基于单片机的温室环境控制系统

基于单片机的温室环境控制系统摘要随着社会的不断发展，我国的农业大国地位逐渐稳固，在农业的研究和应用当中也投入了大量的资源，目前对温室环境的控制系统研究成了农业当中重要的组成部分，温室环境的研究对于提高农作物的产量有着十分重要的意义。本篇主要是基于单片机研究了温室控制系统。在本文的设计当中主要用到了STC89C52单片机以及DS18B20数字温度传感器，深刻分析了核心的控制元件，并对其进行了设计，而且介绍了各部分的电路，经过反复的模拟以及调试，最后完成了完备的程序系统。关键词：单片机，温度传感器，温室环境，控制系统

目录TOC\o"1-3"\h\u19367摘要 Ⅰ6476第1章引言 Ⅱ33581.1研究背景 第1章引言1.1研究背景在农业环境的研究当中，一些重要的因素严重的影响到了农作物的生长和发育，比如空气的湿度，温度，光照强度以及空气中的有害气体含量等等。为了保障农作物的正常生长，有必要对环境条件进行及时的监控和预测，使得农作物能够有较高的产量。在传统的温度控制当中采用的是人工测量的方法，但是这种方法非常耗时耗力，而且不利于大规模的进行，测量的误差较大，所以为了弥补这些缺点，自动温室环境控制系统就由此而生。1.2研究目的及意义在本文的设计当中，主要是以STC89C52单片机为控制核心，利用DS18B20温度传感器对温室内的各个指标进行及时准确地测量，将数据传输给STC89C52单片机当中，由STC89C52单片机内部的程序对各个数据进行处理，最终显示在屏幕上。这样可以有效地减少人工测量中成本高，随意性强的特点，所测得的数据更具准确性和权威性，同时能够对环境进行实时的测量，保障研究者能够及时的了解农作物生长环境产生的变化。1.3国内发展现状在我国，由于对单片机的无线温室环境监测系统的研究起步较晚，所以一直到1970年我国的农业发展还保持在人工工作的时段，直到改革开放以后，我国才开始对农业大力发展，经过了长达20多年的进展，我国的农业温室大棚已经取得了相当令人瞩目的成绩，然而大部分的工作却还是依赖人力进行。而且由于我国的农民文化程度不高，所以在农业方面推广科学技术变得更加困难。总而言之，在我国的农业温室环境系统监测的工作当中，与国外的差距非常大，需要引起国家的重视。第2章系统硬件部分设计2.1总体设计方案图2.1温室环境控制系统总体设计方案2.2电源电路的设计图2.2电源电路的设计2.3数据采集部分设计2.3.1温度测量模块设计在本文的温度测量模块设计当中主要采用了DS18B20数字温度传感器，因为它的操作比较简单，而且能够及时的将数据传送给单片机，对空气中的温度也能够进行及时的测量。DS18B20数字温度计体积较小，线路简单，只要有一个端口就可以进行通信。DS18B20数字温度计的每一个元器件都是独特的，而且在实际的应用当中不需要依赖别的外部硬件，同时DS18B20数字温度计测量的温度范围十分广泛，内部还设有上下限报警装置。下图是DS18B20的管脚图：图2.3DS18B20管脚封装图图2.4DS18B20温度传感器2.3.2湿度传感器在本文的设计当中，湿度传感器主要利用的是SHTxx系列的数字湿度传感器，这种传感器的稳定性非常高，并且对湿度和温度的测量都有着十分高的精确性，不需要外部的元器件，功率消耗非常低。在一个芯片当中集成温度传感器，湿度传感器以及串行数字接口电路会使得芯片拥有较好的信号质量，反应较快，不会轻易的受到外部因素的影响。如下图是湿度传感器。图2.5湿度传感器2.3.3光照强度电路设计由于在毕业设计当中时间和投入的精力有限，并且没有足够的经费成本来支持我们采用光照强度传感器，因此在本文的设计当中主要选择了利用光敏电阻替代光照强度传感器，因为它具有操作简便且成本较低的特点。而且利用光敏电阻收集到的数据是模拟的，因此需要对这些数据以及信号进行及时的转换，在转换的过程当中，本文主要选择了ADC0832来将虚拟信号转换为数字。光敏电阻的主要工作流程是收集虚拟信号，利用ADC0832将虚拟信号转换为数字，将数据传送给单片机，由单片机的数据处理程序将信号自动的分成五个等级，从第五等级开始依次递减。图2.6光照采集电路2.4单片机处理系统在设计完传感器收集环境中的温度以及湿度和光照强度的数据之后，就要将这些数据传送给单片机，让单片机利用中断的手法处理这些信息，最终进行显示。在单片机当中要设计一个最小系统，以便能够在MCS-52基础之上充分的扩展，使它能够在整个系统当中得到充分的应用。不但操作起来十分简单并且灵活性强，同时还可以有效的改善被测试的目标，从而可以帮助产品的质量和数量都得到有效的提升。下图是STC89C52单片机的最小系统以及STC89C52单片机的具体特征。图2.7STC89C52单片机的最小系统图2.8STC89C52单片机的具体特征。2.5无线数据传输模块本文在设计无线数据传输模块的过程当中，主要列举了两种设计方案。方案一：利用红外线发射机和接收机正常工作，在利用窄角度红外线发射关的时候，要保障遥控距离超过八米，角度低于30度。但是利用这种方案的主要缺陷就是拥有比较差的稳定性，同时还容易受到外界其他因素的影响，比如连续光源。方案二：利用TX315系列模块电路主要包含RF、DATA、TF等高频、中频、数字处理电路。这样可以将收发电路变得更加简便，同时还可以在无线遥控、数据传输、自动抄表系统以及无线键盘操作系统、警戒系统当中得到充分的应用。TX315A组成部分主要包括TX315A-T01发射组件以及TX315A-R01接收组件，因为两者在频率方面是保持一致的，所以在使用的过程当中可以根据实际的需求任意的增加或减少发射仪器接收组件。方案二相比于方案一来说稳定性较强，同时也避免了容易受到其他因素干扰的影响，在成本方面也有着合适的成本，所以综上所述在本文的设计当中主要选择了TX315系列的nRF24L01。图2.9NRF24L01无线传输模块图2.10NRF24L01无线传输模块电路图2.6液晶显示模块在本文的设计当中，主要利用LCD显示屏作为整个系统的显示页面，具体的型号是LCD1602，如下表是其主要参数数据：表2.1LCD1602主要参数显示容量16x2个字符模块最佳工作电压5.0V工作电压4.8~5.2V字符尺寸4.95X7.95mm工作电流2.0mA工作温度0~+50摄氏度背光源颜色黄绿储存温度-20+70摄氏度背光源电流<150mA表2.2LCD1602接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1D7DataI/O9E使能信号2D6DataI/O10R/W读写控制信号（H/L）3D5DataI/O11RS数据/命令选择端（H/L）4D4DataI/O12V0LCD偏压输入5D3DataI/O13VDD电源正极6D2DataI/O14VSS电源地7D1DataI/O15BLA背光源正极8D0DataI/O16BLK背光源负极2.7PROTEL99制版根据上文所设计的系统，硬件电路要用软件画出原理图并且生成pcb板，利用PROTEL99软件可以轻松的将电路的原理图、元件图以及电路板图电路仿真设计出来。本文主要利用PROTEL99软件绘制电路原理图以及印制电路板，主要有以下几个步骤：首先先设置整个原理图的设计环境，其次将电子元件放置在图纸之上，原件不需要用导线连接，而且在连接的过程当中要注意电气规则。其次就是编辑软件的属性，主要考虑的元素有元件名，参数以及封装图等等，将元件和导线的位置进行适当的调整。然后利用电气规则功能将原理图中的链接方式进行及时的检查，并且要上交检查报告，一旦发现错误就要及时的纠正。最后生成网络表，指的是连接元件名、封装以及参数和元件之间的表，通过这个表可以明确原件以及他们之间的关系。设计PCB板主要由以下几个环节：首先就是要利用墓园地图编辑器设计整个原理图，并且要进行电气监察，生成原理图网络表。在PCB环境当中，要想更加精确地确定每个电路板的层数以及尺寸等参数，需要利用电路向导确定。打开design菜单条路网络表，这里可以显示出元件封装当中不规范的环节，要进行及时的修正，直到不会出现错误，才可以将元器件导入到PCB板中。然后是将每个元件采用人工布置或者是自动布置的方式分布在电路板上。最后是完成参数设置的工作，例如孔径大小，安全距离等等。以上工作完成之后就可以进行焊接，在焊接的过程当中要保障焊点接触良好，特别要避免出现虚焊和短接的情况。其次要保证焊点有足够的机械强度，才不会滑落。焊点要尽量美观，有光泽。

第3章系统软件部分设计3.1系统总流程图图3.1系统总流程图单片机接通电源之后，温度传感器、湿度传感器以及光敏电阻就可以及时地收集环境当中的温度、湿度以及光照强度等信息，并且将这些信息利用无线传输将其传送到上位机中，最后在液晶屏幕中显示，液晶屏显示的就是当前的环境温度、湿度和光照强度，倘若要按复位键就需要调用复位子程序，否则除非断开电源，不然液晶屏的状态一直是显示当前环境温度、湿度以及光照强度的状态3.2数据采集及无线传输流程图图3.2数据采集及无线传输流程图图3.3光照强度采集流程图以上是数据采集的流程图，需要对环境中的温湿度和光照强度进行数据采集，并且完成数据的无线发送任务。利用DS18B20温度传感器与STC89C52单片机相联，可以将采集到的数据信息输入到STC89C52单片机当中，利用STC89C52单片机进行数据的处理。光照强度的信息采集是由光敏电阻完成的，但是光敏电阻所收集到的信息数据是模拟信号，需要对虚拟信号进行转化，将其转换为数字，然后再将数据传输给STC89C52单片机处理，才能够保障数据最后能在液晶屏中显示出来。图3.4无线发送模块流程图无线发送模块是把传感器当中所收集到的数据发送给上位机中的无线模块，从而可以实现远程无线传输的作用。图3.5无线接收模块流程图无线接收模块是用来接受下位机无线模块当中传输过来的数据，将其在显示屏中显示，这样可以使得管理者能够通过远程监控系统观测到环境的各种信息。3.3液晶显示流程图图3.6液晶显示流程图LCD液晶显示模块是整个程序当中的最后一个环节，也是实现人机交互的环节。要想帮助人们的操作更加简便，就必须要有一个直观显示的液晶屏幕。在本文的设计当中使用的是LCD1602液晶显示屏，他只有在外界有光强的情况之下才能显示。第4章系统调试结果总结与展望一、总结本文设计了能耗较低，操作起来简单，并且能够实现远程通讯的一种无线温室环境监测系统。在实验的过程当中，不仅要考虑到温度、湿度以及光照强度的因素之外，还要考虑如二氧化碳等因素的影响。但是由于我们的设计条件有限，所以最终选择了温度、湿度以及光照强度三个因素来研究。在测量温度的过程当中，我们选择了DS18B20温度传感器，在测量湿度的过程当中选择了SHTxx系列的数字温度传感器，在测量光照强度的过程当中选择了ADC0832，这些传感器都具有性价比高，不容易受到其他因素影响的特征，同时能够保障信号远距离传输，非常适合本文的设计研究。在单片机选择方面，我们选择了STC89C52单片机处理系统，尽管缺乏一定的专业知识和实践能力，但是经过不断的努力和调试，最终还是完成了无线温室环境监测系统的设计工作。随着科学技术的不断发展，我国的农业工作也逐步开始实现机械化，自动化，在农业生产的过程当中，既要保障产品的高质量产出，同时还要注重环境的保护，这一切都需要对农作物生长的环境进行及时的监测。传统型的农业环境监测整个系统十分繁杂，同时还需要大量的资本投入，测得的数据也不准确，而通过本文的设计很好地解决了这些缺陷，既能够实现操作简单的目的，同时还能够帮助农业实践者通过远程监控获得明作物生长环境的相关数据。二、今后研究方向由于在本次设计的过程当中时间和实验条件十分有限，因此存在许多缺陷和不足，比如在光照强度以及温度和湿度的相关数据收集方面还存在不准确的现象，而且应该将光照强度的等级分为多个等级，才能够保证测得的数据更加准确。在环境信号采集的过程当中，没有设置足够多的节点，导致采集的结果缺乏精确性，因此在未来的研究当中应该多增加几个采集节点，才能够保障结果更加精确。其次就是在无线传输的距离设置当中，距离设置的较近，所以在未来的研究当中，应该优化无线收发模块的距离，保证传输距离足够远。在今后的研究工作当中应该尽量你的先保障自己有充足的理论知识，同时要提高自身的实践能力。在实践的过程当中要不怕失败，只有经过反复的调试才能够优化整个系统的设计。

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