温室大棚的环境监测系统设计说明毕业论文.docx

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温室大棚的环境监测系统设计说明毕业论文

温室大棚的环境监测系统设计

院（系）专业班级学生

一、毕业设计题目温室大棚的环境监测系统设计

二、毕业设计工作自20XX_年_X月_XX__日起至___XXXX___年X月__XX___日止

三、毕业设计进行地点:

四、毕业设计容要求：

设计目的与意义：

随着人们生活水平的不断提高，人们对食物的要求也越来越高，温室大棚作为培育瓜果蔬菜的生长基地，对温室大棚中植物的生长环境监测是非常有必要的。

本次设计要求学生根据所学知识完成温室大棚的环境监测系统设计，提高学生的分析问题，解决问题的能力。

其具体要求如下：

1．要求自选方案完成温室大棚的环境监测系统设计；

2．要求采用软、硬结合的方式完成系统电路的设计；

3．要求系统根据植物生长的环境要求进行监测，如出现异常情况报警；

4．要求完成系统硬件电路的搭建和系统整体测试，实现环境无线监测功能。

毕业论文要求：

1．论文撰写要求格式规，设计思路清晰，条理清楚；

2．外文翻译要求翻译语句通顺流畅，用词恰当；

3.论文容准确无误，用A4纸打印。

进程安排如下：

20XX年X月1X日--X月XX日：

查资料，调研，确定方案，并按时在系统中提交开题报告。

20XX年X月XX日--X月XX日：

对系统硬件电路进行模块化设计，采用编程语言进行软件编程，完成硬件电路的软件仿真；在系统中提交外文翻译；完成中期检查报告。

20XX年X月XX日—X月XX日：

进行系统硬件电路的搭建、调试和测试，完成毕业设计验收。

20XX年X月XX日--X月XX日：

完成毕业设计任务，并在系统中提交最终论文。

20XX年X月X日--X月XX日：

毕业设计答辩。

指导教师系（教研室）通信工程系

系（教研室）主任签名批准日期

接受设计任务开始执行日期学生签名

温室大棚的环境监测系统设计

[摘要]在农业生产中，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。

在温室大棚中，最关键的是温湿度控制调节。

本课题设计了一种基于单片机的温室大棚的环境监测系统，该系统主要由单片机AT89S51、温湿度传感器DHT11、无线通信模块NRF24L01、液晶显示LCD1602等组成。

由DHT11进行温湿度的采集并且通过NRF24L01无线传输模块传输到接收端，在接收端采用液晶显示屏来显示当前状态下的温度和湿度信息，超过设定围报警。

该系统实现了实时采集温湿度信息，无线传输，报警等功能。

[关键词]单片机;无线传输模块；温湿度传感器；LCD液晶显示屏

Designofenvironmentalmonitoringsystemforgreenhouse

HanYunpeng

（Grade2011,Class4,MajorofCommunicationEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723001,Shanxi）

Tutor:

XueZhuanhua

[Abstract]Intheagriculturalproduction,theapplicationofthegreenhouseismoreandmorewide,andithascreatedhighereconomicbenefit.Inthegreenhouse,thekeyisthetemperatureandhumiditycontroladjustment.Thispaperdesignsakindofenvironmentalmonitoringsystembasedonsinglechipmicrocomputer.Thesystemismainlycomposedofsingle-chipmicrocomputerAT89S51,temperatureandhumiditysensorDHT11,wirelesscommunicationmoduleNRF24L01,LCD1602andsoon.ThetemperatureandhumidityoftheDHT11werecollectedandtransmittedtothereceivingmodulebytheNRF24L01wirelesstransmissionmodule.Atthereceivingmodule,theLCD1602isusedtodisplaythetemperatureandhumidityinformationofthecurrentstate,andoverthesettingrangeofthealarm.Thesystemrealizedreal-timetemperatureandhumidityinformation,wirelesstransmission,alarmandotherfunctions.

[Keywords]SCM,Temperatureandhumiditysensor,LCDdisplay,Wirelessmodule

1.引言

改革开放以后，我国的经济水平在快速的发展，我国的社会地位在不断的进步，生活质量水平的好坏相对很多人来说也变得至关重要。

如何在一年四季都能种植和培养出优质新鲜的蔬菜，一直是人们研究的课题方向。

而基于单片机的温室大棚环境参数监控系统对解决这些问题有着非常重大的意义。

温室大棚一直都用于植物种植和培育中，但这需要有一套科学的和先进的管理方法才能更好的运用好温室栽培这一高效技术，这样就可用它来监控植物在各个时间段所需要的温度和湿度等一系列环境参数。

把温湿度监控系统用在温室大棚中，是将单片机的相关应用具体化和实际化了，体现了单片机的一种实际意义，这种应用随着温室大棚的发展将会十分广泛，它代表了一种智能监控的方法。

在工业设计、农业生产、国防安全等行业，环境参数的监测都有着非常广泛的实际应用。

因为使用的环境不同、采集的参数不同，其系统设计也有着很大不同。

在现代实际生活和发展中这一系统的应用十分广泛，温度和湿度是室温大棚环境检测系统中两个举足轻重的显示和判断指标，需要对温度和湿度进行定期的抽样检测和分析，从而采用合理的方法进行应对。

现如今，国外的温湿度检测器件种类五花八门，而且拥有比较广泛的应用，再加上现代科技不断发展的单片机和大规模集成电路技术，随之产生了可行性比较高、稳定性比较高的单片环境参数采集体系。

随着国外社会的不断发展和进步，很多人对现有所处的生活环境要求变得越来越严格。

为了让人们在一年四季都能吃到优质的蔬菜，在培育蔬菜的温室大棚中，对这一点要求尤其严格。

运用单片机的温室大棚监控系统的设计，将对大棚中环境的温湿度监控进行具体的设计与实现。

在智能测试器件、工业生产操控、机械统一控制等方面，STC89C51单片机是很好的控制芯片，在很多温湿度监控系统的实际应用也比较常见。

用STC89C51单片机实现温湿度实时的自动监控和显示不仅性能良好，而且价格也非常便宜。

同时，在学习和应用中，STC89C51单片机也易于掌握。

使用这一监控系统，可以对温室大棚的温湿度变化及时、精确的监控和显示以及更重要的报警功能。

在温室大棚当中采用此系统对植物的生活环境进行了时刻的监控，以便能对植物提供更加适宜的环境。

在当今现代的生活中，通过无线通信来采集温湿度已经越来越普遍了。

并且随着工农业的生产对温湿度的要求越来越高，精准的测量温湿度变得十分重要。

温度它不能像质量和长度那样简单地获取量值，只有通过其他相关性质间接地测量。

现在温度测量是可以通过温度传感器来测量的，温度测量的过程简单来说就是通过传感器把温度值转换为电信号或者其他信号，经过相关处理，从而转换成温度显示出来。

温度测量设备一般有温度传感器和信号处理电路组成。

某些情况下，需要监测的围很大，布线不方便且不利于后期维护，这时我们就采用无线模块对温度进行采集。

本次系统的设计采用nRF24L01无线通信模块，并以STC89C51为核心来控制实现短距离无线温湿度传输。

该系统设计具有成本地，传输快，软件设计简单，功耗低，可靠性高等优点。

整个设计的主机和从机通NRF24L01无线模块连接通信。

从机以单片机STC89C51为核心，通过无线模块NRF24L01把温度传感器采集的温度传送给主机，主机通过无线模块NRF24L01接收温度数据，然后再在液晶LCD1602上面显示，从而达到实时监控的目的。

2.方案论证及器件选择

2.1系统功能设计

（1）温湿度监控：

实现对温室大棚温湿度参数的实时采集，测量空间的温度和湿度，由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示，实现温湿度的智能检测。

（2）控制处理：

当温湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。

（3）无线传输：

用温湿度传感器将测量的温湿度数据通过无线模块进行传输。

温湿度传感器达到的技术指标：

测量围：

湿度20-90%RH，温度0-50℃

测量精度：

湿度±5%RH，温度±2℃

2.2方案论证

要实现温湿度的采集和传输有多种方案，下面介绍以下两种方案。

方案一：

采用可编程逻辑器件设计

用可编程逻辑器件设计，而所设计的电路比较繁杂，可能用到十几片数字集成块，利用数字电路的各功能模块的组合来完成其功能，焊接的过程比较复杂，成本也比较高。

这里可以利用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。

结构清晰的设计，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，比较方便控制与显示的模块间的连接。

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EDA占用的资源也会比较多。

用可编程逻辑器件设计，成本上来讲处在弱势[1]。

方案一的设计框图如图2.1所示。

图2.1系统设计框图

方案二:

基于单片机的设计

以单片机为控制核心，采用温湿度测量技术，通信技术，控制技术等技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量控制系统。

可分为温湿度测量电路，显示电路，报警电路，无线模块，图2.1选用的主要器件有：

单片机STC89C51，温湿度传感器DHT11，1602LCD显示模块，LED灯，报警装置蜂鸣器,NRF2401无线模块等。

方案二的设计框图如图2.2所示。

图2.2系统设计框图

2.3方案选择

方案二可以利用单片机部的控制只读存储器和随机存储器及其丰富的引脚资源，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，通过与无线芯片传输数据及指令来完成数据的无线传输，因此可以采用基于SPI总线的射频收发芯片。

单片机可扩展性强，体积小，实用性强，功能齐全，而且设计起来比较简单，就具备可用实验室的条件，硬件更加容易实现。

方案一的好处是设计较为简单，但是无线发送只能通过不包含传输协议和差错校验的无线传输模块传输数据，没有掉电存储的功能，且控制的准确性和灵活性较差，故不采用。

经过综合考虑此次设计采用方案二。

2.4主要元器件选型

2.4.1单片机选型

方案一：

采用STC89C51实现。

单片机软件编程可简单地实现多数功能，自由度大，结构清晰，便于调试和维护，可读性和移植性强。

并且具有体积小，硬件搭建简单等优点。

本系统由一台主机，2台从机组成2级分布式温度测量进行多路温度数据采集。

另外STC89C51的应用已经十分广泛，相关技术的使用都很熟练，开发难度很小。

方案二：

采用MSP430F149单片机。

此单片机功耗低，部集成高速12位ADC，性能强大。

但本设计简单，不需要MSP430F149如此功能强大的单片机，并且MSP430F149成本高，是TPFQ贴片封装，必须采用PCB制板，增加了开发周期。

综合考虑我们选择STC89C51作为本系统的MCU。

2.4.2无线传输模块选型

方案一：

采用NRF24L01

NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。

无线收发器包括：

频率发生器、功率放大器、调制器和解调器、增强型“SchockBurst”模式控制器、晶体振荡器。

输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。

极低的电流消耗：

当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

方案二：

采用超再生式无线模块

超再生式无线模块超再生接收机价格低廉，经济实惠，而且接收灵敏度高，但是缺点也很明显，那就是频率受温度漂移大，抗干扰能力差。

方案选择：

考虑到本设计需要稳定可靠地传输多字节的指令数据，故采用抗干扰能力强且具有差错校验功能的NRF24L01无线收发模块作为数据和指令的传输。

3.硬件电路的设计

根据设计方案，总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，下面进行系统硬件各模块电路的设计。

3.1单片机最小系统

STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，STC89C51拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C51具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。

另外，STC89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口中断继续工作。

掉电保护方式下，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[2]。

（a）电源及时钟引脚（4个）

VCC:

电源接入引脚；

GND:

接地引脚；

XTAL1:

晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；

XTAL2:

晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。

（b）控制线引脚（4个）

RST/VPD:

复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；

ALE/PROG:

地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚（低电平有效）；

EA/Vpp:

外存储器选择引脚（低电平有效）/片EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚；

PSEN:

外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。

（c）并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）

P0.0～P0.7:

一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；

P1.0～P1.7:

一般I/O引脚；

P2.0～P2.7:

一般I/O引脚或高位地址总线引脚；

P3.0～P3.7:

一般I/O引脚或第二功能引脚。

其部主要由CPU、RAM、ROM、通用I/O及总线构成，部结构如图3.2所示。

8051

时钟

程序存储器

数据存储器

定时计数器

并行I/O口

串行通信口

中断系统

数据

总线

地址

总线

控制

总线

图3.2STC89C51部结构图

CPU：

由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；

RAM：

用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

ROM：

用以存放程序、一些原始数据和表格；

（1）单片机的寄存器：

MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。

外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。

程序存储器：

如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。

对于89S52，如果EA接VCC，程序读写先从部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：

2000H~FFFFH。

数据存储器：

STC89C51有256字节片数据存储器。

高128字节与特殊功能寄存器重叠。

也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。

当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。

直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）[3]。

（2）机器周期和指令周期：

（a）振荡周期:

也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。

（b）状态周期:

每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。

（c）机器周期:

一个机器周期包含6个状态周期S1~S6,也就是12个时钟周期。

在一个机器周期,CPU可以完成一个独立的操作。

（d）指令周期:

它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。

每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。

（2）中断：

STC89C51有6个中断源：

两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。

每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。

IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断[4]。

IE.6位是不可用的，对于STC89C51，IE.5位也是不能用的。

用户软件不应给这些位写1。

它们为AT89系列新产品预留。

定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。

程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。

实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。

定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。

它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。

然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。

（3）复位电路

本系统采用上电+按键复位，是上电复位和按键电平复位的组合，无论是上电还是按动按键都能使单片机复位。

如图3.3所示。

图3.3复位电路

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。

所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。

按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的[4]。

（4）时钟电路

时钟引脚为XTAL1、XTAL2，时钟引脚外接晶体与片的反向放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号，时钟引脚也可外接晶体振荡器。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体的一个引脚。

在单片机部，它是一个反向放大器的输入端。

这个放大器构成了片振荡器。

当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端，在单片机部接至部反向放大器的输出端。

若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到部时钟发生器的输入端[8]。

本系统采用晶振时钟电路。

外部晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。

外接晶振时，C1和C2通常选择30pf,晶振采用12MHz[4]。

本设计时钟电路如下图3.4所示。

图3.4时钟电路

单片机最小系统电路如图3.5所示。

图3.5单片机最小系统

3.2温湿度传感模块设计

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。

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。

因此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存中，传感器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，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便[9]。

DHT11的简介

·相对湿度和温度测量

·全部校准，数字输出

·卓越的长期稳定性

·无需外加器件

·超长的信号传输距离

·超低能耗

·4引脚安装

·完全互换

（1）引脚说明：

建议接线长度短于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。

引脚1：

VDD供电3-5.5V

引脚2：

DATA串行数据，单总线

引脚3：

NC空脚，悬空

引脚4：

GND接地，电源负极

（2）电源引脚：

DHT11的供电电压为3－5.5V。

传感器上电后，要等待1s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）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

串行接口（单线双向）

（3）单总线说明

DHT11器件采用简化的单总线通信。

单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。

设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。

由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机[10]。

（4）单总线传送数据位定义

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，一次传送40位数据，高位先出。

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校验位。

（5）校验位数据定义

“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校验位等于所得结果的末8位。

（6）数据时序图

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发送响应信号,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,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

图3.6数据时序图

（7）外设读取

（a）DHT11上电后，测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平；此时DHT11的DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。

（b）微处理器的I/O设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms，然后微处理器的I/O设置位输入状态，由于上拉电阻，微处理器的I/O即DHT11的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出回答信号。

图3.7主机发送起始信号

（c）DHT11的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHT11的DATA引脚处于输出状态，输出80us的低电平作为应答信号，紧接着输出80us的高电平通知外设准备接受数据，微处理器的I/O此