基于单片机的农业大棚环境监测系统设计说明.docx

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基于单片机的农业大棚环境监测系统设计说明

题目基于单片机的农业大棚环境监测系统设计

理工学院本科毕业设计任务书

一、毕业设计题目基于单片机的农业大棚环境监测系统设计

二、毕业设计工作自2015年12月22日起至2016年6月18日止

三、毕业设计进行地点:

通信工程实验室A-1103

四、毕业设计应完成容与相关要求：

温度、湿度以与光照等环境参数的测量和控制在日常生活和农业领域中具有广泛的应用。

随着生活水平的大幅提高，人们对大棚蔬菜提出了更高的要求,大棚中农作物在生长过程中，温湿度与光照对其影响较大。

传统测试方法费时费力、效率低，且有时需要不间断监控，以达到实时监测的目的。

针对以上问题，本设计是基于单片机的环境监测系统，该系统可实现温度、湿度与光照的实时测量，通过需要设置测量参数的围，超出设定围可发出警报提醒外界进行干预控制。

五、毕业设计应收集资料与参考文献：

1、应收集与课题相关文献12篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为2010年至2016年；

2、除了文献之外，所参考的书目不能超过3篇；

3、所有的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导教师。

六、毕业设计的进度安排：

1、必须查阅大量资料（包括一定数量的外文资料），了解课题的研究背景、意义，熟悉设计中要用到的相关电路知识；完成开题报告；并完成一篇外文文献的全文翻译工作；（1月1日－3月18日）

2、进行系统的概要设计；（3月19日－4月10日）

3、熟悉设计软件，并提交中期报告；（4月10日－4月20日）

4、系统的设计与实现；准备作品的验收；完成论文第一稿；（4月21日－5月10日）

5、根据要求对对论文与作品进行完善，完成论文第二稿；（5月11日－5月20日）

6、制作答辩PPT，准备答辩材料，准备答辩，并完成后续工作；（5月21日－6月10日）

7、必须定期与指导老师见面，汇报进展情况，按时完成论文的撰写工作。

指导教师签名亚锋专业负责人签名王战备

学院领导签名熊晓军批准日期2016-01-10

基于单片机的农业大棚环境监测系统设计

[摘要]温度、湿度和人类的生产有着密切的关系，同时也是农业生产中不可或缺的参数。

随着科学技术的发展，温室大棚的应用越来越广泛，为人们创造了更高的经济效益。

本文阐述了一种基于单片机的温室大棚的环境监测系统的设计过程。

该系统主要由单片机STC89C52、温湿度传感器DHT11、液晶显示LCD1602和光敏电阻等组成，实现了实时采集温湿度信息、温控报警等功能，具有精度高、功能强、体积小、简单灵活等优点，很好的满足了农业大棚环境监测要求。

[关键词]农业大棚；环境监测；单片机；DHT11；LCD1602

ThedesignofagriculturalgreenhouseenvironmentalmonitoringsystembasedonMCU

Abstract:

Temperature,humidity,andhumanproductioniscloselyrelated,butalsoanintegralpartofagriculturalproductionparameters.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,greenhousesusedmorewidelyforpeopletocreateahighereconomicefficiency.ThispaperdescribesthedesignofaprocessSCMgreenhouseenvironmentalmonitoringsystemisbased.ThesystemconsistsofmicrocontrollerSTC89C52,temperatureandhumiditysensorsDHT11,LCDLCD1602andphotosensitiveresistance,etc.,toachieveareal-timeacquisitionoftemperatureandhumidityinformation,temperaturealarmandotherfunctions,withhighprecision,powerful,small,simpleandflexible,etc.,goodtomeettheagriculturalgreenhouseenvironmentalmonitoringrequirements.

Keywords:

Agriculturalgreenhouses;environmentalmonitoring;MCU;DHT11;LCD1602

引言

（1）课题研究的背景

温室对于如今的生产生活的影响越来越大，利用温室技术的研究来提升生产效率，为植物提供适宜的环境。

随着改革开放，特别是90年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主的植物栽培，在大江南北遍地开花，政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇蔬菜大棚产业被看作是21世纪最具活力的新产业之一。

温室环境是一种更加利于植物生长，避免环境影响其生长发育。

在大棚里可以种植反季节作物，提高农业效率以与经济效益[2]。

国外在20世纪70年代就开始对温室大棚技术进行了研究，采用模拟式显示组合仪表，将采集的信息经过处理然后发出指令进行控制和记录。

分布式控制系统在80年代出现，经过人们的不断研究，以与对温室控制技术迅速的发展，现在部分国家已经实现了自动化控制并向更先进、更自动化的方向发展。

在我国北方冬季寒冷而漫长，利用温室大棚种植蔬菜能更快的提高人民生活水平。

温室大棚管理主要的因素是温度、湿度与光照的控制。

温度管理一般把一天分为中午前、中午后、前半夜和后半夜四个时段来进行温度调控。

中午之前是促进光合作用的最佳时间，增加有机物的累积为主，将棚温保持在25-30℃最为适宜。

中午过后光合作用慢慢下降，温度要比中午之前降低3-8℃，适宜温度在22℃左右，避免养分过多的消耗，而降低了有机物的累积。

天黑之后四小时，温室的温度需降到12-18℃，以促进植物对有机物的累积。

之后继续降温3℃左右，不可降得过低，这样容易导致植物产生低温危害。

阴雨天光照缺乏，光合作用进行缓慢，需降低温度5℃左右，以减少呼吸消耗[2]。

现在单片机发展迅速，通过单片机对环境进行监控日益广泛，其小体积、多功能、高性价比等。

运用在自动监控系统中减少人们的劳动，提高生产效率。

（2）温室研究现状

国外温室控制技术以美国最为先进，主要是因为其计算机的发展非常迅速，这也使得以计算机为主的温室环境控制技术迅速发展。

温室大棚控制包括室温度、土壤温度、相对空气湿度、通风口状况、保温幕状况、pH调节、CO2浓度；室外控制包括光照强度、相对空气湿度、大气温度、风向风速等[3]。

温室系统的应用为农业生产发展提供了很大的帮助，提高了工作效率，减少劳动量，收获了更多更好的农产品。

荷兰从上个世纪八十年代就开始温室计算机自动控制系统的开发，并不断地研究模拟控制软件。

并通过交互式界面显示必要的信息，设置参数并绘制曲线，修正值曲线和测量数据曲线可以从设定的时间数据库中调用。

其方便的方式可以直接查询数据计算机的串行端口和完成上位机和下位机之间的信息交流。

实现参数设置、信息显示和控制等功能，同时还能够进行数据调整，完成温室环境监控。

国外温室控制技术的发展史可以分为三个发展阶段：

手动控制：

在温室控制技术前期被广泛采用，其并没有真正意义的控制体系。

种植者不仅要充当温室环境的传感器，又要充当温室作物管理的执行。

温室种植户相当于环境控制核心。

通过对气候条件和作物生长状况的观察，利用以往经验和直觉进行推测和判断，以手动方动式来调节温室环境，这样对作物状况的反应是最直接、最快速、最有效的方式。

但这种控制方式局限性太大，不适合工业化农业生产的需要。

自动控制：

此控制系统必须先输入植物所需的生长目标参数值，经计算机将实际测量的数值和预先设定的目标值进行比较，利用判断后的结果来调控温室环境因子，以控制相应的操作通风、制冷和加热等。

计算机温室自动控制技术实现自动化生产，劳动生产率的提高，适合于大规模生产。

温室环境设置改变目标值可以在温室环境进行自动调整，此方法的缺点是改变作物生产响应的状态不与时，很难实现作物生长的最佳环境。

智能化控制：

利用温度自动控制技术和生产实践为基础，经过总结，收集农业领域积累的知识、经验和数据，从而建立植物生长数学模型，实现各类植物生长的不同需求。

从手动到全自动控制技术，控制温室生产过程向着更先进、更全面的方向发展。

未来的温室环境控制，势必以植物生长模型、温室农业专家系统的自动信息采集、温室综合环境因素分析模型和智能控制为基础向着全自动化方向发展。

（3）课题设计思路

首先明确设计思路，通过查阅资料了解相关的设计方法以与主要的设计原理等，然后着手进行设计，搭建一个大体的设计框图，再根据设计要求完成相应的补充设计。

热电偶形式是通过加热湿度传感器，该A/D变换器将单片机不能测量的温度和湿度信号转换成电信号从而实现测量，将湿度、温度值显示在液晶显示器，将温度、湿度传感器的温度和湿度信号转换成模拟电压信号，然后通过低通滤波器滤除干扰信号送入单片机，再经过单片机的采样，进一步提高测量精度，经过数字滤波单片机后将取样的温度信息与设定值进行比较，如果不匹配，利用控制触发音量控制量的PID控制方法调整程序，并通过设计控制程序执行，以LCD显示屏显示最终结果。

电路总体上分为采集模块、核心处理模块、报警模块和显示模块。

STC89C52单片机为核心用于控制电路、DHT11传感器、光敏电阻的采集转换、1602液晶屏的显示以与蜂鸣器的报警[4]。

具体显示的容方式由软件来完成。

温湿度传感器，不选择单独的器件，而是采用DHT11数字温湿度一体传感器进行温湿度的测量，一方面在简化设计流程的同时增加了系统的稳定性，另一方面是降低了设计的成本消耗。

1602LCD液晶显示屏，能够实时、准确的显示采集温度值、湿度值与光照强度值，而且成本较低。

并设计了三个输入按键能够根据环境在不同时间段对温度、湿度与光照强度的不同要求，用户可人为的更改温度、湿度和光照强度上下限值，以满足用户在使用中的不同需求。

当在使用中环境超出任意上下限值，经主控模块处理采集的温度值、湿度值与光照强度值与其标准值进行对比，如判断越线则与时的启动报警装置，蜂鸣器发出滴滴滴的报警声[5]。

1方案论证与器件选择

1.1方案论证

方案一：

采用可编程逻辑器件设计

采用可编程逻辑器件设计，利用数字电路各功能模块相组合起来以达到其功能，可以利用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。

结构设计比较清晰，各个模块从硬件上设计起来相对简单，比较方便的控制与显示模块间的连接。

设计框图如图1.1所示。

图1.1系统设计框图

方案二：

基于单片机的设计

以单片机STC为控制核心，采用温湿度传感器和光敏电阻作为测量元件，构成智能温度、湿度和光照强度的测量系统[6]。

可分为温度、湿度测量电路、光照强度测量电路、主控电路、报警电路和显示电路。

主器件：

温湿度传感器DHT11、光敏电阻、单片机STC89C52、1602LCD显示器、LED灯和蜂鸣器。

设计框图如图1.2所示。

图1.2系统总体设计框图

在方案设计中，遵循简洁至上的原则，因此所有的外围模块采用串行方式和微处理器模块。

以STC89C52单片机为控制核心，控制温度、湿度和光照强度采集以与显示器的显示等功能。

在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传感器采集、单片机控制、1602液晶显示和蜂鸣器报警四大部分。

方案二可以利用单片机部的控制只读存储器、随机存储器和其丰富的引脚资源，外接键盘输入，液晶显示器等实现数据的传输处理和显示功能。

单片机可扩展性强、体积小、实用性强、功能齐全；设计起来也比较简单，硬件更加容易实现。

方案一的好处是设计较为简单，但是如果结合本设计的特点，EDA在功能扩展上会受到约束，而且这样设计的电路有些繁杂，焊接的过程也比较复杂，成本较高，操作困难，因此不予采纳。

经过综合分析，本次设计采用方案二。

1.2主要元器件选择

1.2.1单片机选型

方案一：

AT89C51是低电压，高性能的CMOS型8位微控制器，该设备采用MCS-51指令，片通用的8位中央处理器和闪存单元，功能强劲，采用FLASH技术4K程序存储器，对设备开发要求低，从而缩短了开发周期。

AT89C51可构成最小的应用系统，缩小系统体积、提高系统可靠性、降低系统成本。

只要程序长度小于4K，四个I/O端口提供给所有用户。

提供5V的电压编程和擦除时间只需10毫秒。

AT89C51芯片提供三个级别的程序存储器的加密，并提供了方便、灵活、可靠的硬件加密，可以保证程序或系统不被仿制。

方案二：

STC89C52单片机和AT89C51系列的完全兼容，实际操作起来也方便很多。

而AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口进行下载，下载软件可以到STC厂家下载。

STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3~30倍，尽管达到了高速，但AT上的程序在STC上不一定好用，比如那些对时序有严格要求的模块。

STC对工作环境的要求也比较低，3V~4V之间还可以正常工作，所以选用STC单片机会更合适。

经过比较两种方案，以与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，最终选择用STC系列芯片。

1.2.2传感器选择

方案一：

选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块，HS1101湿度传感器作为湿度采集模块。

DS18B20是数字温度传感器，单线式接口方式，测量围-10℃~85℃，误差围±0.5℃，最高精度达0.0625℃。

HS1101测量的相对湿度围在0%~100%RH，误差±2%RH。

方案二：

选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。

DHT11是集成型的一体数字温湿度传感器。

DHT11采用数字温湿度传感技术，具有高可靠性和稳定性。

传感器由电阻式测湿元件和NTC测温元件组成与单片机连接。

产品具有品质高、响应快、抗干扰能力强等优点。

测量围湿度20%~90%RH，温度0℃~50℃。

测温精度为±2℃，测湿精度为±5%RH。

通过以上分析，方案一虽然精度高，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。

光传感器方面则选择常用的光敏电阻。

1.2.3显示器选择

方案一：

LCD12864液晶显示屏，能够显示汉字和图形，是128×64点阵的汉字图形型液晶显示器，置8192个中文汉字、显示RAM和128个字符，以8位并串行两种方式与微处理器直接连接。

方案二：

采用HJ1602液晶显示屏。

HJ1602是一种工业字符型液晶显示屏，能够同时显示16列2行。

仅能显示字母、数字和符号，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。

在编程使用原理、写指令和写地址等都基本一样。

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。

不过此次设计1602液晶屏也能够完全胜任，其显示简洁实用，价格实惠。

经过综合考虑，1602是最好的选择。

2系统硬件设计

本次设计主要由4个模块构成，分别是传感器模块、主控模块、LCD液晶显示模块以与报警模块。

主控模块采用STC89C52芯片，控制整个系统的运行，并利用各个接口分别控制外围模块，使其他模块可以连成一个整体，实现设计需要[7]。

报警模块主要指将蜂鸣器接入单片机电路，通过对实时温度、湿度和光照强度的检测，并设定所需要的温度、湿度与光照强度值区间，当越限时发出报警信号。

传感器模块用于实时温度、湿度与光照强度的检测，由于DHT11是数字一体化，集成了模数转换等模块，直接连接单片机即可。

LCD液晶显示模块同样接入单片机，实现对数据的实时显示。

系统总体设计框图如图2.1所示。

图2.1系统总体设计框图

2.1主控模块

2.1.1STC89C52

STC89C52单片机是一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器具有8K字节的可编程闪存，与80C51指令集和引脚完全兼容。

片上闪存程序存储器可实现在系统编程，同时也适用传统的编程，如STC89C52设备可提供灵活有效的解决方案，以与许多嵌入式控制应用。

STC89C52具有以下标准功能：

闪光的8K字节，256字节RAM，32位I/O线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个六向量两级中断结构，全双工串行口，片振荡器和时钟电路。

此外，空闲模式下，CPU停止，允许RAM，定时器/计数器，串行端口，中断至工作[8]。

掉电保护模式，RAM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[9]。

STC89C52引脚如图2.2所示。

图2.2STC89C52引脚图

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口是8位双向开路I/O口。

用作输出端口时，每个引脚吸收8TTL门电流。

FIASH编程，P0口作为原码输入口，FIASH进行校验，P0输出原码，P0外部采取拉高。

P1口：

P1口提供部上拉电阻的双向8位I/O口，此口缓冲器可接收输出4TTL门电流。

P1口写入1，然后上拉为高电平作输入，下拉为低电平输出电流，是部上拉所造成的结果。

FLASH编程和校验，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为8位部上拉电阻双向I/O口，其缓冲器可接收输出4个TTL门电流，在被写为“1”时，管脚被部上拉电阻拉高作输入。

当作为输入时，管脚又被外部拉低输出电流。

在访问外部程序存储器或数据存储器进存取时，输出是地址的高8位。

在闪存校验和编程时接收控制信号以与高八位地址信号。

P3口：

P3口管脚是8个双向并带有部上拉电阻的I/O口。

写入“1”之后，被部上拉为高电平作输入。

做输入口时，由于部的上拉电阻，被外部拉低的引脚会输入一个电流ILL。

P3口可用于一些特殊功能口在STC89C52上，如表2.1所示。

表2.1P3口功能表

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时作为编程校验和闪烁编程接收部分控制信号。

RST：

复位输入。

要保持RST脚两个机器周期的高电平时间当振荡器复位期间时。

ALE/PROG：

当访问外部存储器和地址锁存器，允许用于锁存地址状态字节的输出电平。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

普通时间ALE端在周期输出脉冲信号时，振荡器频率为1/6。

因此，可用于定时目的或外部输出的脉冲。

如果想禁止ALE输出，可设置为0在SFR8EH地址上。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

/EA/VPP：

/EA保持低电平期间，外部程序存储器（0000H-FFFFH）。

加密方式为1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端为高电平时，CPU执行部程序存储指令。

XTAL1：

部时钟工作电路和反向振荡放大器的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.1.2主控模块电路

单片机主程序模块通过对DHT11传感器采集到信号的读取，将得到的数据信号进行分析和处理，再将处理后的信号发送给1602液晶显示模块，完成信息的接收与发送，并连接蜂鸣器，控制报警系统。

如图2.3所示。

图2.3STC89C52模块电路原理图

2.2DHT11传感器模块

2.2.1DHT11传感器

DHT11传感器是由NTC温度电阻元件和湿度测量元件组成，并与高性能的8位微控制器连接。

微处理器通过一个简单的电路连接就能够实时采集当前温度和湿度。

DHT11可简单的使用单总线与微控制器通信，只需要一个I/O端口。

部温湿度传感器数据40bit时一次性发送到微控制器，使用数据校验方式进行，有效的保证数据传输的准确性。

在5V电源电压，平均最大电流0.5毫安。

DHT11低功耗、超小体积，信号传输距离可达20米，使其成为各种应用的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便，可根据用户的需求来提供。

性能指标和特性如下：

工作电压围：

3.5-5.5V

工作电流：

平均0.5mA

湿度测量围：

20-90％RH

温度测量围：

0-50℃

湿度分辨率：

1％RH8位

温度分辨率：

1℃8位

采样周期：

1S

单总线结构

与TTL兼容（5V）

（1）应用电路连接说明

DHT11数字湿温度传感器的连接方法很简单。

第一引脚连接到电源。

第二数据引脚可以直接连接到MCU的I/O端口，为了提高稳定性，数据终端与正电源之间接4.7K拉电阻。

第三引脚悬空。

第四引脚接电源地。

如果电缆长度小于20米，建议使用上拉电阻5K，超过20米时，根据实际情况使用适当的上拉电阻。

图2.4DHT11典型应用电路

（2）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，悬空

Pin4（VDD），接地端，电源负极

（3）DHT11数据结构

DHT11数字温湿度传感器可使用单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。

其数据包由5Byte（40Bit）组成，数据分小数部分和整数部分，具体说明如下：

数据格式：

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

校验和数据为前四个字节相加。

传感器数据输出是未编码的二进制数据，该数据（湿度、温度、整数、小数）之间应该分开处理。

例如，在某次从传感器中读取如下5Byte数据：

byte4byte3byte2byte1byte0

0010110100000000000111000000000001001001

整数小数整数小数校验和

湿度温度校验和

从上可得湿度和温度的值，计算方法如下：

humi（湿度）=byte4.byte3=45（％RH）

temp（温度）=byte2.byte1=28（℃）

jiaoyan（校验）=byte4+byte3+byte2+byte1=73（=humi+temp）（校验正确）

注意：

DHT11一次通讯时间最大3ms，主机连续采样间隔建议不小于100ms。

（4）DHT11开始发送数据流程

单片机发送一个起始信号，DHT11从低功率模式到高速模式过渡，主机等待开始信号结束后，DHT11响应信号发送40位的数据并触发采集信号，用户可以选择读出数据的一部分。

如果没有收到主机发送的启动信号，DHT11不会主动收集温度和湿度数据。

DHT11采集数据后转换到低速模式，通讯过程如图2.5所示。

图2.5DHT11开始发送数据流程

主机发送一个启动信号后，等待20us~40us后读取DH11T延迟响应信号读取总线为低电平，说明其发送响应信号后，再把总线上拉到高电平，准备发送数据，每一个位数据用低电平开始，如图2.6所示。

总线空闲时为高电平，主机总线拉低