代码收藏家 基于单片机的大棚温湿度监测系统的设计
基于单片机的大棚温湿度监测系统的设计 摘 要 随着社会经济的不断发展，现代温室生产离不开环境控制。本文在对国内外温室智能控制进行深入分析的基础 上，针对温室智能化控制存在的诸多因子，将智能传感器监测和单片机控制相结合，提出了基于单片机的大棚温 度、湿度监测系统设计方案。本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、键盘 设置系统、显示系统组成。系统以STC89C52单片机为核心，以SHT11温湿度传感器作为测量元件，通过单片机与智能 传感器相连，采集存储智能传感器的测量数据，以LCD1602液晶显示屏为显示装置，在单片机系统中，还要实现程序 。经测试，系统运行良好，达到了设计要求。
一 绪论
1.1研究背景及意义 大棚温湿度监测系统主要针对湿度、温度等温室作物生长必须的外在物理要素进行监测和调节，以达到作物生 长的最佳条件。现代温室控制技术主要是能通过系统实时采集温室环境的温湿度和光照度，以达到温室植物生长环 境实时监控的目的。近年来，我国在温室控制技术方面也做了很多的研究，并在温室栽培等方面取得了显著成果。 但由于我国在这方面的研究时间不算长，在配套技术与设备上都比较匮乏，使得环境的监控能力不高，生产力有 限。能够实现全年生产的大型现代化温室很少。而且需要进口温室设备，但投资又太大，需要的操作人员的素质要 求也高。所以我国温室环境控制还有很多地方需要改善与提高。 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场 所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以 达到调节产期促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目标。 建造温室的目的就是为了模拟适于作物生长的气候条件，创造人工气象环境以消除外界对作物生长不利的环境 因素来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制约，从而缩短农作物的生长周期，提高作物的产量，获得 可观的经济效益。由于影响作物生长的因素主要是温度、湿度、光照度，所以温室的主要目的就是要能对温度、湿 度、光照度进行监控。也就是温室环境监控，其平台就是温室环境监控系统。 大棚监测 但就温室 技术本身而言，我国在有关方面的研究工作做得还较少，大多还停留在基础理论跟踪国际研 究阶段，缺乏典型的实际应用示范及产业竞争优势，有必要通过温室实际应用提升我国在这一领域的核心竞争力。 实现温室等设施农业的无线传感网络测控系统将解决目前温室等设施的一系列缺陷和弊端，有助于实现设施农业生 产机械化、自动化，提高设施环境调控智能化，自动调控温室内的温度、湿度、光照、CO2 浓度等环境因子，因此 温室无线传感网络测控系统在国内外市场潜在用户巨大、市场前景良好，经济效益显著。同时将改善温室等设施内 工作环境和工作条件，保障农民身体健康，提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，为我国农业现代化做出 贡献。对于促进农业的增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义。因此项目实施具有巨大社会效 益。
1.2国内外研究现状 西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人 工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始 应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺。
迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业 随着计算机技术的进步和智能控制理论的发 展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到 了长足的发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生 了革命性的变化。80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微 。 机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段 目前，我国是设施园艺栽培面积最大的国家。80年代中后期，随着高效节能日光温室生产技术在东北地区试验 成功，就迅速在我国北方发展起来，各级政府把其作为带领农民致富奔小康、培育农村新的经济增长点的重点措 施，各级农业科研机构也投入了大量的人力、物力进行节能日光温室建造及生产技术的专项研究，并取得了重大进 展。日光温室发展到今天，已由生产各种反季节蔬菜的生产设施，发展为日光温室园艺设施，进而发展为设施农 。据统计，全国节能日光温室面积到2002年底已到达760万 业，已成为种植业、养殖业和水产业全面发展的新兴产业 亩。
我国现代农业设施普遍起步较晚，目前我国的温室自动控制技术远远跟不上温室数量的增长，许多农业生产中 还在使用大量的人力劳动，采用人工的方式来控制大棚的温度与湿度，由于大棚内不同位置中的光照强度不同从而 导致温湿度分布不均衡，人工测量有很大的误差，在不同的季节内，作物所需环境也不一样。时效性低，精准度 低，很难达到较好的控制效果。与同现代农业发达国家相比，我国在这一方面还是有较大差距，特别是对于温室环 。为了提高农业大棚的自动化程度和生产效率， 境中各个因素的自动监测与控制方面 科学合理的调节大棚内的温湿 ，必须大力发展农业大棚的温湿度监测系统。 度，使大棚内形成有利于作物生长的环境 随着我国现代温室产业的快速发展，在温室产业的运营中暴露出了一些问题：1）现代温室管理和种植的人才缺 乏，温室种植技术落后，造成了现代温室的功能和优势不能充分发挥。2）能源消耗大，以现代温室为代表的设施农 业生产企业效益低下，导致温室产业出现了滑坡的现象。3）不同地域的气候环境制约了进口大型温室适用性，温室 不能周年运行。4）计算机控制水平低。目前国内温室计算机控制系统与国际选进技术存在很大差距，商用控制系统 。 不能满足高效节能有效控制温室机构运行的要求 1.3主要研究内容及论文组织安排 本系统在进行设计制做的过程中主要考虑到设备的操作简便性以及实用性。在这样的设计需求的背景下采用 STC89C52单片机作为主芯片，用来对采集到的数据做集中处理，保证数据传输的准确性，在实现温室环境监测的需 求下，同时对温室环境的温湿度设定阈值限制，当发现异常数据时，该装置会立马实现声光报警，及时的对用户发 出提醒。同时本系统设计了LCD液晶显示监测功能，利用LCD模块将温室环境监测装置检测到的数据通过屏幕进行直 观显示，方便用户及时的对大棚环境进行观测。 本文的组织结构安排如下： 介绍了设计的选题背景，国内外研究现状以及应用前景，并对本文的主要内容和组织结构做出 了说明。 方案以及所使用到的相关技术做出介绍。
二 总体设计
本章对基于单片机的大棚温湿度监测系统的整体设计
三 系统硬件设计与实现
本章对本系统的硬件电路设计方案以及相关器件的硬件原理图进行介绍。
四 系统软件设计与实现
本章主要介绍了系统的软件部分设计，包括系统的软件程序编写、整体流程图。
五 系统测试
本章主要对系统的接口及各个功能进行了测试。 ，对基于单片机的大棚温湿度监测系统做
六 总结与展望
总结了论文的工作，分析了论文中存在的不足之处 出了进一步展望。 2 系统概述 2.1系统内容 随着农业现代化的快速发展，温室正朝着智能化控制的方向发展。我国农业也逐渐地从传统农业向高产、优 质、高效为目的的现代化农业转变。因而温室远程无线监测系统自然也离不开现代化的科学技术。通过国内外大量 的科学实验和生产的实践证明，环境的控制对温室内植物生长起到非常重要的作用。只有在适宜的环境下植物才能 生长良好。 对于温室大棚内环境的监测主要对环境温度、湿度等进行测量。用单片机监控大棚的温湿度，确保温室经济作 、湿度。 物生长适宜的温度 该系统通过STC89C52单片机查询大棚内的温湿度传感器SHT11的输出信号，然后再对输入 信号进行相应处理后通过显示模块显示出来进行观测；并将采集到的温度、湿度与事先通过键盘输入设定的温度、 ，并把当前的大棚内的温湿度值显示在 湿度上下限进行比较，如果参数值超过设定的上下限时，报警电路进行报警 5 液晶显示屏中。 2.2设计需求及基本功能 本论文主要是完成一种集温湿度和光照监测、显示、报警于一体的单片机温室监测系统的理论设计与实物制 作。其中包括相关理论知识、硬件电路连接、软件程序设计以及仿真过程。 主要功能： 。 (1)实时显示温室内的温度、湿度，温度测量范围0-99℃，湿度测量范围0-100% (2)用按键可随时修改温度、湿度的上下限。修改过程中，报警模块暂停工作。修改完毕后，按设置/完成键退出， 即可保存修改值。温度和湿度显示过程中可随时按设置/完成键查看所设报警值。 (3)通过报警器件输出报警，配有一个蜂鸣器和4个LED灯。当系统采集到的温度或湿度异常时，蜂鸣器会发出报 。 警响声，LED进行闪烁。方便对系统状态监视 (4)通过LED模块，实现大棚温湿度显示功能。将装置采集到的温湿度的值上传至LED屏中，方便温室管理人员及 时的对温室内的情况进行监测。 2.3系统方案介绍 1.系统硬件设计： （1）传感器子系统 传感器主要包括温湿传感器。 （2）数据采集子系统 。 数据采集子系统主要完成对传感器子系统传送来的信号进行采样 （3）信息处理子系统 信息处理子系统是整个系统的核心部分，包括环境参数预设值、信号处理和控制3个部分 （4）数据显示子系统 。 。 该系统通过LCD显示器实时显示传感器采集到的温度和湿度信息 （5）报警子系统 该子系统包括蜂鸣器和LED灯报警系统，通过蜂鸣器鸣响和LED灯闪亮，来实现对应异常情况的报警。 2.系统软件设计： 本系统程序主要包括主程序、温湿度采集子程序、声光报警子程序、键盘设置程序、显示程序等。
图2.1 系统总体设计框图 2.4重要器件选型 2.4.1单片机选型 方案一：在系统处理器的选择过程中，第一个方案是可以采用DSP作为系统的控制器。DSP能够实现数据的高效 处理，能够通过内部芯片实现数据的快速运算，提高数据处理的速度。但是DSP处理器价格昂贵，对于这次的微系统 的达不到好的效果。 方案二：第二种方案可以采用STC89C52单片机作为系统控制器。单片机作为一个性能较好的数据处理控制器被 各样的嵌入式系统的设计中，它能够实现数据的处理、传输、储存，其价格低廉，成本低，特别 广泛的应用在各种 适合用来作为本次系统设计的数据处理单元。 6 基于以上分析，拟定方案二，用STC89C52单片机作为控制器 2.4.2温湿度传感器选型 ，更加方便使用。 的测量值介于-55℃到+125℃之 方案1：使用数字温度传感器DS18B20提供9位（二进制）的温度读数，DS18B20 间，其增量值为0.5℃。除了这些具体的基本属性信息的好处外，该温度传感器还能实现快速的具体的温度信息的转 换。但是该传感器只能单独对环境的温度信息进行采集。 方案2：使用SHT11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 能够对温室环境 采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。SHT11温湿度传感器 的温湿度信息同时进行采集，方便快捷。 所以选择方案2中的SHT11作为本设计中的温湿度传感器。 2.4.3显示模块选型 方案一：采用LED数码管动态扫描，数码管作为数据显示单元能够正常的显示数字，通过数据动态扫描的方式对 ，但是数码管显示数据单一，不能够显示字符和英文，本次系统设计需要进行复杂的字母数字同时显 数据进行显示 示，所以LED数码管不适合作为本次系统设计的显示模块。 方案二：采用LCD液晶显示屏，LCD液晶显示屏能够正常的显示2行字符，能够同时显示数字、字母、符号等在内 中更好的显示数据信息，所以此设计中采用LCD1602液晶显示屏作为显示模块可以 的复杂信息，该模块能够在本系统 达到更好的效果。 3 系统硬件设计与实现 3.1单片机最小系统电路 3.1.1单片机简介 通过方案论证，在本次基于单片机的大棚温湿度检测系统中选择STC89C52单片机最为主控线片。主控芯片是对 整个系统设计的核心部分，相当于整体系统的大脑，起着非常重要的管控的效果，在整体系统设计中负责数据的接 收处理以及后期的传输工作。主控芯片的功能保证了系统设计的稳定运行与设备的良好运转。 在本次系统设计的STC89C52单片机属于51系列单片机，是在电子设计过程中比较常用的一款单片机，该单片机 具有系统数据处理、文字编译、数据转换、信息传输等重要的功能，能够进行数据信息的快速处理，是一款性能强 的数据处理中心。如图3.1所示，为该单片机的结构图
SHT11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SHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校 8 准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信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，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚 。 至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供 温湿度检测电路原理图如图3
.3所示。SHT11实物图如图3.4所示
硬件系统的设计主要就是对系统元器件的选择，保证整体系统的完整性，选择性能合适且价格合适的元器件作 为本次系统设计过程中的组成元器件，对于元器件的合理使用，就能够保证整体系统运行的完整性。对于硬件系统 。 的调试，主要是查看系统是否能够在启动电源后正常稳定的运行 问题1：装置启动后，液晶没有数据的显示。 解决：在装置启动后，液晶不能显示，首先要检查整体系统的设计线路连接是否完整，有没有出现线路连接错 误的情况，在这个过程中需要仔细认真的核对每一个连线，连线的不完整会对整个系统的运行造成极大的损害，经 过查找发展液晶显示线路的其中一个引脚没有连接到单片机引脚上的相应位置，所以导致了开机后液晶没有显示， 然后将线路更改正确后解决了这个问题。 问题2：在进行数据设置是按下按键，不能够正常的跳转到设计界面。 解决：按键在使用的过程中出现错误，首先检查按键的电路连线是否正确，在确定了按键连接线路正确无误 后，在检查按键程序设计过程中的问题。经过查找相关电路和程序，发现忘记添加按键演示消抖的缘故，对按键添 加消抖程序设计后，解决了这个问题。 经过一系列的焊接与调试，最终完成了基于单片机的大棚温湿度监测系统的整体系统的安装，完成了实物的制作， 。 如图5.2所示为焊接完成实物图
结论 本设计可以利用单片机控制功能实现了对大棚温湿度监测系统的设计，利用SHT11温湿度传感器来对大棚中的温 ，通过程序控制的原理来实现温湿度过高或者过低的报警功能。同时设置 湿度进行监测，同时设计了声光报警系统 了LCD液晶 ，实现了对温室环境的科学监测，达到 显示功能，通过LCD1602能够直观的显示当前大棚内的温湿度信息 了对温室的科学化和智能化监测的效果，完成了相关的硬件设计和软件系统的设计，达到了设计的预期效果。 本次系统设计中虽然完成了大棚温湿度信息的监测与报警装置，但是本系统还有很多可以继续改进的地方，例 如本系统在后续的设计中可以继续增加温湿度控制装置，通过添加温湿度控制单元实现对温室大棚内的升温、降 温、加湿、除湿等的操作，另外本系统还可以添加远程监控系统，通过远程的方式实现对大棚环境系统的监测和控 制。 通过本次毕业设计，自己不论是在专业知识上还是在对待学习的态度上都受益匪浅。这几个月做毕业设计，有 机会系统全面的应用大学期间学过的专业知识并且也锻炼了自学的能力。这次毕业设计，经过自己的不舍的努力， 。这些都给我的学习和成长的道路带来了很大的益处， 成功的通过了系统的硬件的和软件的设计，完成了设计要求 未来的日子里我将继续学习和了解该方面的知识，继续完善大棚温湿度监测系统的相关功能，帮助我国温室大棚行 业的发展
作者：王老师621
