大棚温湿度检测与控制系统设计

　　进入21世纪后，科学技术水平迈上了新的台阶，世界上各个国家也重点关注温湿度检测与控制系统的研发工作。监控参数之所以是农业生产过程里的关键要素，主要是由于其随处可见。在今天，国外存在一些被称为绿色家庭的目标，智能控制系统的应用领域，可是其花费高昂，家庭温室这一理念无法让更多的普通人使用。目前，我们所处的境遇是，如何研究制造出一种贴近百姓且性能优越的温度控制系统，使其可以真正的推广应用到中国的相关领域。温室现代化是人类社会经济向前进步的必经之路。本文以温湿度检测与控制系统为例，从而研究设计了一种温湿度检测的系统。该种温室温湿度检测与控制系统的电路硬件设计包括以下几个部分：STC89C52单片机、DHT11传感器、LCD显示1602型和模拟调节部分；其温湿度显示和阀值设置是借由相关软件编程，把数据导入微控制器。

　　本次设计里，使用STC89C52单片机来进行环境温湿度测控系统的相关设计，其设计主体分为:环境温湿度的感应和检测；假如温湿度超出正常值，报警灯发出报警信号，同时启动相关设备（继电器等控制系统）；加湿设备运行后，由单片机系统评价异常情况是否解决，若问题解决，则停止报警。本文设计的温湿度测控系统具有价格低廉、简单易行、准确度高和自动化程度高等优点。不论是工业测控领域，还是机电一体化领域，STC控制芯片均有重要的地位。该种单片机的操作难度低，可在短时间内就能掌握其使用，且自动化程度高，由此可以看出其优势之大。

　　随着中国经济的迅猛发展，关于农业技术发展的探讨也逐渐受到重视。我国农业应当追求符合XXX需求的生产模式。因此，设施农业仍然是我国农业发展的重中之重。当前，现代农业生产模式的关键要素是指如何检控农业生产环境的相关参数，如温湿度、土壤湿度、氧气浓度等参数。关于种植农作物时，其生长所需的能量很大程度上取决于大棚环境。为了实现“优质、高效、高产”目标，也就是更好的把握作物的生长过程，这需要我们能够对其实时监测，并对收集的信息进行处理研究。在过去的农业模式中，对于如何测控温湿度的手段，只能由农民亲自使用相关测量仪器进行检测，人为使用调节温湿度的设备来进行控制。此类模式显而易见的缺点是，人工读数必然存在较大误差，进而导致检测准确度差和应急操作不及时，浪费了时间和人力资源。尽管我国已经从国外进口了相关先进设备，但是由于花费巨大，无法普及，导致仅局部地区能够使用。假如想提高我国农业生产的自动化程度，首先要做的便是方法和系统的变革，研发出先进的检测手段以及温室自动监控系统，该系统能够采集可信度和精确度都高的数据。建立中央监控室，将有利于IPC监控环境参数并分析作物生长规律。检控此类参数，将有利于优化作物的生长，并有助于加快我国温室现代化建设的进程和改善其经济效益。近些年来，随着微控制器的升级以及IVC技术的推广，检测温室参数的要求日益提高。本设计主要是研发一种精度高、性能优越、价位较低、可靠性强的温室监测系统。

　　当前，科学发展日新月异，其中农业科技更是进步巨大，温室已然变成现代高产经济农业的重中之重。在未来，农业的发展趋势必然是专业化与自动化。现代智能跟踪控制系统作为一款室内环境管理科学系统，其最大的优点在于智能化。该系统拥有高端的传感仪器，从而保证控制操作的准确度。关于科学信息技术于农业生产上的应用，最大的体现便是智能检测控制体系的使用。该体系借由软硬件共同编制了相应的指令来进行管理，从而减少了大量的人为操作，这种自动化的管理模式逐渐在现代农业生产中占据主流地位。这种自动化的生产管理模式，表明了农业向现代化发展，而想要推进现代化进程，则不可避免的要使用电子计算机与自动控制技术。随着近些年电子信息技术水平的提升，温室大棚的管理模式将会发生巨变，这对于农业生产的变革同样意义非凡。

　　目前，基本上只有像X这样的发达国家才推广应用了现代智能检测系统，在中国鲜有使用，中国在这方面显然处于落后的地位。虽然该系统有在我国局部地区有所使用，但是管理经验少、技术水平低限制了经济收益，还有高额的成本，这些因素都阻碍了其在我国的推广。根据我国现阶段的实际情况，想要使智能温室控制系统在我国农业生产中普遍推广，则必须对自动测控系统进行优化，包括加强智能化程度、简化操作方式、降低成本，这样才能适应我国农民的实际需求。

　　现在，我国对于温室测控系统的研发尚处于起步阶段。同时，该系统的质量保证不仅取决于技术水平，还依赖于XX的监管水平，这些都与发达国家相差甚远。实际上，作物的生长是由多种环境因素所共同影响和制约，这些因素包括温湿度与CO2浓度等。上述情况也是迫切需要研发出一款性价比高、适应我国国情的监测系统的原因。围绕“温室监测系统的设计与实施”该课题，本文查阅了众多文献和有关资料，分析了当前主要推广的温室环境参数检测的手段与仪器，然后指出其存在的严重不足之处：

　　（1）许多设备功能不完善而且价格贵。这些设备只能在一个时刻检测一个参数，所以如果要检测多组参数时，只能通过增加仪器数量来解决，这无疑加大了操作难度。不具备多站点监测与实时操作，必然导致效率低效、人力物力与时间的浪费。

　　（2）由于核心技术均掌握在国外手中，引进需花费高昂的专利费用，这提高了生产成本，销售价格也随之上涨，这无疑阻碍了一般厂商和农民购买的积极性。

　　（3）国内没有制定统一标准，这同样阻碍了国内该行业的进步。

　　关于过去温湿度测控系统的设计，一般都使用模拟技术。使用热电阻、热电偶等模拟部件制作传感器。此外，该系统不得不添加补偿电路，这导致安装变得更加麻烦，同时也增加了成本，另一方面，微处理器的识别与处理还要先进行A/D转换，其中便会产生误差甚至是错误，像信号调理电路或测量时产生的误差等，最终导致该系统的测控稳定性。科学技术的日新月异，现代化农业也受此影响，这类测控系统同样逐渐变得更加功能完善、性能优越。其中，普及大棚的使用，便应有相应的先进仪器来实时测控棚内温湿度等情况，以达到自动化管理的目标。但是，该领域所使用的测控系统仍没有脱离传统，始终是模拟温度传感器、A/D转换器、多路模拟开关和单片机。这类系统若想将传感器收集的数据传输至采集卡中，便不得不在棚内布设许多测温电缆，如此以来，不仅花费高昂，而且由于模拟信号抗干扰能力差，所以在测量时必然会产生大的误差。

　　本文的温湿度测控系统，单片机是STC系列，传感器是DHT11，价格都相对低廉。其具体分为软、硬件设计。其中，硬件由以下几块组成，分别是单片机、报警装置、显示、调节装置以及传感器。显示装置主要包括DHT11和LCD1602。这种电路不复杂、稳定性好、运行快、易调整，存在实际使用价值，在现代化农业中推广使用的难度较小。

　　本设计的一大优势在于：温湿度的相关参数，如上限值与预置值，能由下位机的按键输入，温湿度传感器采集到的数据能由非电量参数转为电量信号，然后进一步处理后传输至单片机，由其对数据进行读取并再传输至缓冲区，LCD1602可以始终显示该数据，此外对比预置值并分析；之后，根据分析结果指示执行机构，借由继电器操作相关设备（排风扇等），从而调整棚内的温湿度始终保持在合适范围里。

　　系统的设计包括以下几种模块：信息采集、分析处理、显示、设置、报警和控制。对所采集的信息分析处理是使用STC芯片，其性能优越，稳定性好。信息采集选择DHT11，所能测得的温度区间是0～50℃，湿度区间是20%～90%RH，采用单总线形式，接口简单，已经校准，8Bit分辨率，符合多数环境测量需求。若想改变测量上限和下限，仅用换成其它型号温湿度传感器，并且无需担心兼容问题。搭配EEPROM芯片AT24C04，便能保证已经储存的温度、湿度最大值掉电永久保存。借由按键，便能轻松的改变温湿度的最大值。若温湿度超出范围，则报警灯点亮。同时，该信号还能借由三极管控制继电器，进而控制断风机、加热器等设备的运行。该系统的设计原理如图2.1所示。

　　温湿度检测模块采用DHT11。它所采用的技术十分先进，该产品的使用时间久、可靠性强。除此之外，电阻式感湿元件与NTC测温元件这两个元件共同组成了传感器，同时还接入了功能强大的8位单片机。该产品拥有诸多优点，包括运行速度十分迅捷、稳定性极强、价格低廉等。温湿度的测量范围和精度也能满足该次系统设计。对比其他复杂的传感器，该型号传感器操作简便、稳定性好，性价比高，故本次设计采用DHT11温度传感器。

　　3.1.1单片机的选择

　　方案一：选择AT89C52单片机。这种单片机产自ATMEL企业。该单片机型号是CMOS，其优点是性能强大并且节能，其中的配件制造均源自于该家企业高密度、非易失性存储技术，能够匹配MCS-51指令系统，不存在任何冲突问题，其中包括8位CPU和Flash存储单元。使用该单片机具有诸多优势，一方面，它对开发设备无特殊要求，减少了开发时间，可对编程加密，其保密性强；另一方面，该单片机的价位适中，货源充足，用于制作系统可使其体积减小、可靠性上升、花费减少。若要用5V电压编制程序，仅需程序不超过8K，同时使用所有I/O口，擦写速度极快。此外，该类型的加密手段为三级程序存储器加密，简单易行有保障，不用担心被抄袭。PO口为三态双向口，由于仅有它可以进行外部存储器的相关控制，所以一般也叫做数据总线口。

　　方案二：选择STC89C52单片机。该种型号的操作程序与AT不存在任何冲突，可是真正使用的过程中有以下麻烦：

　　（1）AT不支持ISP下载功能，只能借助于其他外部手段；STC则能通过USB转串口，具体相关的内容下载需登陆其厂商官网。

　　（2）STC的运行十分迅速，约为AT的3~30倍。但是，这也会带来一定问题，可能造成某程序适用于AT，却不适用于STC，比如部分对程序要求很高的模块，得在STC上延长时间，其时间约为AT的10~30倍即可，可由调试验证。

　　（3）STC的适应性强，其正常的工作电压只要大于3V，这对于AT是必然行不通的。因此，若某系统使用STC能正常运行，却不适用于AT，此时验证最小系统，观察其有无顺利供电。

　　对比上述方案一和方案二，结合作者所学相关专业知识，以及作者个人和所处学校的实际情况，综合分析可实际获取的资源状况，所以最终选择STC89C52。

　　3.1.2单片机最小系统

　　单片机最小系统包含以下部分：电源、振荡电路、复位和扩展部分等。就设计完整性而言，第一部分即稳定的电源供电模块，这是系统正常工作运转的基本要素。本次设计中的该模块借由电脑USB口来充当，或者在外部安装一个5V电源供电模块。

　　3.21温度传感器的选用

　　数字型温湿度传感器的主要特征是能够直接输出数字量。DHT11的数字信号输出已经得到校准，其性能可靠、稳定，使用的普及度已经比较高。该传感器的访问形式是利用二线数字串行接口来完成，故硬件接口电路一点也不复杂。该传感器使用4针单排引脚封装，接通电源后，为了使状态稳定下来，需稍等1秒，不做其他操作。为了去耦滤波，需要安装一个电容为100nF的电容器，具体位置是在电源引脚间，其标识为VDD和GND。实物见下图。

　　DHT11的技术参数如下：

　　供电电压：3.3~5.5V DC；

　　输出：单总线数字信号；

　　测量范围：湿度20～90%RH，温度0~50℃；

　　测量精度：湿度±5%RH，温度±2℃；

　　分辨率：湿度1%RH，温度1℃；

　　互换性：可完全互换;

　　长期稳定性：<±1%RH/年；

　　本次设计采用温湿度传感器DHT11．它具有测量精度高，电路连接简单等特点．具体接口如下：

　　引脚1：VDD供电3～5.5V DC；

　　引脚2：DATA串行数据,单总线；

　　引脚3：NC空脚,请悬空；

　　引脚4：GND接地,电源负；

　　不可忽略的是，当引脚2接入后，需要安装上拉电阻，并通电。该传感器的电路如下图所示。电路的连接十分容易，上下位的连接只要通过一个I/O口。关于如何选择上拉电阻，通常依据连接线的长度，若长度小于20m，则选择5K上拉电阻，反之，视具体情况而定。

　　DHT11采取单总线数据格式，其含义是指一个数据引脚端口便能实现双向传输，其数据包大小为5Byte（40Bit）。通信时长不超过3毫秒，数据分为整数与小数部分，数据传输全部完成是40bit，高位先出。

　　3.22数据帧的描述：

　　微处理器要和传感器若要保持一致，需使用DATA，其数据格式为单总线，通讯期大致是4ms，数据组成同上，详情会在后续解释。现在小数部分的读出是“0”，将来可扩展。

　　3.23时序描述：

　　用户MCU发出开始指令，传感器由节能模式切换成高速模式，在主机开始指令终止后，传感器接收响应，输出40bit的数据，同时激活数据收集，用户可自由提取所需信息。整个过程中，传感器由收到开始指令后激活温湿度数据收集，倘若无主机开始指令，则传感器保持待命状态。传感器在数据收集完成后，将自动变回低速模式。

　　总线处于空闲模式时是高电平，主机将其拉低直到传感器有所反应，若要使传感器可以接收到开始指令，这段时间不得低于18ms。传感器检测到主机的开始指令后，在其发送完成后，发出80us低电平响应指令。同时，主机应在20-40us后识别传感器的响应指令。此外，信号发出后，主机便转为输入模式。

　　3.24 DHT11传感器模块电路设计

　　DHT11很轻易即能与STC相连。STC的数据口是P2.0，其主要功能是发送接收串行数据。因为电路不足20m，所以需要在Pin2和电源间安装一个5K的上拉电阻。此外，传感器的Pin1与单片机的VDD端连接，Pin4与其GND端连接。引脚3不做连接。其电路如下图所示。

　　关于液晶显示模块的选择，用于编程的话，不存在较大差异，均能满足编写指令、地址、数据等相关要求。针对12864液晶屏，其优点在于显示信息广泛、字符数量庞大，显示功能也优于1602液晶屏。但是，从是否满足本次设计要求的角度看，两者均符合。更重要的是，1602液晶屏的价位合适，最便宜的仅6元，比前者要少34元。综合考虑下，优先选择LCD1602液晶屏。

　　3.3.1 LCD1602概述

　　本次设计的系统里，关于温室的温湿度方面，除了要显示其测量值，还得呈现出其相应的报警参数。因此，如何设计出合理的显示模块显得至关重要。分析所要研究的系统的相关要素，最终选择LCD1602显示器。选择该类型的显示器，主要是因为其清晰度高、屏幕大、花费低廉。本次设计系统对有无背光无特殊要求。

　　3.3.2 LCD1602基本参数及引脚功能

　　LCD1602技术参数如下：

　　显示容量：16×2个字符；

　　芯片工作电压：4.5～5.5V；

　　工作电流：2.0mA(5.0V)；

　　模块工作电压：5.0V；

　　字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm；

　　LCD1602引脚说明：

　　第1脚：VSS为地电源．

　　第2脚：VDD接5V正电源．

　　第3脚：VL用于调节屏幕的对比度。对比度的调节方式主要由电源控制：接正降低，接地升高。若其值太大，易出现“鬼影”，安装一个10K电位器可进一步调节。

　　第4脚：RS为寄存器选择，高电平表示选择数据寄存器，低电平则表示选择指令寄存器。

　　第5脚：R/W为读写信号线，高电平——“读”，低电平——“写”。若RS与R/W均处于低电平状态，则能写入指令或者显示地址。若RS处于低电平状态，而R/W处于高电平状态，则具有读取功能。若RS处于高电平状态，而R/W处于低电平状态，则具有写入功能。

　　第6脚：E端为使能端，当E端由高电平变成低电平时，液晶模块执行命令．

　　第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线．

　　第15脚：背光源正极．

　　第16脚：背光源负极．与单片机接口电路如图3.6所示．

　　该模块与温湿度采集模块紧密相连，由后者收集的数据转变成电信号，再由单片机分析处理，即可传输至显示模块。

　　关于温室的温湿度，我们首先要评判所采集的值是否异常，若实测值超出正常范围，报警灯亮，若实测值处于正常范围，便对其显示与控制。报警电路包含两个LED，分别同P2.5和P2.6相连，任意一个超出限制，均会触发报警灯。具体的报警方式是：若实测温度值异常，一个LED亮；若实测湿度值异常，另一个LED亮。两个LED的颜色存在差异，所以据此可知究竟是哪一项参数异常，该种设计简单易行。

　　因为单片机的IO引脚所能产生的电流太低，所以不得不安装增强电流的电路，可由三极管实现，从而控制报警灯（颜色不一样的LED）。

　　本次设计的目的仅为下调温室的相关数值，控制电路使用常开继电器。降温装置的原理：若实测温度值超过标准最大值，连接单片机的引脚发出低电平，电流将流过三极管，进而导致继电器吸合，接着便能启动降温装置运行。若温度调节至正常值后，置其引脚为高电平，三极管截断，继电器则会打开，从而关闭降温装置。

　　EEPROM芯片AT24C02的主要功能是保存温湿度阀值。调节按钮是K1到K4：K1和K2分别表示调节温度值的增大与减小，K3和K4分别表示调节湿度值的增大与减小。单片机AT作为IIC芯片，具体情况见下图。

　　AT具有电可擦除的串行1024位存储器或可编程只读存储器(EEPROM)128字(8位/字)。

　　关于处于低压环境的使用，已经对芯片完成了优化处理。AT的封装是8脚PDIP和JEDEC。

　　SOIC、8脚TSSOP，由2线制串行接口完成传输操作。除此之外,该系列存在2.7V(2.7V至5.5V)以及1.8V(1.8V至5.5V)两类。

　　软件设计作为本次系统设计中的重中之重，其设计的质量优劣将很大程度上决定此次测控系统的完成。软件设计同硬件设计存在相似之处，其方法都是使用模块化程序设计。着手设计前，我们应首先了解系统构成、数据的识别与传输、信号的显示与控制和控制系统的内容，这样在对系统中所有子程序的原理有深入理解后，才能使用C语言完成系统编程。

　　本次设计系统的主程序流程为：①启动，进行数据初始化，设置标准温湿度的最大值；②传感器读取之前设置的温湿度值，并对数据进行线性拟合，同时显示在LCD上；③若温湿度的实测值异常，便会触发报警，再触发继电器使控制装置运行；④控制装置对温湿度进行调节，当温湿度恢复正常后，即停止运行，实时的温湿度值会出现在显示器上。具体流程见图4.1。

　　本次系统设计应用了Proteus与Keil c51，两款软件的兼容性很好，能够完成实物的模拟，这样一来就能顺利进行后面的实物焊接。

　　4.2.1 Proteus简介

　　Proteus是一款EDA工具软件，产自于英国Labcenter electronics，从最初的版本到现在已经经历了超过30年，普及度十分高。一般EDA具有的功能包括原理布图等，该软件在此基础上还拥有更强大的功能。首先，其电路仿真功能十分便捷，可随时对程序进行控制和调用；然后，该软件能够在以原理图为基础的虚拟原型上编制程序，随时可调整程序源码；此外，可随时显示运行过程，外加一些示波器、逻辑分析仪之类的虚拟仪器以辅助系统。

　　4.2.2 Keil C51编译器简介

　　本次设计的研发是依据Keil C软件。该软件可使用C语言对程序进行编制与调试，操作简单。如果专业是C语言，那么毕业设计可选择该软件。本次设计的第一步，就是要学习该软件的相关功能和操作。掌握该软件的使用后，才能进行下一步的工作。当程序编写完成，接着使用STC_ISP_V480软件烧录到开发板，将程序嵌入至实际物体上。在此之前，还需要相关的调试，具体步骤是：①微控制单元型号选择STC；②打开后缀名是.hex的文件；③打开“设备管理器”，接着是“COM选项”，选取相应的端口；④点击Download。

　　4.3.1 USB转串口驱动安装

　　USB转串口驱动程序的安装步骤是：

　　运行PL2303_Prolific_DriverInstaller_v130.exe。然后，插入USB下载线，在“设备管理器”找到“端口”，其菜单中应该有Prolific USB-to-Serial Comm Port(COMX)，其中“X”的实际含义是指串口号。倘若不存在该选项，则表示安装失败，所以要再次安装。此处需要注意的是，应记录下COM口号。

　　4.3.2下载程序

　　运行STC文件夹中的STC_ISP_V481.exe。设置合理的MCU，COM口号即填写之前驱动安装时所记录的值，因为下载线里PL2303的限制，波特率的最高值和最低值只能选择2400bps或者1200bps，然后打开正确的后缀名为.hex的文件。这个时候还要经历一次失电到上电，所以需要通电，此时芯片进行烧录。在上述步骤全部完成，即程序制作成功后，应当对其测试。将开发板通过相应接口连接至电脑，实现供电和下载。当下载好后，程序一般会自动启动，如若不行，再次上电应该就能启动程序。

　　4.3.3调试

　　在电脑端，使用Keil编译最开始输入的源代码，将其转化成能够执行的目标代码。倘若源代码存在问题，会提示错误，再从头开始修正，直到编写出正确无误的程序。

　　在线调试，其具体意义是：针对那些相对系统和硬件独立的程序，可采用在线调试检测逻辑中的问题，反复修正直至消除所有逻辑问题。针对那些同系统和硬件绑定的程序，只能一起调试。若提示硬件问题，解决其存在问题；若提示逻辑问题，则通过修正程序纠正逻辑问题。

　　本次系统设计的成功，软件和硬件合理的整合起到了巨大促进作用。

　　本次设计系统的关键部分即软件。系统软件部分的编制使用了汇编语言，设计思路依据的是模块化方式。在完成相关的程序编写后，再利用Keil软件对所设计的程序进行仿真测试，同时导入至单片机。

　　软件和硬件的完美契合，促成了此次系统的设计。其系统整体电路设计

　　该系统的工作方式为：由DHT11采集大棚中实时的温湿度值，然后把采集值传输至STC89C52单片机分析与处理，同时导入至多个数组，方便后面显示。针对其显示模块，为了保证其稳定性，系统会每两秒就收集一组信息。根据上图可知，按键控制接口是单片机的12～15接口，调节温湿度的最大值主要是由相应按键所控制，同时接入了外部芯片，可存储设定的标准值。1、2外接外部EEPROM芯片AT24C02。传感器的功能是把收集到的外部数据转变成电信号，然后传输至单片机分析和处理，再把信号传输至显示模块（液晶电路接口连接方式见上图）。当实际环境条件下的温湿度值异常时，单片机6和7接口会启动其对应的继电器开始运行（6连接L，7连接R）。通过单片机的判断，由小灯发出指令，启动不同电路对应的继电器驱动负载，控制实际环境下的温湿度值。AT24C02器件具有特殊的写保护功能。

　　作者根据所调研的文献资料，分析了国内外技术研究现状，尤其是国外的高端技术，制定出一套合理的研究思路，完成了本次大棚温湿度检测与控制系统的设计。该系统重点针对的是丝瓜大棚温湿度的检测与控制，目的是能够有效降低人力、物力资源的浪费。该系统测控的核心部分是DHT11和STC89C52，其性能优越、可靠且价位适中。该系统的运行原理是：先由传感器测量出实际温湿度的值，把测量值发送到单片机，以阀值为标准判断其温湿度是否处于正常范围内，接着根据具体情况，使用单片机操纵相关模块的运行，从而实现系统整体控制。所采用的52系列单片机具有诸多优点，如操作指令完善、体积小、可塑性高等，该单片机的使用不仅使本次设计系统的性能得到提升，还降低了其制造成本。因为作者自身的知识深度尚浅，在设计该系统时存在观点片面、整体意识不足等问题，所以本文设计的产品仅供参考。

　　作者本次所设计的检测与控制系统，可能仍存在部分缺点，但并不掩盖其光芒。作者认为，本次设计的最大亮点，即针对过去丝瓜大棚的温湿度测量方式，将传统上只能由人工进行转变成系统自动化处理。这样一来，不但降低了人力、物力资源的浪费，还优化了温湿度的测量速度和准确度。本文设计的测控系统，其性能优越、花费较少、简单易行，拥有一定的使用价值。综上所述，本次设计的测控系统符合我国国情，亦能满足用户需求，故可以在我国农村得到有效推广应用。