单片机温湿度毕业设计

1、中工信商2014-XX16-本科毕业论文（设计） 基于单片机蔬菜大棚温湿度监测系统设计 系（部）信息工程系专 业自动化学 号201207022119学生姓名指导教师提交日期2014年5月26日摘要蔬菜大棚温湿度监测系统，是对蔬菜大棚内环境温湿度的实时监测。进行环境温湿度监测是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对检测到温湿度数据的分析，并结合蔬菜生长发育规律来进一步控制环境条件，使某些蔬菜在不适宜的反季中可获得比大棚外生长更优的环境条件，达到蔬菜优质、高效以及高产的栽培目的。本设计是基于STC12C5A60S2单片机的蔬菜大棚温湿度监控系统，采用DHT11作为温湿度传感器，使用LCD

2、 Nokia5110液晶屏进行温湿度数据实时显示，监测到的温湿度数据通过西门子TC35 GSM模块发送至上位机监测系统。同时，对整个监控系统设计原理和实现方法作详细介绍。关键字：STC12C5A60S2单片机，TC35，DHT11，温湿度监测AbstractVegetable greenhouse temperature and humidity monitoring system, it is for the real-time monitoring of environmental temperature and humidity in the vegetable greenhouses.

3、Of environmental temperature and humidity monitoring greenhouse production management is to realize the automation, the basic guarantee for the scientific, through the analysis of the temperature and humidity data detected, and combining the vegetable growth development pattern to further control th

4、e environment condition, make some vegetables in the season of inappropriate can obtain better than outside greenhouses growth environment conditions, purpose of vegetables of high quality, high efficiency and high yield cultivation.This design is based on STC12C5A60S2 MCU vegetable greenhouse tempe

5、rature and humidity control system, using DHT11 as temperature and humidity sensor, using Nokia5110 LCD real-time display of temperature and humidity data, monitoring the temperature and humidity data sent via Siemens TC35 GSM module first place machine monitoring system.At the same time, the whole

6、monitoring system design principle and implementation method in detail.Keywords：STC12C5A60S2MCU, TC35, DHT11, temperature and humidity monitoring目录摘要IAbstractII1 引言11.1 设计目的和意义11.2 选题背景及发展趋势11.3 研究的基本内容与拟解决的主要问题31.3.1 本设计主要研究内容31.3.2 本设计拟解决的主要问题32 温湿度监测系统方案设计52.1 温湿度监测系统设计52.2 温湿度监测系统设计指标要求52.3 温湿度系

7、统方案论证选择52.3.1 主控芯片方案选择52.3.2 传感器模块方案选择62.3.3 通信模块方案选择62.3.4 显示模块方案选择62.3.5 键盘模块方案选择73 温湿度监测系统硬件电路设计83.1 温湿度监测系统硬件结构总体研究83.2 单片机最小系统电路设计93.3 显示模块电路设计103.4 温湿度传感器电路设计113.5 时钟电路设计113.6 报警电路设计123.7 键盘电路设计133.8 串口通信电路设计133.8.1 TC35串口通信电路设计143.8.2 PC机串口通信电路设计143.9 系统电源电路设计154 温湿度监测系统软件设计164.1 温湿度监测系统软件结构总

8、体研究164.2 显示单元软件设计174.3 温湿度传感器单元软件设计184.4 通信单元软件设计214.4.1 通信协议设计214.4.2 TC35发送接收信息软件设计224.5 时钟单元软件设计234.6 键盘单元软件设计245 温湿度监测系统调试265.1 温湿度监测系统硬件装配265.1.1 温湿度监测系统硬件设计环境265.1.2 温湿度监测系统整机装配285.2 温湿度监测系统软件调试305.2.1 温湿度监测系统软件开发环境305.2.2 温湿度监测系统软件总调316 结论33参考文献34致谢35附录36附录一 蔬菜大棚温湿度监测系统原理图36附录二 蔬菜大棚温湿度监测系统软件源

9、程序37中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）1 引言 1.1 设计目的和意义随着农业产业规模不断扩大和大棚技术的不断普及，蔬菜大棚数量不断增多，温湿度控制是蔬菜大棚一个重要的控制环节。农作物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中会受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的两个指标是环境的温度和湿度。环境昼夜的湿度和温度变化较大，其对植物生长极其不利。因此必须对环境的温湿度进行实时监测和控制，使其适合农作物的生长，提高其质量和产量。温度太低，蔬菜就会被冻死，湿度太低，蔬菜就会停止生长，所以要将温度和湿度控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂一个温度计，由

10、人工读取温度值来调节大棚内的温度。如果仅依靠人工来控制，既耗人力，又容易出差错。现在随着农业产业规模的不断扩大，传统的温湿度监测控制措施表现出极大的局限性。因此在现代化的蔬菜大棚管理中，通常有温度湿度自动监测控制系统，来实时监测控制温室大棚温度湿度，适应生产需要。本次毕业设计了基于单片机STC 12C5A60S2和温湿度传感器DHT11采集数据的温湿度监测系统。 1.2 选题背景及发展趋势温室是一种可以改变植物生长环境、为农作物生长创造最佳条件、避免外界恶劣气候和四季变化对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其它不适宜陆地农作物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节

11、产期，促进农作物生长发育，防治病虫害及提高产量、质量等为目的。而温室设施的关键技术是环境监测和控制，该技术的最终目标是提高作业与控制精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展1。美国是最早发明计算机的国家，也是最早将计算机应用于温室管理和控制、最多的国家之一。美国拥有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机

12、主要用来对温室环境(气象环境和栽培环境)进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内水温、气温、土壤温度、管道温度、锅炉温度、保温幕状况、相对空气湿度、泵的工作状况、通窗状况、CO2浓度、Ec调节池与回流管数值、pH调节池与回流管数值；室外监控项目包括太阳辐射强度、大气温度、相对湿度、风向风速等。温室专家系统的应用给种植者带来了许多经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并积极的开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室1.2万多

13、平方米，占世界1/4以上，有85的温室用户使用计算机控制温室环境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出修正值曲线、设定参数曲线以及测量数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并可以直接对计算机串口进行设置，完成下位机与上位机之间的通信。上位机软件集信息显示、参数设置、控制监测等功能于一体，同时还能够很好地完成气候的控制、温室灌溉和管理。此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。网络技术、遥测技术、控制局域网已逐渐应用于温室管理和控制中2。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯

14、平台，用户可以在遥远的地方通过直观的图形化界面与这种分布式的控制系统通信，就像在现场操作一样，给人一种身临其境的感觉。从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历了三个发展阶段。（1）手动控制：这是在温室控制技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心，通过对温室内外的气候的状况和对农作物生长的状况进行观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接，最迅速且最有效的，它符合传统农业的生产

15、规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工业化农业的生产需要，而且对种植者的素质要求较高3。（2）自动控制：这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器实际的测量值与事先设定的参数进行比较，来决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行降温、通风和加温等操作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，同时劳动生产率也得到了提高。通过改变温室环境设定目标参数，可以自动的进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生产状况的改变难以及时做出反应3，难以介入作物生长的内在规律。目前国内绝大部分自主研发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种

16、控制方式。（3）智能化控制：这是温度自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结，收集农业领域知识、技术和各种实验数据构建专家系统，以建立作物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同农作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的生产进程，向着越来越先进的，功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型，温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展3。通过研究国内外的温室控制技术可以更深刻的理解毕业设计的具体设计思路和方法，可以在更短的时间内高效率完成毕业设计。 1.3 研究的基本内容与拟解决的主要问题 1.3

17、.1 本设计主要研究内容设计系统主要由单片机、温湿度传感器、显示模块、GSM通信模块以及键盘组成。用户可以先设定温湿度的上限和下限，温湿度传感器监测值传给单片机，当单片机监测到的数值超过所设定值时，单片机就会通过GSM模块向上位机发送当前温湿度值，并响应报警电路启动相对应的温湿度控制设备。系统自动启动执行调节大棚湿度和温度状态，直到温湿度状态处于用户所设定的值。如果有预置初值与当前状态不相等时，系统会触发报警装置，直到大棚温湿度值和用户所设值相等为止。其中下位机系统可以自动接收上位机发送过来的温湿度设定值信息，通过单片机解析所接收到的数据短信来修改当前设定值。下位机检测系统每小时向上位机发送一

18、次当前检测到的温湿度数据值，上位机收到下位机发送过来的数据信息时进行分析存储，并且描绘相应温湿度趋势线。在研究设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度。本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测环境的温度和湿度，并设定了这两个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警，而且同时驱动继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行。 1.3.2 本设计拟解决的主要问题植物的生长都是在一定的温湿度环境中的，蔬菜大棚为现代蔬菜种植提供了新的生产环境，并取得了良好的社会效益和经济。它可以提高产业化水

19、平，提高农民收入和提高抵御自然灾害能力，延长作物生长时间，提高作物产量。对于农作物来说，湿度和温度是两个非常重要的条件。所以能够监控温度和湿度对农业大棚的生产有着十分重要的意义。温度、湿度是农业生产的主要环境参数，对其进行适时准确的测量具有重要意义。温室温湿度测控系统是对温室环境因素（温度、湿度）进行相应地修正或调整，使植物生长处于最佳或相对最佳的生长环境条件中。而当今大多数对温室温度与湿度的控制采用人工管理，这不但大大增加了成本，浪费人力资源，而且很难达到希望的成效。在温室中，温度和湿度很大程度影响着植物的生长发育。适合的温湿度促进植物的生长发育，而不合适的温湿度不但对植物生长是不利的，还会

20、增加病虫害。温室是一个比较密闭的环境，其温湿度条件与露天有很大不同。长期密闭或灌溉不当可能造成温湿度的不当，从而对作物生长不利还会增加病虫害。随着传感器的发展,可以利用传感器将温度和相对湿度非电信号转化为相应的电信号,从而便于测控,这种方法省力、耗能小、准确,能在空气中温湿度不合理时采取相应的补救措施，解决了人工检测的不准确性和经验性。592 温湿度监测系统方案设计 2.1 温湿度监测系统设计在现实生活中，温度和湿度的测量在纺织工业、农业、化工、林业、各种军用、民用库房以及气象和模拟人工气侯环境中都有着广泛的应用。因此能否有效地对这些领域的环境温度和湿度进行实时监测，是一个必须解决的重要课题。

21、采用适宜的温度、湿度传感器构成监测系统装置是一种较好的解决方案。为此，利用适当的控制单元设计一个温湿度监测系统来对蔬菜大棚温湿度进行实时监测，其基本结构如图2-1所示。图 2-1 系统结构图 2.2 温湿度监测系统设计指标要求蔬菜大棚温湿度监测系统设计指标具体要求有一下几点：（1）检测范围：湿度范围为2090%RH，温度范围为0+50；（2）检测精度：湿度测量精度可达±5%，温度测量精度可达±2；（3）实时显示功能，有过限报警功能，有温湿度上下限报警设定功能；（4）基于GSM模块数据信息实时传输，能够实现与上位机串行通信功能。 2.3 温湿度系统方案论证选择 2.3.1 主

22、控芯片方案选择方案一：采用FPGA。FPGA（现场可编程门阵列）是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，它是当今研究的热门领域。但其性价比低，引脚太多外围电路太复杂，不适合手工焊接。方案二：采用PLC作为主控制器。使用PLC的最大优点在于PLC使用梯形图进行编程，编程语言形象直观，难度较低，因此开发周期短，便于扩展。而且PLC抗干扰能力强，工作稳定可靠，这一点已被长期的工业控制实践所证明。虽编程简单方便，但其灵活性相比C语言较差，价格方面比较昂贵。方案三：采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器。单片机可以用C语言进行编程，由于它支持ISP在线编程，因此可以通过RS232串口将程序

23、烧录到单片机中，十分方便。温湿度传感器DHT11通过单总线与单片机连接。编程灵活方便，价格低廉。综合以上三种方案，选择方案三，采用STC12C5A60S2单片机作为主控模块。 2.3.2 传感器模块方案选择方案一：采用分立温湿度传感器。分别采用温度传感器和湿度传感器，致使外围电路复杂，且采集数据和分析数据较为复杂，给程序带来不必要的麻烦。方案二：采用温湿度一体传感器。DHT11温湿度传感器集成了温度和湿度两个传感器，采用单总线设计，外围接口电路简单，采集信号为数字量误差较小，无需外加A/D转换电路且程序编写时容易分析。综合以上两种方案，选择方案二，采用DHT11温湿度传感器。 2.3.3 通信

24、模块方案选择方案一：采用红外收发模块。红外收发模块安装简单，价格便宜。但信息编码相对较为复杂，信息传输距离较短，飞鸟、动物、温度、光线、空气流动、雾气、雨雪等环境因素以及安装方式、角度、位置等因素都容易引发误报。方案二：采用蓝牙收发模块。蓝牙模块传输速率高，功耗低、通讯安全性好，支持语音传输，价格低廉且组网简单方便。但其容易受温度湿度等环境因素影响，传输距离较短穿越障碍物能力差。方案三：采用GSM模块。西门子TC35是工业级的GSM模块，技术成熟功能强大，编程方便稳定，在有蜂窝网的情况下不受距离限制，可与上位机、用户等多个终端通信。综合以上三个方案，选择方案三，采用西门子TC35GSM模块作为

25、通信模块。 2.3.4 显示模块方案选择方案一：采用数码管显示。价格虽便宜，但由于本设计需要显示温湿度信息，采用数码管无法显示。方案二：采用8位LED点阵显示。LED点阵显示虽然能显示字符和数字，但显示效果不好，且不易编程。方案三：采用LCD显示。Nokia5110LCD不但能显示字符和数字，而且还能显示中文汉字，显示效果较好，外围电路及接口简单，容易编程实现。综合以上三种方案，选择方案三，采用Nokia5110LCD作为显示模块。 2.3.5 键盘模块方案选择方案一：采用矩阵按键。按键数较多适合较复杂的输入系统，且外围电路焊接复杂。而本设计无需太多按键。方案二：采用独立按键。外围电路较简单，

26、容易编程，价格低廉。综合以上两种方案，选择方案二，采用独立按键模块。3 温湿度监测系统硬件电路设计 3.1 温湿度监测系统硬件结构总体研究硬件电路是蔬菜大棚温湿度监测系统的核心器件，是整个系统的灵魂载体，硬件和软件相辅相成构成一个完整的系统。整个系统系统的好坏有一大部分取决于硬件电路，若是硬件电路选材设计不合理或者配置低，往往会约束软件开发的丰富性或是增加开发难度，因此系统硬件结构电路设计开发有一定的难度，比如模拟电路和数字电路之间的共地问题，系统硬件电路热电区的保护措施，PCB板设计时添加抗干扰功能等等，都要考虑周全面面俱到。蔬菜温湿度监测系统总体硬件电路选材已在第二章中详细论述到，接下来是

27、再次围绕系统所要实现的功能设计各模块电路，无缝的结合到一起就构成系统整体电路。本次毕业设计整体是以温湿度为研究设计核心，结合本科两年所学的课程综合自身所学知识进行设计的。系统硬件电路设计涉及到电子技术中最基础的知识模电和数电知识，实用电源设计，单片机基础与运用以及Altium Designer 13应用设计等。系统整体实现原理框图如图3-1所示，通过单片机读取温湿度传感器采集回的数据，实时显示到LCD屏幕上，可以在系统监测室设置温湿度报警限值，再通过相应的算法分析传感器采集回的温湿度数据是否超出限值报警，每隔一个小时单片机把采集到的数据通过GSM模块发送给上位机软件进行实时监测，同时下位机软件

28、有能力接收到上位机设置的温湿度限值进行有关内存单元数据的修改，最终实现蔬菜大棚温湿度实时监测功能。图3-1 系统整体实现原理框图 3.2 单片机最小系统电路设计单片机最小系统是指能维持单片机运行的最简单配置的应用系统，其中单片机最小系统包括单片机、电源电路、时钟电路和复位电路，本设计采用宏晶科技出品MCS-51内核的STC12C5A60S2单片机，单片机集成功能比一般8位单片机强大，多样的外围电路设计，如图3-2所示。图3-2 单片机最小系统电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系，单片机在时钟信号的节拍下逐条地执行指令。单片机有两种时钟信号

29、产生方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。外部时钟方式是把已有的时钟信号从XTAL1或XTAL2送入单片机，一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用内部时钟方式，选用11.0592MHz的晶振和两个22pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器，如图3-3所示。图3-3 单片机晶振电路复位是通过某种方式使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，让PC指向0000H，这样单片机才能从头运行程序。单片机的复位主要有上电复位和手动复位，因此上电的时候就要让单片机复位一次。在运行过程中，如果程序出错，可以进行手动复位。本设计中的复位电路就是

30、采用按键复位电路，该电路还具有上电复位功能。复位时要让STC12C5A60S2的RST引脚得到2个机器周期以上的高电平。上电复位是利用电容充电来实现的，由于电容两端的电压不能突变，上电瞬间RST端的电位与Vcc相同，随着充电的进行，RST的电位下降，最后被钳位在0V，只要保证加在RST引脚上的高电平持续时间大于2个机器周期，便能正常复位。单片机在程序运行过程中如果跑飞了、程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，就需要用到手动复位，只需将按钮按下，此时电源Vcc经电阻R4分压，在RST端产生一个复位高电平，如图3-4所示。图3-4 单片机复位电路 3.3 显示模块电路设计显示电路是将单片机对

31、温湿度传感器采集的温湿度分析后实时显示。利用Nokia5110手机上的屏幕设计的显示电路，使用的拆机LCD屏幕内置PHILIPS PCD8544驱动芯片，其通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议。可以显示15个汉字，30个字符。显示模块外围电路简单，只有五个数据接口，不会浪费单片机I/O口资源，如图3-5所示。图3-5 系统LCD显示电路 3.4 温湿度传感器电路设计温湿度传感器是本设计中的核心传感器，都是围绕温湿度测量展开设计的，本设计中采用数字式温湿度传感器DHT11。设计采用的DHT11传感器内含有已经校准的数字信号输出温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传

32、感分析技术，确保传感器具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个NTC测温元件和一个电阻式测湿元件，并与一个8位MCU相连，本设计中采用三个相同的温湿度传感器构成多点监测电路，如图3-6所示。图3-6 系统温湿度传感器电路 3.5 时钟电路设计时间在本设计中有较为深刻的意义，无论在系统时间显示上，还是在通过对时间的判断来处理温湿度数据上都起着至关重要的作用。本设计中采用美国DALLAS公司推出的一种高性能低功耗实时时钟芯片DS1307，它是一款I2C总线接口的时钟日历芯片采用两线与单片机进行通信，片内含有8个特殊功能寄存器和56Bit的SRAM。具有时、分、秒、年、月、日、星期的计数功

33、能，并且有12小时制和24小时制的计数模式，可自动调整每月天数和闰年调整功能，并且具有掉电自动保护和上电复位功能。时钟电路如图3-7所示，Y1为外接32.768KHz晶振，为时钟芯片提供计时脉冲；BT1为时钟芯片外接备用电池，防止掉电时间数据丢失；其中R1、R2为I2C总线上的上拉电阻；DS1307时钟芯片第7引脚接到单片机INT1外部中断1引脚上，每秒都会触发外部中断1，方便时间数据的读取；同时在第三引脚和地线之间加入了3V的纽扣电池，避免了主电源在掉电后时间数据复位丢失。图3-7 系统时钟电路 3.6 报警电路设计当蔬菜大棚内的温湿度超过上下限时，除了需要启动温湿度调节器之外，还需要进行报

34、警，这里用到的是蜂鸣器。蜂鸣器是一种采用一体化结构的电子器件，分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器由于内部集成了振荡源，所以使用直流电压就可以驱动它鸣叫；无源蜂鸣器内部没有振荡源，因此一般使用2K5K方波来驱动。本设计中使用的是有源蜂鸣器，在它两端加载5V的直流电压就可以使之鸣叫。报警电路设计如图3-8所示，蜂鸣器工作电流一般为10mA，而单片机的I/O口只能承受几毫安的电流，因此需要加三极管进行驱动。由直流电压来供电，采用PNP型8550三极管驱动，单片机的I/O口中的P1.5经1K电阻接三极管的基极，当P1.5为低电平时，三极管导通，5V的电压加载到蜂鸣器两端，于是蜂鸣器鸣叫；当P1.5

35、高电平时，三极管截至，蜂鸣器不鸣叫。图3-8 系统报警电路 3.7 键盘电路设计键盘分为编码式和非编码式键盘。其中，非编码式键盘又包括矩阵式键盘和独立式键盘。矩阵式键盘较为复杂，一般用于按键数目较多，而单片机可用的I/O口又比较有限时。本设计中只需要用到4个按键，数目较少，并且可用的I/O口充足，采用了独立式键盘，一个按键对应一个单片机的I/O口管脚。按键设计采用的是无锁按键，用来控制程序中各个标志位的改变，以供调用子程序，设计相对简单。单片机上电后所有I/0口均为高电平，故当检测到低电平的时候单片机就会相应的做出动作。本设计共用到4个按键，它们用来改变设定时间值和温湿度报警限值，从S3到S6

36、分别控制温湿度上下限值设置、数值减、数值加、时间设定。为方便程序编写，在键盘电路中加上一个四输入与门数字芯片接到单片机INT0外部中断0引脚上，当有按键按下时，数字芯片输出端为低电平触发单片机外部中断，其原理图如图3-9所示。图3-9 系统键盘电路 3.8 串口通信电路设计串口通信可分为同步通信和异步通信，在单片机的应用系统中，主要是采用异步串行通信。在设计通信接口时，应该采用标准接口，这样才能够方便而又准确的把单片机和外设有机的连接起来，从而能形成一个监测系统，目前异步串口通信标准有RS一232、RS一422、RS一485标准。本设计中采用RS-232异步串口通信标准，由于本设计中需要和GS

37、M模块串口通信，向单片机下载程序时需要和PC机通信，故在电路中加入了转换开关电路如图3-10所示，GRXD和GTXD代表GSM模块上的串行接口，MRXD和MTXD代表单片机上的串行接口，具体接口在一下两节详细阐述。图3-10 系统串行接口转换电路 3.8.1 TC35串口通信电路设计TC35串口通信主要设计内容是单片机与TC35通信接口电路，由于采购的TC35 GSM模块已经设计好与外围其它设备通信的串口电路，所以在设计中时只考虑单片机的串口通信电路即可，在设计完成时只需用一根4pin数据线连接即可。 3.8.2 PC机串口通信电路设计PC机串口通信主要是设计内容是单片机与PC机通信接口电路，

38、系统设计里用到的是美信公司生产的MAX232芯片，其内部有一个电源电压变换器，能够把输入的+5V电压变换为RS232输出电平所需的+10V 电压，采用此芯片接口的串行通信系统值需要接+5V电压即可。MAX232芯片中有两组电平转换的引脚，我们这里只需使用其中一组。打头的字母“T”表示TTL电平，“R”表示RS232电平。R1IN和R2IN表示输入RS232电平，因此与电脑的串口相连；T1IN和T2IN表示输入TTL电平，因此与单片机相连。所以，引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTLCMOS电平的引脚，引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS232电平的引脚，电路

39、设计如图3-11所示。图3-11 系统PC机串行通信接口电路 3.9 系统电源电路设计本系统设计所需要的工作电压为+5V直流电源，在系统电源电路设计中选用了LM2596ADJ开关电压调节器。LM2596ADJ开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性特性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元器件。该器件仅需要4个外接元器件，可以采用通用的标准电感，更加优化了LM2596ADJ的使用，极大程度上的简化了开关电源的设计。并且在特定的输入电压和输出负载的条件下，LM2

40、596的输出电压误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差保证在±15%的范围内，可以仅用80的待机电流实现外部断电，具有外部保护电路，一个两级降频限流保护电路和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路。固定版本输出有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。系统设计选用后者，这样可以给系统提供一个相对较宽泛的直流电压。在本系统设计中输入直流12V电压，经过LM2596ADJ开关电压调节器稳压后，调节精密电位器R16输出系统需要的+5V工作电压,其电压调节原理公式如公式（3-1）所示。（3-1）系统额定工作电压为5V，因此在调整完毕输出电压值后可以用电位器

41、固定红胶加以固定，使电源电路输出更加稳定的电压供系统使用，系统电源电路原理图如图3-12所示。图3-12 系统电源电路4 温湿度监测系统软件设计系统软件号称整个系统的灵魂，也是整个系统的软黄金部分，没有软件的完美匹配就不会体现系统的价值所在，只有它的存在才能赋予系统生命，可想而知软件编程在整个系统中占有举足轻重的地位。 4.1 温湿度监测系统软件结构总体研究本系统软件设计采用C语言编写，主要通过STC12C5A60S2单片机对DHT11温湿度传感器采集来的温度进行处理分析，送给Nokia5110 LCD屏幕显示，若超过限制则触发报警电路并通过西门子TC35 GSM模块向上位机发送报警的温湿度数

42、据，否则每小时向上位机发送一次数据。时间上的信息判断，由时钟芯片DS1307来提供，程序中设置时钟芯片特殊寄存器07H单元的方波信号输出功能，使芯片的第7引脚输出1Hz的方波，接到单片机外部中断1引脚上，即每秒触发一次中断，在中断服务程序中进行时间信息的读取、判断。系统整体流程图如图4-1所示。图4-1 系统软件流程图 4.2 显示单元软件设计显示单元是整个系统的心灵窗户，是人机对话最直观的窗口。Nokia5110 LCD屏幕的通信协议时一个没有输出只有输入的SPI协议，在系统显示单元设计时，无需利用硬件SPI，只需要软件程序模拟即可。编程时首先要给LCD复位，使LCD的控制参数为初始状态，再

43、对LCD进行初始化功能设定（如关显示屏、设置为扩充指令模式、设置电压、温度校正、显示字符模式选择、设置为基本指令、设置显示模式、清屏、开显示屏），因为接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。当VDD变为高电平，达到VDDmin(或更高)之后，最多100ms RST输入低电平(电平幅度<0.3VDD)，其初始化时序如图4-2所示。接着就可以进行对LCD写入要显示的字符了，Nokia5110 LCD屏幕写数据/命令时序如图4-3所示。图4-2 Nokia5110 LCD复位时序图4-3 SPI串行总线协议传送一个字节显示单元软件设计流程图如图4-4

44、所示。图4-4 显示单元程序流程图 4.3 温湿度传感器单元软件设计温湿度传感器作为系统设计的核心部分，系统设计采用三个DHT11温湿度传感器，巡回监测蔬菜大棚的温湿度。DHT11传感器是通过奥松电子有限公司开发的单总线协议和上位机进行数据通信。温湿度传感器需要严格的读写协议来确保数据的完整性。整个读写分为，上位机发送起始信号，上位机接收下位机发来的握手信号，读0，和读1四个步骤，所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由DHT11产生。通过单总线访问DHT11顺序归纳如下：（1）主机发开始信号；（2）主机等待接收DHT11响应信号；（3）主机连续接收40Bit的数据和校验和；（4）数据处理。用

45、户主机发送一次开始信号（低电平）DHT从低速模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束（拉高）后，DHT发送响应信号，送出40Bit的数据，并触发一次信号采集，用户可以选择读取DHT部分数据。总线的空闲状态为高电平，主机把总线电位拉低后等待DHT响应，主机把总线拉低必须大于18mS，保证DHT能监测到起始信号，这也是单片机能从DHT中读出正确数据的关键2。DHT接收到主机的开始信号后，等主机开始信号结束后，DHT发送低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40uS，读取DHT的回应信号，主机发送开始信号后，可以将其切换到输入模式，或者可以输出高电平，总线由上拉电阻拉高电位其复位时序

46、如图4-5所示。图4-5 DHT11复位时序图单片机作为主机，发送开始信号后，延时等待20uS-40uS后读取DHT的回应信号，读取总线为低电平，说明DHT发送响应信号，DHT发送响应信号后，再把总线拉高，准备发送数据，每一位数据都以低电平开始，读DHT数据流程如图4-6所示。图4-6 读DHT11数据流程图数字0表示方法为，首先DHT把总线拉低12-12uS然后拉高，高电平保持时间在26-28uS这个范围内，则此比特位0电平，信号0时序图如图4-7所示。图4-7 数字0时序图数字1表示方法为首先DHT把总线拉低12-14uS然后拉高，高电平保持时间在116-118uS这个范围内，则此比特位1

47、电平，信号1时序图如图4-8所示。图4-8 数字1时序图系统中涉及到三个温湿度传感器的数据采集，对应每一个传感器的编程思路如上述所示，其软件设计流程图如图4-9所示。图4-9 温湿度采集程序流程图 4.4 通信单元软件设计 4.4.1 通信协议设计TC35 GSM模块作为本系统的“外交官”，发挥着至关重要的作用，它对外和对内都需要有一系列的通信协议。在本设计中，下位机和上位机通信时需要将每个节点的温度湿度及二者的限值发给上位机，则通信协议为：&节点A当前温度+温度限值+当前湿度+湿度限值#节点B当前温度+温度限值+当前湿度+湿度限值#节点C当前温度+温度限值+当前湿度+湿度限值%；上位

48、机和下位机通信时只将各节点设置的限值发给下位机，下位机解析收到的数据信息，将相关限值数据存储单元的内容进行修改就可以了，则通信协议为：&节点A温度限值+湿度限值#节点B温度限值+湿度限值#节点C温度限值+湿度限值%。通信协议中，所有数据类型均为无符号字符型，下位机接收到数据信息解析后，需要合并数据统一确定系统限值的大小。“&”符号作为协议中的起始符，是滤除非上位机发送的数据信息的关键，当下位机判断有新信息时首先判断第一个字符是否为“&”，是的话才会解析信息中的数据，否则删除此条信息，保证收到的新信息永远存放在SIM卡中的第一个位置；“#”符号仅用来标记分割数据的位置，下

49、位机对此没过多要求；“%”符号为结束字符判断数据信息是否结束。上位机也是如此不再过多敖述。 4.4.2 TC35发送接收信息软件设计通信单元主要是西门子TC35 GSM模块的软件控制和系统数据处理发送装置。单片机是通过串口和TC35进行通信的，TC35使用相对应的AT指令来发送或者接收数据，因此在软件设计时需要对单片机的串口和TC35进行初始化。编程思路为，系统在上电时要对单片机串口和TC35进行初始化，如单片机串口波特率设置，串行中断开启，TC35和单片机握手连接，设置短信接收模式等。每当在温湿度传感器将数据采集完毕时将相关数据信息存入对应的发送字符串中，然后按照每小时、温湿度报警时将温湿度

50、和限值数据发送给上位机，其软件设计流程图如图4-10所示。图4-10 TC35串口通信程序流程图 4.5 时钟单元软件设计蔬菜温湿度大棚中引入时钟芯片，赋予了系统苛刻的时间观念，系统软件设计上更得体现时间性。时钟芯片选用DS1307，在I2C总线上是从器件，地址固定为“11010000”。写操作时，被控接收模式主控器件按图4-11所示顺序将数据写入到DS1307寄存器或内部RAM中。图4-11 单片机对DS1307写时序（1）START信号；（2）写地址+W（0xd0）字节，DS1307发出应答信号（ACK）；（3）写1字节的内存地址，DS1307时钟芯片应答；（4）写数据，可以写多个字节，每

51、当一字节数据写入后DS1307内部地址指针加一，DS1307时钟芯片应答；（5）STOP信号。读操作时，被控发送模式主控器件按图4-12所示顺序将DS1307寄存器或内部RAM数据读取。图4-12 单片机对DS1307写时序（1）START信号；（2）写地址+W（0xd1）字节，DS1307发出应答信号（ACK）；（3）读数据，可以读多个字节，读取数据的DS1307内部地址由上次写操作或读操作决定，读取每一字节数据DS1307内部地址计数器自动加一，主器件应答，读取最后一字节时主器件回应NACK信号（不应答）；（4）STOP信号。根据上述读写操作顺序，按照绘制如图4-13所示的程序流程图进行软

52、件程序设计。图4-13 DS1307读写时间程序流程图 4.6 键盘单元软件设计在系统设计中用到了四个无锁按键，分别对应时间设置、数据加、数据减和温湿度设置。系统硬件电路设计时上加上了双四输入与门数字芯片，这样是为节省单片机运行内存和方便程序编写，如果在程序主函数中不方便加入键盘扫描子函数，可以在外部中断服务程序中编写键盘扫描程序，本系统设计中键盘扫描判断程序在主函数程序总实现。键盘扫描程序流程图如图4-14所示，由于未设置确定按键，会出现按键逻辑混乱现象，所以在键盘扫描程序中设置相对应的标志位来互锁对应的按键，比如在时间设置按键按下时，不希望温湿度设置按键按下有响应，因此也加入标志位来互相限

53、制。除此之外还有按键消抖处理，消除按键在按下时的高频抖动防止程序跑飞出现错误。图4-14 键盘扫描程序软件5 温湿度监测系统调试温湿度监测系统调试包括系统硬件装配和系统软件调试，设计内容涉及到硬件和软件的设计开发环境，详细内容在一下两节中具体阐述。 5.1 温湿度监测系统硬件装配温湿度监测系统硬件调试包括制定系统设计内容整体结构、元器件选型、系统硬件电路原理图设计、系统硬件电路PCB设计及元器件焊接整机测试。其中系统原理图设计最为关键，它的设计与否直接关系到系统性能好坏。电路原理图用于将该电路所用的各种元器件用规定的符号表示出来，并用连线画出他们之间的连接情况，在各元器件旁边还要注明其规格、型

54、号和参数。 5.1.1 温湿度监测系统硬件设计环境本系统电路原理图和PCB图是利用澳大利亚Altium公司研发的Altium Designer13计算机辅助设计软件来进行设计的，如图5-1所示。图5-1 硬件电路开发软件硬件设计流程如下所描述：首先，创建系统PCB工程、原理图、PCB图、加载元器件库、加载元器件封装库，如图5-2所示；图5-2 系统原理图文件然后，在原理图工作区绘制原理图，原理图绘制完毕时，为每个元器件添加标号和加载封装，如图5-3所示；图5-3 元器件添加封装其次，将加载完封装后的原理图导入PCB，对元器件进行合理布局后并按照相应的电气规则手动完成PCB布线和处理好PCB板细

55、节问题（如顶层、底层覆铜，焊盘添加泪滴等），2D效果如图5-4所示，3D效果如图5-5所示；图5-4 PCB 2D效果图图5-5 PCB 3D效果图最后，导出系统电路原理图文件、BOM表、网络表、PCB图文件、光绘文件。在系统硬件电路设计完成后，将光绘文件发送至PCB生产厂家进行生产制作，系统PCB制作后的实物图如图5-6所示。图5-6 PCB制作完成实物 5.1.2 温湿度监测系统整机装配温湿度监测系统整机装配是在PCB板制作完成后进行元器件焊接总装的一个过程，由于系统电路设计多采用标贴器件，所以在焊接上带来了部分难度。焊接时有规范的技巧和顺序，本设计中含有0805封装的标贴发光二极管，体积

56、大小如同芝麻粒，焊接时必须防止静电击穿，焊接时用到的工具有静电恒温烙铁、电镊子、热风枪、助焊剂、焊锡丝、偏口钳，焊接现场如图5-7所示。图5-7 系统电路板焊接现场功夫不负有心人，焊接完成的硬件电路如图5-8所示，焊接完成后用放大镜检查各焊盘，以防虚焊、漏焊、脱焊，最终按照系统电路原理图利用数字万用表检验重要器件电路正确与否。图5-8 系统电路板焊接装配完成实物 5.2 温湿度监测系统软件调试系统设计到这里算是进入最后一道程序，也是至关重要的一步，是给予硬件灵魂的关键。软件调试分为开发环境选择和软件编写完成后的总调，需要软硬件完美匹配，在一下两小节中对软件调试作详细说明。 5.2.1 温湿度监测系统软件开发环境温湿度监测系统软件开发环境采用美国Keil Software公司研发的Keil Vision4软件如图5-9所示，软件功能强大完美开发C51内核的单片机。图5-9 系统软件开发环境本系统软件采用模块化编程设计，设计过程中更方便功能函数调用，但变量设置较为苛刻，入口、出口参数必须准确定义。软件设计流程如下所示：首先，创建系统软件工程，选择开发的芯片，创建个