,应用的是单总线的数据格式,通讯周期为4ms左右,数据分为整数和小数部分【4】。
操作的流程为：
数据格式:
8bit表示湿度的整数部分和8bit代表湿度的小数部分和8bit代表温度的整数部分和8bit代表温度的小数部分和8bit校验和。
当数据传送无误时，校验和就是8bit表示湿度的整数部分和8bit代表湿度的小数部分和8bit代表温度的整数部分和8bit代表温度的小数部分的末8位。
开始信号发送后，传感器由低功耗状态变为告诉的状态。
当信号结束了，传感器响应并发送40bit的数据，同时开始一次采集信号，此时，用户也能够读出部分数据。
通讯的过程如下示：
图3.7DHT11通讯过程
总线在无响应的时候是高电平，在等待传感器DHT11的响应时为低电平，此过程耗时大于
确保传感器将开始信号检测到。
此后，传感器发送
的低电平信号，再延时
以后，读传感器响应信号。
图3.8DHT11通讯过程
总线是低电平时DHT11发送响应信号。
若响应信号是高电平,此时DHT11没有响应,检查连接的线路是不是正确。
当最后一位数据传送完以后，DHT11将总线拉低
然后总线通过上拉电阻变为高电平，即空闲状态。
信号数字0的表示方法如下：
图3.9数字0信号表示方法
信号数字
的表示方法如下：
图3.10数字1信号表示方法
3.3二氧化碳浓度采集模块
二氧化碳的浓度与温室大棚作物的光合作用密切相关，它直接影响了作物的生长状况。
浓度过低会造成植物的生长不良，过高会影响作物的呼吸作用从而造成作物的光合产量下降【5】。
其测试电路如下3.11所示：
图3.11二氧化碳气体检测电路
本传感器采用固体电解质电池原理，由以下固态电池组成的：
空气，CO2,Au|NASICON||碳酸盐|Au
当传感器周围有
时，下列电极反应将会发生：
负极：
2Li++CO2+1/2O2+2e-=Li2CO3
正极：
2Na++1/2O2+2e-=Na2O
总的电极反应为：
Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2
从而传感器参考电极间的电势差和敏感电极满足能斯特方程：
EMF=Ec-（RxT）/（2F）ln（P（CO2））
在图中，外电路为元件提供加热电压，当它的表面温度搞到一定程度时，元件就好比一块电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。
元件测量时放大器的阻抗须在100—1000GΩ之间，其测试电流应控制在1pA以下。
3.4无线传输模块
无线模块是连接上位主机和下位从机的关键部分。
常用的无线通信模块有：
（1）红外无线对管传输
红外线通信技术普遍应用在低成本、点对点、跨平台的高速数据连接中,典型应用于嵌入式的系统.
红外线技术主要的应用有信息网关与设备互联。
其中前者负责连接互联网与信息终端设备；而后者能够实现不同的设备信息和文件的相互交换。
但是其通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断；功能单一，扩展性差。
而本设计要求能有较大的传输距离、稳定的数据、较强的抗干扰能力、移动方便可以经过障碍物而且能稳定的工作。
（2）NRF905中功率无线传输模块
由于NRF905可以工作在多频段433/868/915MHZ,传输距离远（在空旷地方可以达1KM）、数据比较稳定、具备较强的抗干扰能力和智能纠错能力、移动方便可以透过障碍物而且能稳定的工作。
因此我们采用NRF905无线模块作为本设计的无线通信模块【6】。
NRF905外观形状如下图3.12所示：
图3.12NRF905外观形状
NRF905接口电路管脚如下图3.13所示：
图3.13NRF905原理图
其管脚特性如下表1所示：
表1：
NRF905管脚特性
管脚
名称
管脚功能
说明
1
VCC
电源
电源+1.9-3.6VDC
2
TX_EN
数字输入
TX_EN=1TX模式TX_EN=0RX模式
3
PWR_UP
数字输入
芯片上电
4
TRX_CE
数字输入
使能芯片的接收与发射
5
uCLK
时钟输出
该脚向后兼容，废弃不用
6
AM
数字输出
地址匹配
7
CD
数字输出
载波检测
8
DR
数字输出
接收或发射数据完成
9
MOSI
SPI接口
SPI输入
10
MISO
SPI接口
SPI输出
11
CSN
SPI使能
SPI使能
12
SCK
SPI时钟
SPI时钟
13
GND
地线
接地
14
GND
地线
接地
说明：
（1）除去电源与接地端，剩余引脚不需要电平的转换能够直接连接在普通5V单片机IO口。
当然对3V左右的单片机更加适用了。
（2）VCC引脚的电压在3～3.6V，否则大于3.6V会把本模块烧毁。
电压最好在3.3V。
（3）其他系列的单片机，如果是5V的，请参考该系列单片机IO口输出电流大小，如果超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块!
如果是3.3V的，可以直接和RF905模块的IO口线连接。
3.5按键调整模块
按键采用4个独立的按键，一个功能键、一个确认键、一个加按键、一个减按键通过这四个按键可以来合理的设置温室大棚作物的生长最佳气候参数（温度最大值、最小值；湿度最大值、最小值；二氧化碳浓度的最大值、最小值以及时钟的调整和闹铃的设定）。
按键与单片机的连接电路如下图3.14所示：
图3.14按键模块
3.6外部存储模块
外部存储系统采用AT24C02，管脚封装如下图3.14所示：
图3.14AT24C02管脚
具有很好的可靠性参数如下：
（1）工作温度工业级-55℃～+125℃
（2）商业级0℃～+75℃
（3）贮存温度-65℃～+150℃
（4）各管脚承受电压-2.0（5）VCC管脚承受电压-2.0～+7.0V
（6）封装功率损耗（Ta=25℃）1.0W
（7）输出短路电流100mA
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