基于单片机的农业大棚温湿度监测系统设计之欧阳美创编.docx

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基于单片机的农业大棚温湿度监测系统设计之欧阳美创编

本科结业论文（设计）

时间：

2021.01.01

创作：

欧阳美

论文题目

：

基于单片机的农业年夜棚温湿度监测系统设计

姓名

：

学号

：

班级

：

年级

：

专业

：

学院

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指导教师

：

完成时间

：

作者声明

本结业论文（设计）是在导师的指导下由自己自力撰写完成的，没有剽窃、剽窃、造假等违反品德、学术规范和其他侵权行为。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方法标明。

因本结业论文（设计）引起的法令结果完全由自己承担。

结业论文（设计）功效归武昌工学院所有。

特此声明。

作者专业：

作者学号：

作者签名：

3月26日

基于单片机的农业年夜棚温湿度监测系统设计

XXX

TheDesignofAgriculturalGreenhouseTemperatureAndHumidityMonitoringSystemBasedonSingleChipMicrocomputer

X,XX

03月26日

摘要

在年夜棚种植术里，温湿度是影响作物产量的关键因素，传统的温湿度丈量收集方法具有精度不高，操纵费时吃力的问题，不克不及够静态监测，很容易造成由于环境因素突变而造成的减产甚至无产的惨痛损失。

本设计以AT89S52单片机为控制核心，用SHT11数字式温湿度传感器作为数据收集，并把数据显示在LCD显示屏上，能任意时刻观测到年夜棚内部的实时环境参量；用户可自己设定温湿度上下限，当系统检测到的温湿度在平安阀值之外立即通过报警电路报警。

这样设计出来的系统具有实时性、精度高、稳定性、低能耗、低本钱、操纵简单等诸多优点，可广泛应用与年夜棚种植的环境之中。

关键词：

AT89C52单片机；SHT11；年夜棚；温湿度；传感器

Abstract

Temperatureandhumidityinthegreenhouseplantingtechnique,isthekeyfactorthatinfluencetheyieldofcrops,traditionalwayoftemperatureandhumiditymeasurementcollectionhastheaccuracyisnothigh,laboriousoperationproblem,dynamicmonitoring,willnotbeabletoeasilycausedbyenvironmentalfactorsmutationscausedbyproductionandevendangerouspainfullosses.

ThisdesignbyAT89S52singlechipmicrocomputerasthecontrolcore,usingdigitaltemperatureandhumiditysensorSHT11asdataacquisition,anddatadisplayontheLCDscreen,canbeobservedatanytimeinsidethegreenhouseenvironmentparametersinrealtime;Userscansettemperatureandhumidityonthelowerlimit,whenthesystemdetectsthetemperatureandhumidityinthereliefvalvevaluesthroughthealarmcircuitalarmimmediately.Thisdesignedsystemwithrealtime,highprecision,stability,lowenergyconsumption,lowcost,simpleoperation,andmanyotheradvantages,canbewidelyusedandgreenhousecultivationenvironment.

Keywords:

AT89C52SingleChipMicrocomputer;SHT11;Greenhouses;TemperatureAndHumidity;Sensor

1引论

1.1选题布景

近期，我国温室的总种植面积位于世界前列，财产的成长迅猛。

可是，我国的温室自动控制技术远远跟不上温室数量的增长，农业生产还在使用年夜量的人力劳动，不但劳累，并且因为无法对温室环境进行精确监测，不但浪费了年夜量的资源，还使作物产量受到了影响，降低了收入。

同现代化农业发财的国家相比，我国在这一方面还是有比较年夜的差距，特别在是对温室生产环境的各个因素的自动监测与控制方面。

本课题目的在于研究一个基于单片机为主控芯片下的年夜棚温湿度自动监测系统，由于单片机及相关附加部件的经济性，使得其能广泛应用于广年夜农民之中，从而通过对年夜棚温湿度的科学量化实时监测调整对作物的环境从而提高农业产量，造福广年夜农民，其实用性使得这个研究很有需要。

1.2国内外研究现状

上个世纪70年代开始，国外就利用那时成长的模拟技术对温室环境因子控制开展研究，告别了之前人工丈量的落后时代，随着研究的深入和进步，散布式控制系统便进一步在此领域成长起来了。

随着世界各国的温室自动控制技术的迅猛成长，如以色列、荷兰、日本美国等西方发财国家，都实现了根据所植入和收集到的温室生物的特点与要求，对温室所处的多方面因素进行自动控制，包含温度、湿度、光照强度、水分、气体浓度、肥料等各个方面。

在荷兰，其玻璃温室已经可以通过计算机控制，实行全自动无人化控制生产；在日本，其温室自动控制在温室生产的各项作业中都逐步实现了无人化、全自动化。

通过热电技术的使用，荷兰实现了精确控制成熟期的水果和蔬菜，鲜花和其他植物的开花期，满足在各种节日的时间需求的人；在英国，伦敦年夜学农业学院研制出来的温室自动控制技术，可以对超出50公里的温室内环境进行监控，包含温度和湿度，光照强度，气体浓度和水等环境因素。

比国外年夜概晚十年，也就是在80年代之后，中国相关科研人员不竭学习西方发财国家在温室控制领域取得的功效，并且积累总结出自身经验，内化为适应中国外乡的技术，在研究初始阶段，只能对单一环境因子实现自动控制，但在随后快速成长的微机技术、传感技术等高新技术的驱动下，自动控制的领域有了天翻地覆的变更，通过温室生产，可利用计算机对生物生长所需的部分或者全部的环境因素进行自动控制，使农业生产方法有了巨年夜的修改，生产信息化、工厂化等已经成了世界上农业广泛生产的新途径。

1.3系统主要设计内容

1.3.1系统框图

图1.1系统框图

1.3.2元器件的选择

利用AT89S52单片机控制单位的设计，传感器采取SHT11数字温湿度传感器，1602A双液晶显示器实时显示温度和湿度，蜂鸣器报警电路，并用三极管驱动，LED报警信息电路。

在单片机中，ATMEL公司生产的C51系列单片机具有本钱昂贵、运行稳定、开发周期短、易操纵使用等优点，可是每次写法度的时候都要进行拔插，不但在调试的时候比较繁琐，并且对芯片也会造成一定的损害；而S系列的AT89S52单片机弥补了这一缺陷，不但支持在线ISP编程，免除繁琐的编程拔插，还比89C51多了一倍的内存，因此可以支持更年夜的法度，这样有利于该系统日后的功能拓展。

在数据收集模块上面，为了使得整体电路更加精简，减少庞杂的外围电路，A/D转换电路，使用集成式的数字式温湿度传感器SHT11。

同样的事理，1602液晶显示器可以显示双行字符，满足了设计的显示要求。

2系统硬件设计

2.1系统性能概述

作为一个年夜棚温湿度监测系统，其核心任务是对棚内环境进行自动丈量。

该系统上电初始化后，通过SHT11感应并检测年夜棚内的温湿度值，传送给AT89S52核心处理单位，此时处理器调出内部设定好的温湿度上下限，据此比较判断对应数据是否异常，然后做出报警与否的反响；确定是否异常超出预设的时间，如果超出预按时间，异常信号从报警电路输出；然后继续确定异常处理，如果解决了，然后就会解除报警。

这样一来，通过单片机的核心处理控制功能来收集实时环境信息，让用户可以实时高效地获取年夜棚内部的环境状态，从而能够及时实施管理。

2.2单片机模块

单片机作为一种微型计算机，广泛应用在工业自动化、自动控制、智能仪器仪表等领域，具有体积小、本钱低的特性，功能齐全，简双便利，成长迅速，嵌入容易。

本设计采取AT89S52单片机，单片机是一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器，有8K的系统内可编程闪存。

它兼容MCS51系列的引脚，适用于所有标准80C51指令集。

从而使该器件进行编程，因此它能够在进行法度烧录是不进行屡次拔插，可避免不需要的繁琐法度以及对装置的损耗甚至损坏。

2.2.1AT89S52主要功能概述

AT89s52提供以下标准功能：

8K字节的Flash闪速存储器，256字节内部RAM，拥有32个I/O口线、3个16位按时器/计数器、一个6向量两级中断结构、1个全双工串行通信口以及片内振荡器及时钟电路。

与此同时，AT89S52可将至0Hz的静态逻辑操纵，并支持两种软件可选的结点工作模式。

空闲方法停止CPU工作，但允许RAM和按时器/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。

失落电方法下会保管RAM中的内容，可是振荡器停止工作并且禁止其它所有部件工作，直到下一个硬件复位。

2.2.2AT89S52封装结构

图2.1AT89S52PDIP封装结构

2.2.3AT89S52引脚功能

VCC:

电源引脚

GND:

逻辑地

P0口：

8位的地址和总线复用I/O口。

P1口：

I/O端口，8位，具有内部上拉电阻。

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口：

端口P3是具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口依然和AT89C51一样提供了它的第二功能。

RST：

复位输入端口，复位方法是当其工作是在RST引脚接入继续时间长达两个机器周期以上高电平。

ALE/

：

地址锁存允许。

：

片外法度存储器的读选通信号。

/VPP：

外部拜访允许端口。

第二功能，即VPP功能，在对片内Flash进行编程的时候，要在这个引脚上接入12V的编程电压。

XTAL1：

片内振荡器反相放年夜器和内部时钟产生器的输入端。

XTAL2：

片内振荡器反相放年夜器的输出端。

2.3单片机最小系统

单片机最小系统就是单片机能够运行法度，正常工作最简单电路系统，是包管单片机的正常启动和开始工作的必须电路，组成这部分的工具缺一不成,单片机最小系统应该有单片机、晶振电路、复位电路。

2.3.1单片机

在上节已经作了论述。

2.3.2晶振电路

在Proteus仿真环境里如图2.2。

图2.2单片机振荡电路

系统在执行法度的时候需要一个稳定的时钟信号，一切的指令都需要这样的时钟信号才干够有条不紊地执行。

单片机系统所需的时钟信号由晶振提供，并且其运行速度与频率的高低息息相关，呈现出正比的规律，单片机产生的频率越高其运行速度就越快，反之则越慢。

在一般环境下，晶体振荡器的频率五十的绝对精度可以达到百万，足够一般使用，先进的水晶会更精确。

STC89S52采取11.0592MHz的晶振作为振动源，单片机内部含振荡器电路，所以震荡电路的连接跟8051单片机一样，所连接的电容容量为22pF即可。

2.3.4复位电路

如同计算机，单片机在执行法度的时候可能会遇到各种各样的意外情况而使系统瘫痪或者软件跑飞，因此就需要一个复位机制。

就好比计算机的重启部分，单片机复位电路使得其具有恢复正常运作的功能，当按下复位按键的时候，内部的法度会重新从头开始执行。

图2.3复位电路

单片机的复位电路由两种方法，辨别是上电自动复位和按键复位，本设计采取的是上电自动复位电路，实现原理如图2.3。

2.4传感器模块

2.4.1SHT11简介

目前在电容式温湿度传感器的成长中，以盛世瑞恩公司制造的SHTXX系列的产品占主要份额，即集成的单片智能数字化温湿度传感器。

这种产品在工业CMOS过程中采取了微加工技术，从而使其有长期的稳定性和比较高的可靠性。

它的外观和引脚如图2.4所示。

图2.4SHT11外观和引脚

这个温度和湿度传感器由一个湿度传感器探头式温度丈量元件和电容器体，还包含了A/D转换器，这样一来就能够免去庞杂的外围电路而使该装置直接输出数字信号。

对传感器的系数校准方面，它会在对外界检测到相应信号的时候自动调用存储在OTP内存里的校准系数法度。

其湿度丈量规模为0%～100%RH,丈量精度为±0.1%RH;温度丈量规模为40～123.8℃,丈量精度为±0.01℃。

2.4.2SHT11端口介绍

VDD：

电源引脚。

SHT11的额定电压为5V。

一般在3.3V就可以正常工作，上电后电源引脚可以接上一个100nF的电容。

SHT11的串行接口优化传感器读出和有效的电力消耗。

传感器可以连接到一个I2C总线，不干扰其他设备连接到总线，控制器必须在协议之间进行切换。

GND：

地。

SCK：

串行时钟输入。

DATA：

串行数据引脚。

这个传感器的三态串行数据引脚用来收发数据。

传感器发送命令到串行数据时钟（SCK）的有效前沿，并且必须坚持稳定在较高的水平时，SCK，SCK边沿的数据值可能垮台后产生修改。

为了坚持平安通讯数据有效，应当延长在TSU上升和THO下降沿的SCK后,辨别见图2.5。

图2.5SHT11收发数据时序

用于读取数据传感器、数据SCK已经是低电平,后是有效的电平SCK仍然有效,直到下一个下降沿到来。

为了避免信号争用单片机必须唯一用低电平驱动数据位，所以通常在该引脚外部接上10k年夜小的上拉电阻。

2.4.3SHT11典范应用电路

图2.6SHT11典范应用电路

2.5显示模块

2.5.1LCD1602概述

本系统选择的字符型显示器是一种用5*7点阵图形显示字符的显示器，根据可以显示的字数几多可以分为2行20字、2行16字、1行16字等。

通常我们所用的是2行16字，也就是本系统采取的LCD1602模块。

液晶显示器具有体积小，功耗低，微薄而轻，使用便利，显示内容丰富等优点，已应用于许多低功率器件。

这个装置的引用使得这些电子设备的人机界面变的越来越形象和直观。

图2.7是该模块的实物图。

图2.7LCD1602实物图

2.5.2LCD1602特性

该类型液晶显示模块内部有字符产生器CGROM，也就是字符库。

可以显示192个5*7点阵字符。

如图2.8。

因此，每个字母和数字都有唯一的一个代码至，并且恰好与ASCII码中的字母和数字相同。

因此在显示字母和数字的时候，向LCD1602送入对应的ASCII码就行了。

图2.8LCD1602ROM字符库的内容

2.5.3LCD1602引脚说明

字符型LCD通常有14条引脚（无背光）线或16条引脚线（带背光）两种接口形式，其中16条引脚的多出了背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），各引脚界说如表2.1所示。

表2.1LCD1602引脚功能界说

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

DB2

Data

2

VDD

电源正极

1

DB3

Data

3

VL

液晶显示偏压

11

DB4

Data

4

RS

数据/命令选择

12

DB5

Data

5

R/￣W

读/写选择

13

DB6

Data

6

E

使能信号

14

DB7

Data

7

DB0

数据

15

BLA

背光源正极

8

DB1

数据

16

BLK

背光源负极

2.5.4命令格式及功能说明

（1）清屏。

下面是命令格式：

表2.2清屏命令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

这条命令将屏幕显示清除，光标归位。

（2）前往。

表2.3前往命令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

X

该指令将DDRAM和显示RAM的地址置0，将显示前往到原来的位置。

（3）输入方法设置。

命令格式如下：

表2.4输入方法设置命令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

0

0

0

0

0

1

I/D

S

这段指令的功能室设置光标的移动标的目的，并且指定是不是将整体显示移动。

I/D=1增量方法

I/D=0减量方法

S=0移位

S=1不移位

（4）显示开关控制指令。

表2.5显示开关指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

0

0

0

0

1

D

C

B

功能：

控制整体显示器的开/关、光标的开/关、光标所处字符闪烁与否。

D=0显示器关；D=1显示器开；

C=0光标关；C=1光标开；

B=0字符不闪烁；B=1字符闪烁。

（5）光标移位指令。

表2.6光标移位指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

0

0

0

1

S/C

R/L

X

X

功能：

让光标移位或者整体显示移位。

S/C=0光标移位；S/C=1显示移位；

R/L=0向左移位；R/L=1向右移位。

（6）功能设置指令。

表2.7功能设置指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

0

0

1

DL

N

F

X

X

功能：

设置数据总线位数和显示的行数及其字型。

DL=04位数据接口；DL=18位数据接口；

N=0单行显示；DL=1双行显示；

F=05*7点阵；F=15*10点阵。

（7）CGRAM地址设置指令。

表2.8CGRAM设置指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

0

1

CGRAMD的地址（低6位）

设置CGRAM（数据显示存储器）的地址，规模为036。

（8）DDRAM地址设置指令。

表2.9DDRAM设置指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

0

1

CGRAMD的地址（低7位）

设置DDRAM（数据显示存储器）的地址，规模为0127。

（9）读忙信号及地址计数器。

表2.10读忙信号指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

1

BF

AC内容（低7位）

指令解释如下：

BF=0LCD不忙（此时可以接收命令和数据）；BF=1LCD忙；

AC是地址计数器值，规模是0127。

（10）向CGRAM或DDRAM写入数据指令。

表2.11写数据指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

1

0

要写入的数据D7～D0

功能：

向DDRAM写入字符码以显示对应字符。

（11）从CGRAM或者DDRAM中读出数据指令。

表2.12读数据指令

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

0

1

1

要读出的数据D7～D0

2.6按键电路

按键电路要完成的任务有：

判别是否有按键按下，如果有就进入下一步工作；然后识别哪一个键被按下，求出相应的键值；依据键值找到相应的处理法度入口。

在单片机系统中我们经常使用的键盘是按键式键盘，那个按键实际上就是一个开关。

图2.9是按键按下时行线电压输出波形图。

图2.9按键颤动现象

由图可知按键在开闭的一瞬间都有颤动期，基本上在510ms左右，在键盘被按下的稳按期内，电平状态呈现出低电平。

因此判定按键是否按下实质上就是检测行线输出的电压时低电平还是高电平。

若为高电平，则按键断开；若低电平，按键闭合。

可是由于其机械特性招致的颤动现象，我们必须消除按键的颤动从而消除对按键闭合与否的判断障碍，提高判另外准确性。

消去按键颤动的方法有两种：

软件延迟和采取专门的键盘接口芯片。

考虑到使用系统的本钱和简单消除颤动的角度，我们采取的是软件延时的设计办法。

利用软件延时的办法消除按键颤动的思想：

当检测到按键按下时，行线电平状态为低电平，此时执行一段延时为10ms的子法度，再确认电平是否为低电平，如果此时真有按键按下，则应仍为低电平。

反之，当按键松开是，该按键所在的行线跳变成高电平，同样执行一段延时10ms的延时子法度后，再看是不是高电平，如果为高电平，则暗示按键已经释放。

这样的操纵可以达到消除两个颤动期的影响，年夜年夜提高可靠性。

本设计采取四个机械按键，接在单片机的P3口，四个按键满足对系统温湿度上下限值的设定。

连接方法如图2.10：

图2.10键盘电路

SET键的作用是选择调整项目，即温度上限、温度下限、湿度上限、湿度下限四个可选，OK是确定键，UP和DOWN辨别是加和减的操纵。

通过这几个按键和对该装置设定允许的温湿度上下限，超出该设定值就会启动报警电路收回警报。

2.7报警电路

为了让电路在检测到环境温湿度超出预设值的时候做出反响，本设计采取了声光报警电路，蜂鸣器爆发声音提醒年夜棚农户，通过8050晶体管来驱动蜂鸣器；四个LED灯辨别对应温度过高、温度过低、湿度过高、湿度过低的异常状态，好让用户一眼看出产生了哪一个具体的异常情况。

连接图如下：

图2.11声报警电路

图2.12光报警电路

3系统软件设计

3.1系统主法度设计办法

本系统使用的是Keil软件，它是C51系列兼容单片机C语言软件开发系统，能够应用通俗易懂的高级C语言对单片机进行软件开发。

固然，在写法度之前必须要对系统的电路有足够的了解，各个接口，还有系统各个芯片或者模块的时序，在编程过程中都要对其遵守，那样才干将你所预设的功能付诸实现。

在搞清楚了硬件的特性之后，根据该特性首先要做的就是画出流程图，组织好每个模块的处理先后顺序。

另外，也要善于利用软件去