基于单片机的大棚温湿度控制系统.docx
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基于单片机的大棚温湿度控制系统
基于单片机的大棚温湿度控制系统
摘要：
当代科技日新月异，社会正处于科技联系实际、改善生产方式，提高生活质量的重要阶段。
观察以往的大棚，主要靠人工来处理一切问题，但随着劳动力成本的急剧增加，传统的温室管理模式面临巨大的挑战。
传统的温湿度数据采集主要靠人工、任务繁重、效率低下、劳动成本高。
针对传统的环境参数检测系统存在的一些问题如布线复杂、维修困难。
采用单片机与无线通信相结合的技术，设计出一套环境参数无线监测系统，实现大规模大棚温室环境参数的监测与控制。
该系统分为三大部分：
终端监控模块，中心控制单元模块以及上位机模块。
该系统具有结构简单、可靠性高、测试点灵活布置等众多优点。
关键词：
单片机；无线通信；温湿度；监测与控制
ATemperatureandHumidityControlSystemBasedonMicro-ControllerUnitinGreenhouse
Abstract：
Societyisinanimportantstagethatimprovingmodeofproductionandqualityoflifebyusingscienceandtechnologyincontemporary.Observedinthepastgreenhouses,peoplemainlyhavedealtwithallproblemsbymanual,butwiththesharpincreaseinlaborcosts,thistraditionalgreenhousemanagementmodelwasfacingahugechallenge.Traditionaldatacollectionfortemperatureandhumiditymainlydependedonthelabor,leadingtonumberofproblemslikeheavytask,inefficient,laborcostshigherandsoon.Accordingtotheenvironmentalparametermonitoringrequirementsingreenhouse,awirelessmonitoringandcontrollingsystemfortemperatureandhumidityisdeveloped.Itovercomesthedisadvantagesofwiredmonitoringsystem,suchascomplicatedwiringanddifficultmaintenance.Theenvironmentalparametersineverygreenhouseweremeasuredandcontrolledbymicro-controller.Thehardwareandsoftwareofthemonitoringsystemarediscussedindetail.Theexperimentalresultsshowthatthedevelopedmonitoringsystemhasthefollowingfeatures,suchassimplestructure,highreliability,goodextensibilityandflexibleconfiguration.Itcancontrolandadjustautomaticallytheenvironmentalparametersineverygreenhouse,andhasprojectpracticalityandvendibility.
Keywords：
themicro-controllerunit;wirelesscommunication;temperatureandhumidity;monitoringandcontrolling
目录
摘要III
AbstractIII
第1章绪论1
1.1课题研究的背景及意义1
1.1.1课题研究的背景1
1.1.2课题研究的意义1
1.2国内外的研究现状及趋势1
1.2.1国内的研究现状及趋势1
1.2.2国外的研究现状及趋势2
1.3课题要实现的目标2
第2章系统总体设计3
2.1系统总体设计3
2.2中心控制单元模块3
2.2.1单片机方案选择3
2.2.2无线传感器方案选择5
2.2.3串行通讯方案选择6
2.3终端监控模块7
2.3.1温湿度传感器选择7
2.3.2液晶显示屏选择8
2.4上位机界面设计8
第3章硬件部分电路设计10
3.1单片机最小系统硬件电路设计10
3.2温湿度传感器硬件电路设计10
3.3无线传感器硬件电路设计10
3.4液晶显示屏硬件电路设计11
3.5LED灯硬件电路设计11
3.6串行通讯硬件电路设计12
第4章软件部分流程设计13
4.1系统总设计流程图13
4.2数据采集系统软件流程设计14
4.3数据无线传输系统软件流程设计14
4.3.1无线传感器发送模式下软件流程设计15
4.3.2无线传感器接收模式下软件流程设计16
4.4液晶显示系统流程设计17
4.5串行通讯流程设计17
4.5.1发送中断流程设计17
4.5.2接收中断流程设计18
第5章实物调试结果20
5.1系统实物图20
5.2实物调试图20
第6章结论与展望22
6.1结论22
6.2不足之处与展望22
参考文献23
致谢24
附录25
第1章绪论
本章主要通过简单阐述大棚温室系统的背景和意义、国内外大棚温室技术的研究现状和发展趋势，来深入了解本课题研究的对象——基于单片机的大棚温湿度控制系统。
1.1课题研究的背景及意义
温度和湿度是两个与人们生活密切相关的量，直接影响人们的生活方式，比如说天气温度过高时，人们会使用一些外部工具如空调、电风扇等来降温；冬天时，会穿上厚厚的毛线衣保暖；夏天下暴雨前，空气湿度会突然增高，此时人们会感到很闷和压抑；秋冬季节湿度过低又会使得皮肤干燥皲裂。
这样的一些生活中的常见问题，都是由于某些情形下不适当的温度和湿度引起的。
但是，不仅在生活方式上，温湿度与人们息息相关，在农业生产中，温湿度也同样扮演着重要角色。
1.1.1课题研究的背景
随着当前反季节、异地区的蔬菜瓜果被大面积种植，大棚种植技术也在蓬勃发展。
以前在夏天才能吃到的西瓜，如今一年四季都可以享用，同时在炎炎夏日时也可以吃上新鲜冬季时令菜。
这些成果都得益于大棚温室种植技术，在现代化的温室大棚中，通过人工的对大棚温室中温湿度、阳光、营养物质、二氧化碳等各方面条件精确控制，可以在模拟出各种自然环境，以此来种植相应的蔬菜瓜果。
随着人们生活水平的不断提高，对这些反季节，异地区的蔬菜瓜果的需求也在不断增加，然而在另一方面，大棚温室的规模升级却遇到了巨大的阻碍。
传统的大棚温室靠人工来进行采集和调节这些环境参数，这样不仅效率低，而且人工成本相对较高，随着目前劳动力成本的越来越高，使的大棚生产利润越来越低，许多温室主人面临着艰难的选择。
要么花费昂贵的价钱从国外引进先进的生产工具和技术，要么直接转行。
1.1.2课题研究的意义
本课题旨在改善这种传统模式下过时的的大棚温室生产方式。
传统的环境监测体系大多是使用有线传输数据的，这也就导致安装拆卸的不方便、故障时维修难度大和维护成本过高的缺点。
另外，以往的传感器在采集数据时的灵敏度过低，易损坏。
针对种种难题，本课题设计了一套全新的大棚控制系统，运用无线传感网络解决有线传输的问题，同时使用更先进的温湿度传感器来代替以往的传感器，同时新增了上位机控制系统，摆脱以往手动控制的繁琐，直接在电脑上控制升降温、增除湿，实现操作简便灵活的目标，使整个系统更加智能化。
但由于毕业设计的实际情况，本设计只选择对温度、湿度这两个量来测量和控制。
[1]
1.2国内外的研究现状及趋势
总体来说，国内在大棚温室种植技术方面起步晚，发展快，虽然核心技术落后于国外发达国家，但是通过近十多年来国内众多科技人才的不断努力，国家的大力扶持，国内大棚温室技术也在飞速发展，稳步提升。
1.2.1国内的研究现状及趋势
在20世纪70年代初期，国内开始引入地膜覆盖技术，对保温保湿起到一定的作用，现在农村的水田育苗仍在使用这项技术。
在70～80年代期间，国内出现了日光温室和塑料大棚。
在90年代初，大棚种植逐渐向规模化、产业化发展，与此同时，国家科学技术水平也有了巨大的提高。
随着近些年来，国家相关科研项目的启动，大棚温室的建设面积不断扩大，设施水平不断提高。
在国内，目前有两种大棚温室应用最广：
日光温室和塑料大棚。
北方由于地理位置的原因，以保温目为主的日光温室居多；在南方，由于季风原因，夏季高温多雨，因此以解决防雨降温问题的塑料大棚为主。
值得一提的是，目前我国大棚温室面积已达300多万公顷，占世界总面积的3/4，总面积位居世界第一。
不过在这里面，真正采用高科技的大型连栋温室在我国仅有400多公顷，占总面积的0.013％左右。
中国大棚种植技术的研究和推广任重道远。
1.2.2国外的研究现状及趋势
20世纪70年代以来，西方发达国家开始大力发展大棚温室产业，尤其在以荷兰、美国、加拿大为主的发达国家中，其在设备标准化、新型覆盖材料开发与应用技术、环境综合调控等诸多方面都掌握有先进的技术，在温度、湿度、水、肥、阳光方面实现了高度智能化。
目前国外大棚温室在逐渐向智能化、网络化、节能化和低成本方向发展[2]。
1.3课题要实现的目标
本课题旨在设计一个基于单片机的大棚温湿度控制系统。
通过多个的传感器采集大棚内空气温度和湿度，建立无线传感网络实现数据无线传输，在电脑上直接对棚内温湿度进行调节，设计一个比当前大棚系统更简便有效智能化的人工控制系统。
第2章系统总体设计
2.1系统总体设计
温室大棚环境参数监测系统的结构如图所示。
它包括各终端部分、中心控制单元、上位机三部分。
每个终端一方面负责采集温度、湿度参数，经无线发送模块上传这些参数到中心控制单元；另一方面负责执行上位机发送来的指令，实现对这些参数的调整。
中心控制单元一方面负责汇总各终端采集的数据，把它上传至上位机；另一方面接收来自上位机的控制指令，把它传送给各终端，从而实现对各终端环境参数的调整。
上位机负责各终端环境参数的收集汇总、处理及显示，并根据这些参数发出各种控制指令。
串行通信电路部分负责把下位机电平和上位机电平进行转换，实现它们之间的通信。
终端3
终端4
终端5
终端n
终端2
终端1
上位机
中心控制单元
图2-1系统功能模块设计图
2.2中心控制单元模块
中心控制单元由无线通讯模块和串行通讯模块组成，无线通讯用于单片机之间通讯，串行通讯用于与上位机通讯。
图2-2中心控制模块设计图
2.2.1单片机方案选择
单片机全称单片微型计算机，市场上很多型号，不同型号的单片机其功能、特点也各有所不同，选择一种合适型号的单片机会使系统设计事半功倍。
另外在最小系统中，时钟脉冲靠晶振输出，起到定时或计数的作用。
理论上晶振的频率越高，则系统所能输出的时钟频率越高，单片机的运行速度也会越快，但在实际应用中，选择一个与单片机性能相匹配的晶振才最恰当的。
单片机的发展历史大致可分为四个阶段：
第一阶段（1974年～1976年）：
单片机初级阶段。
这个阶段的单片机因工艺条件限制，采用双片的形式，并且功能简单。
例如仙童公司生产的F8单片机，只包含1个8位CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）、64字节RAM（RandomAccessMemory，数据存储器）和2个并行口。
第二阶段（1976年～1978年）：
低性能单片机阶段。
这个阶段的单片机，内部已集成了1个8位CPU、并行I/O（Input/Output，输入/输出）口、8位定时器/计数器、小容量RAM和ROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，程序存储器）。
其中的典型代表就是英特尔公司生产的MCS-48系列单片机。
第三阶段（1978年～现在）：
高性能单片机阶段。
这个阶段的单片机一般都具备多级中断系统、16位的定时器/计数器、串行口、并行口、RAM和ROM的容量大大增加，最大可扩展到64KB（Kilobyte，千字节），有些还带有数模转换器。
典型代表有英特尔公司的MCS-51系列单片机和美国ATMEL公司的AT89C52系列单片机。
第四阶段（1982年～现在）：
高位单片机阶段。
在这个阶段，一方面发展和完善8位单片机，另一方面研究更高位的16位、32位单片机及专用单片机。
如英特尔公司推出的16位单片机MCS-96系列，其中断处理达到8级、8KB的ROM、232B的RAM、多通道10位数模转换器、高速输入/输出口等等[3]。
目前市场上的单片机有很多种型号，在综合考虑之下，决定在本设计中选用功能强大、价格适宜、由ATMEL公司生产的AT89C52系列中的STC89C52RC单片机。
下面是它的硬件结构介绍：
I、微处理器（CPU）：
8位的CPU包括运算器和控制器两大部分，此外增加了面向控制的处理功能，可以处理字节数据和进行位运算。
II、数据存储器（RAM）：
片内RAM512B，用来存储程序运行周期中的工作变量。
片外RAM最大可扩展到64KB。
III、程序存储器（ROM/EPROM）：
片内ROM8KB，EPROM2KB，里面存放应用程序和固定常数。
片外ROM最大可扩展到64KB。
IV、中断系统：
具有8个中断源，分别为外部中断0、定时器0、外部中断1、定时器1、串行口、定时器2、外部中断2、外部中断3，四级中断优先，与MCS-51单片机的4个中断源和二级中断优先兼容。
中断系统的作用是使CPU能实时的处理单片机内部或外部随机发生的事件，假如没有中断系统，单片机对内部或外部事件的处理只能采用程序查询方式，即CPU需要不断查询是否有事件发生，那么会导致CPU无法对发生的事件做出及时处理。
V、定时器/计数器：
具有3个16位的定时器/计数器，分别为定时器0、定时器1、定时器2，具有8中工作方式，与MCS-51单片机的2个定时器/计数器，4种工作方式兼容。
单片机的定时器/计数器主要用来对外来脉冲进行计数和产生精确的定时。
VI、串行口：
一个异步通信串行口，可通过定时器软件实现多个串行口。
串行口主要用于单片机双机、多机、单片机与电脑之间的通讯。
例如在本系统中，单片机之间的通讯采用的是无线通讯，没用到有线的串口通讯；而单片机与电脑之间的通讯则采用了串口通讯。
VII、特殊功能寄存器：
41个特殊功能寄存器。
单片机中CPU采用特殊功能寄存器的集中控制方式实现对各种功能部件的控制，特殊功能功能寄存器本质上是一些具有特殊功能的片内RAM单元，它们中部分能进行位寻址和字节寻址，部分只能进行字节寻址。
VIII、I/O口引脚
P0口：
双向8位三态I/O口，可做地址/数据线复用，也可做通用I/O口使用，可驱动8个LS型TTL负载。
P1口：
8位准双向I/O口，只能作为通用I/O使用，可驱动4个LS型TTL负载。
P2口：
8位准双向I/O口，可做通用I/O口使用，在扩展外部存储器时，也可作为高8位地址总线使用，可驱动4个LS型TTL负载。
P3口：
8位准双向I/O口，可做通用I/O口使用，但常使用它的第二功能，可驱动4个LS型TTL负载。
P4口：
P4.0～P4.3是附送的四个I/O口。
IX、电源引脚
两个电源引脚，分别是：
VCC：
接+5V电压，
VDD：
接地。
X、控制引脚
4个重要的控制引脚，它们分别是：
RST/VPD（Reset，复位）：
RST是复位信号的输入端，在单片机工作周期中，于此引脚上持续加两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。
正常运行时，此引脚的电压为0.5V低电平。
VPD是本引脚的第二功能，即备用电源引脚，当电源引脚（VCC）发生故障时，此引脚自动上+5V高电平，为内部RAM提供备用电源，保存RAM中的信息，令单片机在上电后能正常工作。
ALE／PROG（AddressLatchEnable/Programming，地址锁存/编程）：
ALE为低8位地址锁存信号，单片机正常工作时，该引脚不断输出正脉冲信号，因此可以用来判断单片机芯片的好坏。
PROG位该引脚的第二功能，对片内EPROM型的单片机编程时，此引脚为编程脉冲输入端。
PSEN（ProgramStrobeEnable，程序选通）：
此引脚为程序存储器允许输出控制端，在单片机访问外部程序存储器时，连接外部程序存储器的OE（输出允许）端，输出负脉冲信号，作为外部程序存储器的读选通信号。
EA/VPP（EnableAddress/VoltagePulseofProgramming，地址使能/编程脉冲电压）：
EA为内外程序存储器选择控制端，当它为低电平时，只访问外部程序存储器；高电平时，从内部程序存储器开始访问，之后转到外部程序存储器。
VPP为第二功能引脚，对EPROM型单片机固化编程时，施加较高编程电压的输入端[4]。
2.2.2无线传感器方案选择
本课题一改以往布线式系统设计，借用无线传感网络达到远距离无线传输的目的。
实现无线传输的途径有很多，例如红外线、激光、微波、无线电波等等。
红外传感网络抗干扰能力弱，儿激光和微波无线传感器的价格相对偏高，所以在本设计中采用的是价格适宜、抗干扰能力强的无线电波类传感器。
无线电波类传感器的典型代表是Nordic生产的RF系列无线传感器，所以最终决定在本设计中选用RF2401SE这种低功耗、高性能、抗干扰能力强的无线传感器。
I、2.4GHz全球开放ISM频段使用免许可证。
II、最高发送/接收速率1Mbps，GFSK高效调制机制，抗干扰能力强。
III、125个频道可满足调频通信和多点通信需要。
IV、内置CRC验证检错和多点通信的地址控制电路，可实现无线网络通讯。
V、低功耗、高性能，内置稳压电路，工作电压3.6～5V。
VI、配备天线棒，信号传输距离远，空旷地带传输距离50～100m。
VII、配置字占用15字节，主要由带数据宽度、地址宽度、地址、CRC者四部分组成，只需改变最低一个字节的内容即可实现收发模式切换。
VIII、四种工作模式分别由PWR_UP、CE、CS三个引脚控制：
表2-2-2RF2401SE四种工作模式
工作模式
收发模式
配置模式
关机模式
关机模式
PWR_UP
1
1
1
0
CE
1
0
0
-
CS
0
1
0
-
IX、RF2401SE收发模式有两种，分别是Shock-BurstTM收发模式和直接收发模式，具体收发模式由器件配置字决定，本设计中采用Shock-BurstTM收发模式，因为在该种工作模式下，系统编程会变简单，且稳定性更高[5]。
2.2.3串行通讯方案选择
本设计中的下位机与上位机之间的通讯实质上是指单片机与计算机之间的通讯，通讯的本质是数字信号以高低电平的形式在数据线上传输。
单片机串口输出电平为TTL（TransistorTransistorLogic，晶体管-晶体管逻辑）电平，直接以这种TTL电平方式传输数据时，抗干扰性弱，传输距离短，为了提高串行通讯的可靠性，增大通讯距离，可以采用RS-232-C来增强串口通讯稳定性和可靠性。
RS-232-C是美国电子工业协会制定的串口通信协议，其信号电平采用负逻辑，逻辑“0”的电平为+5V～+15V，逻辑“1”的电平为－15V～－5V，但由于其有2V的噪音容限，所以实际应用中能识别的逻辑“0”最低+3V，逻辑“1”最高－3V。
RS-232-C最高传输速率20Kbps，传输距离最远1.5～15m[8]。
RS-232-C标准接口有25根线，其中常用的有9根线，分别为6根联络控制信号线、2根数据线、1根接地线。
本设计中只用到后面3根线：
I、TXD（TransmittedData，数据发送线）：
通过该线发送串行数据。
II、RXD（ReceivedData，数据接收线）：
通过该线接收串行数据。
III、地线。
在进行TTL电平转换时有两种方案，一种是通过运算放大电路实现电平转换，另一种是利用专门集成芯片来实现电平转换。
本课题采用第二种方式，用到的为MAX232芯片。
MAX232芯片是MAXIM公司生产的同时具有接收器和驱动器的IC芯片，内置电压变换器可以将+5V电压转换成RS-232-C电路所需要的±12V电压。
图2-2-3MAX232芯片引脚图
上图中MAX232芯片总共有16个引脚：
第1～6为电压转换引脚，之间对应接入1uF的电容；第11～14脚和第7～10脚构成两组电平转换电路，本系统使用了第二组；第15、16脚为电源引脚，接+5V电压[6]。
2.3终端监控模块
终端监控模块主要由数据采集模块、LED控制模块和液晶显示模块组成，数据采集模块使用温湿度传感器多点采集温湿度数据，LED模拟控制模块由上位机来控制，液晶显示模块实时显示各地各点实时温湿度。
数据采集模块
单
片
机
I
液晶显示模块
LED控制模块
图2-3终端监控模块结构图
2.3.1温湿度传感器选择
温湿度数据采集系统是整个系统的关键部分，选择一个好的方案测量温度、湿度，是温湿度数据采集系统成功的关键。
最早的时候，温度、湿度主要通过温度计、湿度计来测得，但随着科技的不断发展，开始出现温度传感器、湿度传感器以及封装在一起的温湿度传感器。
在这个系统的设计过程中，传感器的选择出现了两种方案：
I、使用不同的传感器分别测量温度和湿度，如采用DS18B20温度传感器来测量温度，HS1101湿度传感器测量湿度。
II、使用封装好的温湿度传感器，如采用DHT11温湿度传感器同时采集温度和湿度。
在这两种方案中，总体价格相近时，选择第一种方案会使得测量精度更大，测得的数据更精确，但同时在系统设计中，占用的单片机资源也会相应的增加，另外由于在本系统中，两种方案的传感器所测得的数据均能满足大棚要求，通过综合考虑最终决定选择方案二。
DHT11的温度测量范围0～50℃，测量精度±2℃，分辨力1℃。
DHT11的湿度测量范围20～90%RH，测量精度±2%RH，分辨力1%RH。
DHT11的供电电压3～5.5V，本设计中使用5V标准电源电压，采用USB供电。
DHT11为数字温湿度传感器，包含一个电阻式感湿元件和一个NTC（NegativeTemperatureCoefficient，负温度系数）测温元件，具有体积小、功耗低、快速响应、抗干扰能力强、稳定性高等众多优点。
是一类数字化温度传感器，其信号传输距离超过20m,使其尤其适于大棚温室中的温湿度测量[6]。
2.3.2液晶显示屏选择
在大棚温湿度控制系统中，总共有两个显示系统，一是下位机系统中的液晶显示系统，二是上位机系统中电脑界面上的文本框数据显示，它们都是必不可少的，但作用却有所不同。
上位机系统中的数
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