【基于單片機(jī)的溫室大棚溫濕度控制設(shè)計與實現(xiàn)13000字（論文）】

目錄TOC\o"1-3"\h\u3728摘要 116331緒論 2123241.1論文研究的背景及意義 2162981.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2269681.3本文主要研究對象及研究內(nèi)容 3101101.4論文的結(jié)構(gòu)安排 4122042方案論證 5129722.1系統(tǒng)設(shè)計方案 5278412.2主控模塊選型 5297532.3傳感器選型 6327322.4顯示模塊選型 8279702.5設(shè)計語言選擇 9206893硬件電路的設(shè)計 10196623.1單片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 1099903.1.1系統(tǒng)時鐘電路 10100473.1.2系統(tǒng)復(fù)位電路 11198733.1.3中斷系統(tǒng) 11108233.2傳感器采集電路 1256693.3LCD顯示電路 13147303.4按健電路 1353903.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊 143444系統(tǒng)軟件設(shè)計 1641374.1系統(tǒng)設(shè)計軟件 16143674.1.1AD 1652984.1.2KeilC51 16195914.2軟件設(shè)計流程圖 1670544.2.1主函數(shù)流程圖 16279904.2.2傳感器模塊流程圖 1751394.2.3顯示模塊流程圖 173995系統(tǒng)測試 1912851總結(jié) 216760參考文獻(xiàn) 22793致謝 24PAGEPAGE18PAGEPAGE17摘要隨著我國溫室技術(shù)的不斷引進(jìn)和創(chuàng)新，溫室大棚技術(shù)已趨于世界前列，并且溫室蔬菜大棚開始逐漸普及到我國農(nóng)村，為了更好的監(jiān)測和控制蔬菜大棚內(nèi)蔬菜良好生長的環(huán)境參數(shù)，給溫室大棚內(nèi)的蔬菜提供一個適宜的生長環(huán)境。本文提供了一套可用于對溫室大棚溫度和濕度進(jìn)行檢測并且根據(jù)大棚內(nèi)溫濕度信息進(jìn)行智能調(diào)整的方案。該方案采用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，搭配LCD顯示屏、溫度檢測傳感器、濕度檢測傳感器、風(fēng)扇和加熱片以及其他外圍I/O設(shè)備。系統(tǒng)通過溫度傳感器和濕度傳感器來實現(xiàn)對大棚內(nèi)溫度和濕度的檢測，通過風(fēng)扇和加熱模塊來模擬實現(xiàn)降溫和加熱功能。通過對方案的驗證后進(jìn)行了實物的制作，最終實現(xiàn)了本文所設(shè)計的基于單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)。在對實物測試中，通過改變溫度傳感器和濕度傳感器周圍環(huán)境因素讓兩種傳感器檢測到的數(shù)值發(fā)生變化，可以通過LCD顯示屏實時觀看到數(shù)值的變化，并且該系統(tǒng)可通過按鍵對閾值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)溫度或濕度不在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)時，根據(jù)不在閾值內(nèi)的條件信息啟動相應(yīng)的模塊進(jìn)行降溫或加溫。經(jīng)過對實物的功能測試，可以看出本文所設(shè)計的系統(tǒng)符合設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：溫室大棚；STC89C52RC；溫度傳感器；濕度傳感器1緒論1.1論文研究的背景及意義近些年來，我國的溫室大棚種植技術(shù)開始被農(nóng)村使用，特別是塑料薄膜的蔬菜大棚居多，其體積小占地面積少，投入少，但有的人用了不久就丟棄了，其中最主要的因素就是對蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境因素控制精度不高。我國的國土資源雖然整體是比較多的，但由于我國總?cè)丝跀?shù)目過大，每個家庭所享有的耕地面積相對較少，且人們對于反季節(jié)蔬菜的需求也逐漸上升，怎么在有限的土地上種植出我們所需求的蔬菜是值得我們?nèi)タ紤]和研究的，溫室大棚種植技術(shù)由此產(chǎn)生。溫室大棚種類很多，下面章節(jié)會詳細(xì)介紹到，總的來說，是利用塑料薄膜等覆蓋物以及鋼結(jié)構(gòu)框架搭建適合蔬菜進(jìn)行生長的環(huán)境，然后以人工控制或自動控制的方式對蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行干預(yù)，讓蔬菜可以不因外界環(huán)境情況的變化而進(jìn)行正常生長，可以讓我們種植的蔬菜擺脫溫度和氣候以及自然條件的影響。雖然溫室大棚能使蔬菜在反季節(jié)進(jìn)行種植，但溫室大棚內(nèi)溫度和濕度的控制是溫室大棚內(nèi)最核心的環(huán)境因素，這兩個因素往往決定著棚里蔬菜生長的好壞。以往我們對于蔬菜大棚內(nèi)的溫度和濕度的檢測通常是由相應(yīng)的溫度或濕度計進(jìn)行測量采集，且由人工進(jìn)行讀數(shù)，根據(jù)采集到的信息再進(jìn)行相應(yīng)的升溫或降溫操作。這種控制方式讓棚內(nèi)升溫或降溫都不能及時達(dá)到我們的要求，而且該方式浪費(fèi)大量人力以及物力。隨著我國社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷引進(jìn)創(chuàng)新，我國現(xiàn)代控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)普及到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€腳落。我們?nèi)绾卫矛F(xiàn)有的自動控制技術(shù)來實現(xiàn)對蔬菜大棚內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行實時檢測，再根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)值自動控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行升溫或降溫操作。這對提高大棚內(nèi)蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量和節(jié)約人力資源具有重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從歷史上看，歐美等國的信息化和工業(yè)化進(jìn)程要比我國起步早，因此在有關(guān)技術(shù)方面開發(fā)比較早，上世紀(jì)四十年代，美國著手建立且成功建成了世界上第一個人工氣候室，該氣候室的使用主要用于對植物的特性和環(huán)境抵御能力的有關(guān)研究。在此之后的很多年內(nèi)，西方發(fā)達(dá)國家開始爭先恐后的對這個領(lǐng)域進(jìn)行探索，開始對溫室環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)，并將溫室逐漸應(yīng)用于我們的日常生活當(dāng)中。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)開始逐漸出現(xiàn)在人們的視野之中，電子信息技術(shù)能否運(yùn)用到溫室大棚的研究中，由此針對電子信息技術(shù)的溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)開始成為人們的主要研究對象。經(jīng)過幾十年的研究，國外在智能溫室大棚研究領(lǐng)域已經(jīng)取得重大成功，基本可以實現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度、二氧化氮濃度等因素進(jìn)行采集。且可以根據(jù)這些采集到的信息執(zhí)行相應(yīng)的操作。我國目前使用的溫室大棚主要有以下幾種類型。第一種是塑料溫室，該溫室屬于一種大型連棟式塑料溫室，該類型棚是近十幾年出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展的一種溫室型式。該型類的溫室與玻璃溫室相比較，它的重量相對較輕，便的鋼結(jié)構(gòu)骨架少，建造成本相對較低且使用壽命比玻璃溫室長，因此該溫室的使用范圍比玻璃溫室更廣，而且現(xiàn)在已經(jīng)是我國現(xiàn)代溫室產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的主流。第二種是玻璃溫室，玻璃溫室主要以玻璃為透明覆蓋材料，由于考慮該材料自身的一些特性，因此在基礎(chǔ)建設(shè)過程中，我們要考慮大棚的強(qiáng)度要求，穩(wěn)定性要求。還要考慮支柱連接之間的水平力和空間的穩(wěn)定性。此外大棚的地基在建造的過程中要注意其應(yīng)該比棚外地面低半米以上，地基建造的高度應(yīng)為比棚外地面高于0.1m，防止地基暴露和對棚內(nèi)栽培產(chǎn)生影響。第三種是日光溫室，溫室的前坡設(shè)有熱絕緣覆蓋，該型類溫室的原型是一個單坡的玻璃溫室，前坡的覆蓋材料由原來的玻璃變?yōu)樗芰媳∧?。日光溫室?yōu)點主要是其隔熱性好，建造成本低。第四種是薄膜大棚，薄膜大棚覆蓋材料是多種類型薄膜復(fù)合材料，典型的單跨拱溫室的屋頂結(jié)構(gòu)。薄膜大棚建設(shè)，使用方便，投資少，非常適合我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村使用。伴隨著薄膜工業(yè)的發(fā)展，該類型大棚被廣泛用于世界各地，且該薄膜大棚的透光率滿足棚內(nèi)農(nóng)作物對光的需求。我國雖然工業(yè)化和智能化起步相對國外較晚，但在我國研幾代人堅持不懈的努力下，我國在溫室方面的相關(guān)技術(shù)逐漸走向世界前沿。我國對于溫室大棚技術(shù)的研究從1970年前后才開始著手的，當(dāng)時的溫室技術(shù)主要以外國引入為主，然后通過許多科研人員的不斷努力，不斷創(chuàng)新，這才有了我國自主知識產(chǎn)權(quán)的溫室大棚系統(tǒng)。這些研究成果極大的促進(jìn)了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，不再受西方技術(shù)的壟斷。1.3本文主要研究對象及研究內(nèi)容通過對上述幾種溫室大棚的分析，本文的研究對象定為溫室大棚中的單棟小跨度對稱型蔬菜薄膜大棚，頂高2.5m，跨度5m，長度15m，對蔬菜大棚來講，大棚的蓄熱能力我們也要考慮到，因此大棚的朝向在我國大多數(shù)地區(qū)選擇正南方向，也就是我們所在位置的子午線方向，拱棚采用輕型鋼結(jié)構(gòu)作為其骨架，覆蓋物采用多功能長壽膜，該膜是在聚乙烯吹塑過程中加入適量的防老化料和表面活性劑制作而成，其寬幅7.5米、厚0.06毫米，使用壽命比普通膜長1倍，可以在夜間棚溫比其它材料高1-2℃，且此膜不易結(jié)水滴，覆蓋效果好，成本低、效益高。自從我國從外國引進(jìn)溫室大棚種植技術(shù)，溫室種植技術(shù)不斷走向成熟，但溫室種植技術(shù)并沒有普及到每一個家庭，目前我國的民眾個體種植基本都沒有跨季種植，因此種植蔬菜的種類單一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生活中對蔬菜的需求，而到市場上去買又要花錢又貴，一個季節(jié)下來要花費(fèi)不少錢，為了讓普遍的人們能吃上新鮮無農(nóng)藥的蔬菜，本文針對這一需求對民用蔬菜大棚溫濕度控制進(jìn)行研究，結(jié)合蔬菜生產(chǎn)的自然條件以及成本因素，研究對象為單棟小跨度的塑料拱棚。本課題主要研究內(nèi)容是設(shè)計一款基于單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)，系統(tǒng)利用溫度傳感器和濕度傳感器分別來對大棚內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行檢測，采用51單片機(jī)主控芯片對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，并通過設(shè)定閾值的方式來實現(xiàn)對大棚內(nèi)溫度的提高和降低。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到的溫濕度不符合閾值條件時，啟動相應(yīng)的設(shè)備模擬降溫和升溫的過程。同時LCD可以對溫濕度信息進(jìn)行實時顯示。1.4論文的結(jié)構(gòu)安排本文的主要結(jié)構(gòu)分為六個章節(jié)：第一章主要是對本文所研究的智能溫室大棚系統(tǒng)的背景及意義進(jìn)行了描述；第二章從如何設(shè)計該課題開始，首先對系統(tǒng)進(jìn)行了總體架構(gòu)的描述，然后針對系統(tǒng)中用到的各個模塊進(jìn)行了選型和分析，以節(jié)約成本和實用性為基礎(chǔ)對各個模塊進(jìn)行介紹和選型，綜合分析并確定本設(shè)計采用的具體硬件；第三章開始從硬件電路入手，對主控芯片以及各個模塊進(jìn)行介紹，尤其涉及了單片機(jī)的最小系統(tǒng)、按鍵消抖、時鐘復(fù)位、傳感器控制模塊等；第四章描述了該項目在軟件方面的設(shè)計，包括介紹了本項目中用到的開發(fā)軟件和系統(tǒng)流程圖等；第五章對項目成果進(jìn)行展示和實驗，主要是對系統(tǒng)的實際效果進(jìn)行測試，判斷是否滿足本文研究要求；第六章是針對于本文的一個總結(jié)。

2方案論證2.1系統(tǒng)設(shè)計方案方案一：可以采用比較傳統(tǒng)的二位模擬控制方法，該方法就是在采用比較適合的模擬電路的基礎(chǔ)之上，采用電位器的方法來設(shè)置我們的額定值，設(shè)置我們所需要的上下限值，將采集到的信息與給定值進(jìn)行比較，然后控制相應(yīng)設(shè)備啟動。如果采用此模擬控制方法，本系統(tǒng)受外界因素影響較大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的有關(guān)精度也會下降，而且采用此設(shè)計的話，在數(shù)據(jù)顯示方面我們不能使用數(shù)碼顯示，不能讓我們更簡便的去觀察和控制。方案二：此方案我計劃采用AT89C51單片機(jī)為核心，采用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，采用HS1101電容式濕度傳感器進(jìn)行濕度采集，其中HS1101可測量的濕度范圍為55.5℃~125.5℃。采用繼電器控制外接口設(shè)備，使其達(dá)到電路簡單、可靠的目的。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡單的優(yōu)點，使系統(tǒng)能簡單的實現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點。方案三：第三種方案運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)的單片機(jī)知識，以STC89C52芯片為核心，DHT11作為溫室溫濕度的傳感器，LCD1602顯示屏顯示數(shù)據(jù)，通過使用弱電控制強(qiáng)電來控制繼電器對溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在對上述三種方案進(jìn)行比較，在結(jié)合實際的資源情況，所需工作電壓，以及程序燒寫所需存儲空間，中斷復(fù)位以及時鐘等因素，最終決定采用方案三，方案中電子器件的選型下章將會詳細(xì)介紹。本課題主要是基于單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)可以劃分為主控模塊、溫度監(jiān)測模塊、濕度監(jiān)測模塊、降溫模塊、升溫模塊、顯示模塊和按鍵模塊等。系統(tǒng)需要完成的工作是利用溫濕度傳感器對大棚內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并將獲取到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將溫濕度傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)輸入進(jìn)來的數(shù)據(jù)處于設(shè)定的閾值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)無需進(jìn)行任何操作，當(dāng)輸入進(jìn)來的數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值范圍時驅(qū)動相應(yīng)的繼電器模塊模擬加溫和降溫功能。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)設(shè)計框圖2.2主控模塊選型在本系統(tǒng)的設(shè)計與實驗中，主控模塊作為核心器件相當(dāng)于人類的大腦一樣負(fù)責(zé)指令的發(fā)出與轉(zhuǎn)發(fā)功能，所以主控芯片的選型尤為重要，既要考慮到資源夠用又要考慮到價格成本。在本次設(shè)計中我選擇采用STC89C52RC作為主控芯片。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位控制器，在本次設(shè)計中我們要用到該單片機(jī)的程序存儲空間，中斷功能復(fù)位功能數(shù)據(jù)處理功能等，其Ⅰ/0口數(shù)滿足本設(shè)計所需要的接口數(shù)。在設(shè)計中需要考慮復(fù)位，延時，中斷，程序存儲等因素，而STC89C52內(nèi)部有512字節(jié)RAM，32位I/0口線滿足，通用異步串行口，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX81O復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，全雙工串行口，且STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式，其滿足我們程序燒寫存儲以及設(shè)計所需的要求。而且在空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)停止工作，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止，其最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。綜上所述結(jié)合本項目的實際使用情況，STC89C52的內(nèi)部資源滿足本次設(shè)計的需求，所以我決定選擇STC89C52RC芯片作為本項目的主控芯片。2.3傳感器選型（1）DHT11DHT11是一種可以同時對溫度和濕度進(jìn)行檢測的復(fù)合型傳感器，該傳感器采用簡化的單線雙向的串行接口技術(shù)，通迅時間約為4ms，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為小數(shù)和整數(shù)兩部分，傳送一次完整的數(shù)據(jù)是40位數(shù)據(jù)，遵循先高位后低位的順序，先是濕度整數(shù)數(shù)據(jù)和濕度小數(shù)數(shù)據(jù)，然后是溫度整數(shù)數(shù)據(jù)和溫度小數(shù)數(shù)據(jù)，最后一個是校驗位，且都是8bit。比如接收到的40位數(shù)據(jù)為：0011010100000000000110000000000001001101分別對應(yīng)濕度高8位、濕度低8位、溫度高8位、溫度低8位校驗位計算：00110101+00000000+00011000+00000000=01001101則接收數(shù)據(jù)正確為：濕度：00110101=35H=53%RH溫度：00011000=18H=24C，如果接收到的40位數(shù)據(jù)為：0011010100000000000110000000000001001001，分別對應(yīng)濕度高8位、濕度低8位、溫度高8位溫度低8位、校驗位，計算00110101+00000000+00011000+00000000=01001101，因為01001101不等于01001001，故本次接收的數(shù)據(jù)不正確，放棄，重新接收數(shù)據(jù)。該傳感器同時結(jié)合了數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度檢測技術(shù)，既能保障檢測的精度還提供了較長的使用壽命。該傳感器能夠同時對溫度和濕度進(jìn)行檢測主要是因為該器件內(nèi)部包含了感濕元件和測溫元件，通過這兩個元件的配合實現(xiàn)對于溫濕度的監(jiān)測，該傳感器由于具有較低的價格和功耗并且傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)20m所以經(jīng)常在很多需要對溫濕度檢測的系統(tǒng)中使用，本文需對溫度及濕度進(jìn)行測試。該模塊實物圖如圖2.2所示。圖2.2DHT11溫濕度傳感器實物圖（2）DS18B20和HS1101HS1101是電容式濕度傳感器，可測量的濕度范圍為55.5℃~125.5℃。DS18B20是一款單總線接口的溫度傳感器，其體積微小，性能強(qiáng)大，抗干擾能力強(qiáng)，其溫度測量范圍比其傳感器要寬一些，為負(fù)55度到正125度，該傳感器使用的是DALLAS的單總線控制協(xié)議。該器件的使用非常簡單，可直接與單片機(jī)進(jìn)行相連無需添加A/D轉(zhuǎn)換模塊。在使用時可直接將檢測到的溫度信息變?yōu)閿?shù)字信號傳送給單片機(jī)，該傳感器實物如圖2.3所示。圖2.3DS18B20實物圖（3）AHT10AHT10檢測探頭采用CMOSES專利技術(shù)將AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字接口相結(jié)合。AHT10體積小且采用簡單的接口電路，在性價比方面，該傳感器適用在需要大批量使用的地萬，其采用雙線數(shù)字輸出的模式，且功耗偏低低。其測量量程偏大一些，溫度測量范圍從-40到+120度之間，其濕度測量的量程為滿量程測量。即便是零下的冬天也能滿足環(huán)境監(jiān)測的需求。該模組使用的時候信號端口直接和終端主控制器相連并進(jìn)行共地。本文通過傳感器主要對溫室大棚的溫濕度進(jìn)行檢測，通過對比以上三種測量方法，其中DHT11為單總線接口且可以同時采集溫度及濕度，為了簡化設(shè)計并且節(jié)約設(shè)計成本和考慮本設(shè)計的實際使用情況，故在本設(shè)計中選擇DHT11來對溫室大棚的溫濕度信息進(jìn)行獲取。2.4顯示模塊選型為了滿足系統(tǒng)設(shè)計要求且能夠直觀看到系統(tǒng)運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)，需要通過顯示裝置來對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。如我們通過顯示器可以操作電腦一樣，在電子設(shè)計中，我們常用的顯示設(shè)備主要有LED、OLED、LCD、數(shù)碼管四種，每種顯示設(shè)備的優(yōu)缺點以及設(shè)計難度各有不同，下面針對這四種顯示設(shè)備進(jìn)行簡單描述。（1）LED可以實現(xiàn)對多種信息的不同形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其功耗低，工作電壓需求低，使用年限長且驅(qū)動簡單。伴隨著單片機(jī)性能的發(fā)展和人們需求的增加，LED燈也開始朝著顯示的方向發(fā)展，我們可以利用許多個小的LED燈珠組成一個大型LED矩陣面板，通過控制這個LED矩陣面板里面的LED燈的亮滅和顏色來實現(xiàn)顯示屏的效果，利用現(xiàn)實生活中拍照像素的基本原理，矩陣面板里面的每一個LED燈都可以作為一個像素點。實現(xiàn)單個LED燈驅(qū)動簡單，但我們組成的矩陣?yán)锩鍸ED數(shù)量很大，不但要控制它們的亮滅，還要控制亮的顏色，難度可想而知，并且我們?nèi)绻胍肔ED矩陣來顯示數(shù)據(jù)，其體積也過大。（2）OLED液晶顯示屏是近幾年在電子設(shè)計上流行起來的一種顯示方式。OLED（OrganicLight-EmittingDiode）又稱是激光顯示或發(fā)光半導(dǎo)體顯示，通過給顯示屏注入不同的載流子，在相關(guān)的控制之下互相結(jié)合產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象。該類型的顯示屏優(yōu)點主要有：顯示屏顯示的內(nèi)容多而且比較豐富，其顯示畫質(zhì)比其它顯示屏更加細(xì)致，所以在很多設(shè)計中都有使用到該類型的顯示器。（3）LCD液晶顯示屏，這種顯示屏又常常被稱為LCD1602，其功能如名字一樣，是LCD的顯示方式，每行也顯示16個字符，可顯示兩行，最多可顯示32個字符，該產(chǎn)品應(yīng)用較久，技術(shù)也已經(jīng)熟練，在質(zhì)量上是可以保證的，所以使用上較容易上手，最主要的優(yōu)點在該顯示屏生產(chǎn)技術(shù)成熟，生產(chǎn)成本低，價格低廉，且該顯示屏對數(shù)據(jù)的顯示比其它的顯示器要清晰一點，如果進(jìn)展的話該顯示屏占用較少的單片機(jī)I/O口。（4）LED數(shù)碼管，該類型顯示器也經(jīng)常被我們所熟悉以及廣泛使用，它還有一個較為形象的名字，通常叫做八段管，通過這個名字我們可以很容易的聯(lián)想出來，該八段管是利用八段的發(fā)光二極管燈組合形成的，我們可以通過控制八個發(fā)光二極管的亮與滅來顯示出我們所指定的數(shù)字，把若干個數(shù)碼管拼接起來可以顯示更多的數(shù)字。在組合時，把各個數(shù)碼管的陰極和陽極分開，分成共陰極和共陽極，將所有數(shù)碼管的陰極接到一起構(gòu)成共陰極，共陰極低電平有效，把組合數(shù)碼管的陽極連接起來構(gòu)成共陽極，共陽極高電平有效。復(fù)用引腳可大大節(jié)約單片機(jī)I/O口的使用。通過對幾種顯示器件的分析，結(jié)合本設(shè)計中僅需要對溫度值以及濕度值進(jìn)行顯示，顯示界面需要兩行，并且LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，專門用來顯示字母，數(shù)字，符號的點陣型液晶模塊，其由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間都有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，綜上所述所以選擇LCD1602顯示屏作為本設(shè)計的顯示設(shè)備。2.5設(shè)計語言選擇（1）匯編語言匯編語言是一種面向機(jī)器的傳統(tǒng)程序設(shè)計使用語言，該語言也存在較多優(yōu)點，如：方便讀取存儲狀態(tài)和I/O狀態(tài)；由于匯編語言屬于機(jī)器語言，因此可以省略編譯環(huán)節(jié)，直接被機(jī)器所執(zhí)行；作為最底層語言，可擴(kuò)展性較好。與此同時也存在較多的缺點，主要有：利用助記符來編寫代碼，入門難度大，代碼冗雜；編程時需要使用者自己調(diào)用內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)BUG，并且調(diào)試起來難度大；不利于后期維護(hù)；代碼兼容性差。（2）C語言C語言于上世紀(jì)八十年代在貝爾實驗室被開發(fā)出來，是一種面向過程的編程語言，其目標(biāo)是通過簡易的編譯產(chǎn)生極少量的機(jī)器碼以及不依托運(yùn)行環(huán)境即可運(yùn)行的編程語言。C語言的設(shè)計由于更符合語言邏輯，因此在入門上較易。相比于匯編語言，C語言具有編程速度快、工作量小、可讀性好、易于調(diào)試、修改和移植等特點，在這些優(yōu)點的基礎(chǔ)上運(yùn)行效率僅比匯編語言低10%左右，因此在硬件發(fā)達(dá)的今天，軟件上的效率低可從硬件上得到彌補(bǔ)。由于在校期間對C語言進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，所以在本文設(shè)計中采用C語言來對整個硬件系統(tǒng)的軟件編程進(jìn)行設(shè)計。本章主要講述了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)、系統(tǒng)組成及整體設(shè)計思路和系統(tǒng)設(shè)計的方案論證三部分內(nèi)容。系統(tǒng)的目標(biāo)明確了整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。系統(tǒng)組成和系統(tǒng)整體設(shè)計思路系說明了整個系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計思路。方案選型論證主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求選出性價比最高、最合適的器件。

3硬件電路的設(shè)計3.1單片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計單片機(jī)是對單片微型計算機(jī)的一種統(tǒng)稱，我們可以根據(jù)自己的需求在上面進(jìn)行各種開發(fā)和設(shè)計。單片機(jī)的起源可以追溯到上世紀(jì)八十年代，當(dāng)時的單片機(jī)只有4位或8位，種類也僅有數(shù)十種，可選擇性較低，且功能較弱。縱觀現(xiàn)在300M的高速單片機(jī)已然成為主流。到目前為止，單片機(jī)的種類己發(fā)展至數(shù)百種，我們可根據(jù)自身需求選擇最合適的芯片來進(jìn)行設(shè)計，且設(shè)計例程也越來越多，設(shè)計也越來越方便，芯片的尺寸也朝著低功耗、低電壓、小尺寸的方向不斷發(fā)展。單片機(jī)擁有多種分類方式，如果按照種類分可以將單片機(jī)分為通用型和專用型。通用型是可以根據(jù)自己的愛好和想法進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，而專用型則在出廠時已經(jīng)設(shè)定好了其功能。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。圖3.1單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖3.1.1系統(tǒng)時鐘電路晶振電路一般又叫時鐘電路，該電路對整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)提供時鐘參考，因此也被叫做主控時鐘。在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)想要執(zhí)行操作必須經(jīng)過取指令、譯碼然后將譯碼后的信號發(fā)送到寄存器，然后通過指令交換。每個步驟都遵循著系統(tǒng)時鐘，系統(tǒng)時鐘不僅提供了參考時間也對各個步驟執(zhí)行的先后順序進(jìn)行定義。本項目的時鐘電路如圖3.2所示。圖3.2系統(tǒng)時鐘電路由圖3.2可以看出，系統(tǒng)的時鐘電路從引腳XTAL1和XTAL2引出，由12MHz的晶振和兩個0.1uF的電容組成，構(gòu)成一個并聯(lián)諧振回路，該回路就成為一個自激振蕩器。該時鐘電路也決定了系統(tǒng)的主頻時鐘為12MHz。需要注意的是，在進(jìn)行時鐘電路PCB設(shè)計或直接焊接時，電容與晶振的設(shè)計應(yīng)盡可能靠近芯片，以減少對電路的影響。3.1.2系統(tǒng)復(fù)位電路復(fù)位電路是用來對電路工作狀態(tài)進(jìn)行還原的電路，本系統(tǒng)的復(fù)位電路由按健方式進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位按鈕會讓單片機(jī)的第9引腳觸發(fā)高電平持續(xù)2us就可以實現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位，且由51單片機(jī)電路原理圖可知，該系列單片機(jī)為高電平復(fù)位，一般情況下是將RST端向上接一個10uF的電容接高電平，向下接一個10K電阻接地，在高電平與RST端接按鍵開關(guān)，也可不接開關(guān)。外接開關(guān)是為了在使用時可以隨時復(fù)位。本項目復(fù)位電路如圖3.3所示。圖3.3系統(tǒng)復(fù)位電路由圖3.3可以看出，該系統(tǒng)的復(fù)位電路通過1uF電容與電源相連，通過1K電阻與地相連，同時設(shè)置了復(fù)位開關(guān)，方便隨時進(jìn)行復(fù)位，同時該系統(tǒng)保持高電平復(fù)位，當(dāng)開關(guān)按下后，電源和地形成通路則系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，若開關(guān)斷開當(dāng)電容充滿電后也進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。3.1.3中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)的作用是在程序運(yùn)行時對當(dāng)前正在執(zhí)行的程序或指令進(jìn)行打斷。在實際系統(tǒng)運(yùn)行或調(diào)試過程中，常常存在由于不同原因?qū)е卤仨氈袛喈?dāng)前程序的執(zhí)行查看當(dāng)前運(yùn)行結(jié)果或轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另一條指令的情況。設(shè)計中有軟中斷和硬中斷兩種實現(xiàn)方式，顧名思義就是分別通過軟件或硬件來實現(xiàn)中斷功能。引起中斷的源頭被稱為中斷源，也叫中斷信號，在實際使用中主要為內(nèi)部中斷和外部中斷兩類，外部中斷根據(jù)選擇的引腳不同又分為外部中斷0和外部中斷1，這兩種中斷分別由電平和下降沿出發(fā)。通過TCON引腳的不同狀態(tài)來對合適的中斷類型進(jìn)行選擇。內(nèi)部中斷有定時器溢出中斷和串行口中斷源中斷，定時器溢出中斷是由系統(tǒng)內(nèi)部的定時/計數(shù)器通過設(shè)置產(chǎn)生，串口源則直接通過串口輸入產(chǎn)生。3.2傳感器采集電路在蔬菜大棚種植中，大棚內(nèi)的溫度在不同時間不同地點都是不一樣的，因此，為了能更好地采集到棚內(nèi)的溫濕度信息，保證棚內(nèi)蔬菜的生長環(huán)境，應(yīng)實現(xiàn)棚內(nèi)溫濕度的多點采集，為了實現(xiàn)多點溫濕度采集，本設(shè)計采用3個DHT11溫濕度傳感器，分別布置在大棚的頭尾部位和中間部位，主控芯片和顯示屏放在大棚頭部，便于觀察，對3個傳感器進(jìn)行統(tǒng)一編號，并通過單總線形式DHT11的DATA數(shù)據(jù)端引腳直接掛接到STC89C52單片機(jī)上，溫度顯示采用循環(huán)顯示的方式，循環(huán)檢查三個溫濕度傳感器采集的信息，當(dāng)任一傳感器的值不在設(shè)定值范圍內(nèi)時，啟動相應(yīng)的外接設(shè)備。本文采用的溫濕度傳感器為DHT11，取其中一個為例，其電路圖如圖3.4所示，從電路圖中可以看出該模塊為四端口元件，其中引腳1和引腳4分別用于接通VCC和GND，引腳2為傳感器輸出端接通單片機(jī)的25引腳，單片機(jī)通過讀取25引腳的信息從而獲取對應(yīng)的溫濕度信息。DHT11采用單線雙向的串行接口數(shù)據(jù)，DATA上拉后與微處理器的I/O端口相連。當(dāng)連接線長度短于20米時建議用5.1K的上拉電阻，大于20米時根據(jù)實際情況降低上拉電阻的阻值。使用3.5V電壓供電時連接線長度不得大于20cm。否則線路壓降會導(dǎo)致傳感器供電不足，造成測量偏差?？偩€空閑時為高電平主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng)，主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機(jī)的開始信號后，等待主機(jī)開始信號結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號.主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號，主機(jī)發(fā)送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高?？偩€為低電平，說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時隙開始，高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1.格式見下面圖示.如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則DHT11沒有響應(yīng)，請檢查線路是否連接正常.當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。圖3.4溫濕度傳感器電路圖3.3LCD顯示電路顯示模塊在本設(shè)計中的作用是對溫濕度進(jìn)行實時顯示。LCD1602屬于工業(yè)級顯示屏器件，字如其名可顯示32個字符的數(shù)據(jù)。分兩排顯示，每排可顯示16個字符。在電子設(shè)計中經(jīng)常提及高低電平的問題，至于高低電平的說法在這里分別用1和0來替代，而顯示屏想要顯示內(nèi)容必須通過顯示芯片才能完成。目前市場上大部分的LCD顯示屏均采用HD44780顯示芯片來驅(qū)動，只有通過HD44780，LCD1602才能按照我們的設(shè)計進(jìn)行顯示，所以在使用和控制原理上并沒有太大差別。LCD顯示電路圖如圖3.5所示。圖3.5LCD顯示電路圖本文設(shè)計的液晶顯示電路主要用于顯示當(dāng)前溫濕度的數(shù)值，具體的硬件電路圖如圖3.5所示。從圖中可以看出，液晶顯示電路和單片機(jī)的P0口相連。電路連接圖和上述連接引腳功能一致。3.4按健電路從STC89C52的P1口引出三個獨立按健，分別連接P1.0、P1.1、P1.2。其中按健1為模式選擇，可以選擇溫度或濕度的設(shè)定，按健2可以對選定的溫濕度設(shè)上限值，按健3可以對選定的溫濕度設(shè)下限值。系統(tǒng)通過DHT11采集大棚中各采集點的溫濕度，如果超過設(shè)定值，單片機(jī)驅(qū)動繼電器控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動進(jìn)行降溫，達(dá)到設(shè)定值后停止工作，溫度過低時單片機(jī)驅(qū)動繼電器控制加熱片工作。圖3.6按鍵電路圖3.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊本設(shè)計采用繼電器驅(qū)動電路，如圖3.7所示。繼電器屬于一種自動控制電路通路或斷開的控制裝置?？刂齐娐愤B接芯片輸出I/O口，由芯片給出高電平或低電平來控制繼電器輸入回路，一旦繼電器線圈兩端有電壓，線圈中流過電流，由于電磁效應(yīng)，從而引起輸出端吸合，輸出導(dǎo)通，控制風(fēng)扇和加熱片等負(fù)載通電開始運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計采用NPN型三極管來驅(qū)動，驅(qū)動條件為高電平有效，當(dāng)單片機(jī)STC89C52對采集到的數(shù)據(jù)不在設(shè)定值的范圍內(nèi)時輸入一個高電平，此時NPN型三極管導(dǎo)通，啟動對應(yīng)的風(fēng)扇和加熱片工作。蔬菜大棚的通風(fēng)系統(tǒng)，我們要對棚的拱度進(jìn)行考慮，棚的拱度不同，導(dǎo)致棚的放風(fēng)口大小取決也不一樣。通風(fēng)口的大小不是固定的，有的溫室的它們之間的結(jié)構(gòu)是不一樣的，大棚內(nèi)的降溫時間和降溫速度也都是不一樣的。通常情況下拱度較大的棚，熱氣流流動在棚內(nèi)的頂部，此時我們的放風(fēng)口即使不大，它也能達(dá)到比較好的放風(fēng)效果，如果拱度較小的棚，因為拱度較小，大棚內(nèi)的熱氣流不便從放風(fēng)口排出，大棚內(nèi)的溫度就顯得偏高。因此在這種情況下，我們就要在大棚頂部開的放風(fēng)口開得寬一些，綜上所述，循環(huán)風(fēng)機(jī)裝置安裝的位置設(shè)在蔬菜大棚中央的頂部，當(dāng)溫度過高時，方便將熱氣流從頂部排出，可以采用一個300w左右的軸流式循環(huán)風(fēng)機(jī)。蔬菜大棚的加溫方式主要有暖風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)爐等設(shè)備，在本次設(shè)計中我選用貝瑞克斯15kW的熱風(fēng)爐，通過查閱資料我發(fā)現(xiàn)在同一時間同一個體積為48.6立方來的大棚內(nèi)，貝瑞克斯熱風(fēng)爐比其它的加溫設(shè)備加熱快，且使用費(fèi)用比其它設(shè)備要低，唯一缺點是成本比其它設(shè)備高很多，但從長遠(yuǎn)角度考慮，雖然成本高但使用費(fèi)用低，便于長期使用，所以我選擇該加溫設(shè)備。圖3.7驅(qū)動電路圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)設(shè)計軟件4.1.1AD目前用于電路設(shè)計的軟件主要有AD、PADS和Cadence，由于學(xué)校學(xué)習(xí)一般使用AD，所以本項目也在AD環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。AD是一款集成了電路原理圖和PCB的整套設(shè)計，該軟件能夠使設(shè)計者在設(shè)計時減少很多后顧之憂，當(dāng)熟練使用后，設(shè)計電路的質(zhì)量和速度都將大幅提高。4.1.2KeilC51大多數(shù)的電子設(shè)計者都是從51單片機(jī)進(jìn)行入門學(xué)習(xí)單片機(jī)的設(shè)計的，單片機(jī)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計的功能主要是依靠軟件控制邏輯對其進(jìn)行控制，這也是我們常說的軟硬件不分家的原因。單純的硬件電路無法實現(xiàn)我們所需要的各種功能，而單純的軟件也只能在電腦中跑出所需要功能的邏輯。由上文可知，雖然匯編語言也可用于代碼的編寫，但由于入門難度較高，所以，對于單片機(jī)的設(shè)計一般是采用C語言，本設(shè)計也選用C語言進(jìn)行設(shè)計。但無論采用哪種方式都需要使用Keil軟件來對代碼進(jìn)行編譯并生成硬件可執(zhí)行的文件。因此Keil是大多單片機(jī)愛好者都接觸過的軟件。Keil是由美國一家公司開發(fā)的而成，并在2005時被ARM收購，因此目前的Keil還可以用于STM32程序的編寫。豐富的庫函數(shù)和強(qiáng)大的集成式開發(fā)環(huán)境使得Keil軟件被廣大愛好者愛不釋手，全Windows的操作環(huán)境為使用者提供了友好的界面。目前廣泛使用的版本為Keil5，該版本于2013年10月發(fā)布。功能更加強(qiáng)大。該軟件對于電腦的配置要求不高，這也在一定程度上降低了開發(fā)成本，所以多數(shù)情況下不會因電腦配置問題而導(dǎo)致無法運(yùn)行該軟件。4.2軟件設(shè)計流程圖4.2.1主函數(shù)流程圖系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)入初始化，初始化包括傳感器的初始化和顯示屏的初始化等，初始化完成后系統(tǒng)開始對按鍵模塊進(jìn)行檢測，首先要判斷當(dāng)前處于自動還是手動模式，手動模式下可通過按鍵實現(xiàn)對風(fēng)扇的控制，自動模式下系統(tǒng)則根據(jù)溫濕度傳感器傳送過來的信息和設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，決定是否需要開啟加熱或降溫功能，同時系統(tǒng)可以通過LCD實時對當(dāng)前大棚內(nèi)溫濕度等信息進(jìn)行顯示。系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖4.1所示。圖4.1主函數(shù)流程圖4.2.2傳感器模塊流程圖在進(jìn)行軟件設(shè)計時，對于溫度傳感器和濕度傳感器模塊需要先進(jìn)性數(shù)據(jù)的初始化，初始化完成后，開始實時對當(dāng)前溫度和濕度值進(jìn)行測量，同時將檢測到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給單片機(jī)用于單片機(jī)與閾值進(jìn)行比較和處理。傳感器模塊軟件設(shè)計流程圖如圖4.2所示。圖4.2傳感器模塊流程圖4.2.3顯示模塊流程圖本項目中顯示模塊用來對實時溫濕度以及手動和自動模式等信息進(jìn)行顯示，由前面描述可知，項目使用LCD1602顯示屏，該器件可以顯示2行每行16個字符。在進(jìn)行軟件設(shè)計時，寫入數(shù)據(jù)前應(yīng)當(dāng)先對要寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，判斷數(shù)據(jù)需要寫在第幾行第幾位，如果行列數(shù)不對則需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，LCD顯示模塊流程圖如圖4.3所示。圖4.3顯示模塊流程圖

5系統(tǒng)測試本設(shè)計是基于單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)采用UN0主控開發(fā)板作為系統(tǒng)的主控模塊。系統(tǒng)的主要功能是對系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度進(jìn)行測量，并將測量得到的溫度與系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行對比，若環(huán)境溫度大于設(shè)定溫度則啟動圖通風(fēng)進(jìn)行降溫，系統(tǒng)溫度可通過顯示屏實時觀看。整個系統(tǒng)的硬件電路如圖5.1所示。圖5.1整體系統(tǒng)硬件系統(tǒng)通電后狀態(tài)如圖5.1所示，從圖中可以看到LCD顯示屏上顯示當(dāng)前的溫度以及手動和自動模式，其中當(dāng)前溫度為20攝氏度。從顯示屏中還可以看出目前手動模式處于OFF狀態(tài)，通過按鍵切換至手動模式，測試手動與自動之間的功能切換，其效果圖如圖5.2所示。圖5.2自動到手動的切換在手動模式下顯示屏變?yōu)镻WM并配備相應(yīng)數(shù)值，數(shù)值的大小于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速有關(guān)，手動模式后可通過旋鈕啟動風(fēng)扇，其效果圖如圖5.3所示。圖5.3手動模式下啟動風(fēng)扇下面開始對溫度檢測模塊進(jìn)行測試，用手觸摸溫度傳感器模塊，可以從LCD上看到溫度發(fā)生變化，效果圖如圖5.4所示，可以看出溫度檢測模塊可正常工作。圖5.4溫度檢測模塊功能測試圖

總結(jié)本文通過單片機(jī)對智能溫室大棚系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，驗證了方案的可行性，但本文僅進(jìn)行了簡單的功能設(shè)計，而該項技術(shù)想要實際使用還需要從系統(tǒng)可靠性、實用性上進(jìn)行一定的分析和驗證，并且還有較長的路要走。本文從最開始的研究背景及意義以及軟硬件各個方面進(jìn)行了闡述。關(guān)于本設(shè)計的硬件設(shè)計在第三章均進(jìn)行了詳細(xì)描述，在此就不進(jìn)行過多贅述，但仍需注意的是，如何對整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、模塊的劃分、軟件的電路繪制和電氣規(guī)則的檢查是每個電子專業(yè)必須熟知的知識，在進(jìn)行電路設(shè)計時也采用了多種方案。在單片機(jī)的軟件設(shè)計中，中斷程序的編寫、按鍵控制程序的編寫、傳感器控制的編寫等都是本設(shè)計的重中之重。本文在第四章也分別進(jìn)行了詳細(xì)的描述和流程圖直觀感受。從總體上看，本文的設(shè)計基本符合設(shè)計的要求，并能夠成功實現(xiàn)對溫度和濕度值的測量并與設(shè)定的閾值進(jìn)行對比，在不符合閾值條件時啟動相應(yīng)的功能。

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