【基于单片机的温室大棚温湿度控制设计与实现13000字（论文）】

目录TOC\o"1-3"\h\u3728摘要 116331绪论 2123241.1论文研究的背景及意义 2162981.2国内外研究现状 2269681.3本文主要研究对象及研究内容 3101101.4论文的结构安排 4122042方案论证 5129722.1系统设计方案 5278412.2主控模块选型 5297532.3传感器选型 6327322.4显示模块选型 8279702.5设计语言选择 9206893硬件电路的设计 10196623.1单片机结构设计 1099903.1.1系统时钟电路 10100473.1.2系统复位电路 11198733.1.3中断系统 11108233.2传感器采集电路 1256693.3LCD显示电路 13147303.4按健电路 1353903.5执行机构驱动模块 143444系统软件设计 1641374.1系统设计软件 16143674.1.1AD 1652984.1.2KeilC51 16195914.2软件设计流程图 1670544.2.1主函数流程图 16279904.2.2传感器模块流程图 1751394.2.3显示模块流程图 173995系统测试 1912851总结 216760参考文献 22793致谢 24PAGEPAGE18PAGEPAGE17摘要随着我国温室技术的不断引进和创新，温室大棚技术已趋于世界前列，并且温室蔬菜大棚开始逐渐普及到我国农村，为了更好的监测和控制蔬菜大棚内蔬菜良好生长的环境参数，给温室大棚内的蔬菜提供一个适宜的生长环境。本文提供了一套可用于对温室大棚温度和湿度进行检测并且根据大棚内温湿度信息进行智能调整的方案。该方案采用STC89C52RC单片机作为系统的主控芯片，搭配LCD显示屏、温度检测传感器、湿度检测传感器、风扇和加热片以及其他外围I/O设备。系统通过温度传感器和湿度传感器来实现对大棚内温度和湿度的检测，通过风扇和加热模块来模拟实现降温和加热功能。通过对方案的验证后进行了实物的制作，最终实现了本文所设计的基于单片机的智能温室大棚系统。在对实物测试中，通过改变温度传感器和湿度传感器周围环境因素让两种传感器检测到的数值发生变化，可以通过LCD显示屏实时观看到数值的变化，并且该系统可通过按键对阈值进行设定，当温度或湿度不在设定的阈值范围内时，根据不在阈值内的条件信息启动相应的模块进行降温或加温。经过对实物的功能测试，可以看出本文所设计的系统符合设计要求。关键词：温室大棚；STC89C52RC；温度传感器；湿度传感器1绪论1.1论文研究的背景及意义近些年来，我国的温室大棚种植技术开始被农村使用，特别是塑料薄膜的蔬菜大棚居多，其体积小占地面积少，投入少，但有的人用了不久就丢弃了，其中最主要的因素就是对蔬菜大棚内的环境因素控制精度不高。我国的国土资源虽然整体是比较多的，但由于我国总人口数目过大，每个家庭所享有的耕地面积相对较少，且人们对于反季节蔬菜的需求也逐渐上升，怎么在有限的土地上种植出我们所需求的蔬菜是值得我们去考虑和研究的，温室大棚种植技术由此产生。温室大棚种类很多，下面章节会详细介绍到，总的来说，是利用塑料薄膜等覆盖物以及钢结构框架搭建适合蔬菜进行生长的环境，然后以人工控制或自动控制的方式对蔬菜大棚内的环境进行干预，让蔬菜可以不因外界环境情况的变化而进行正常生长，可以让我们种植的蔬菜摆脱温度和气候以及自然条件的影响。虽然温室大棚能使蔬菜在反季节进行种植，但温室大棚内温度和湿度的控制是温室大棚内最核心的环境因素，这两个因素往往决定着棚里蔬菜生长的好坏。以往我们对于蔬菜大棚内的温度和湿度的检测通常是由相应的温度或湿度计进行测量采集，且由人工进行读数，根据采集到的信息再进行相应的升温或降温操作。这种控制方式让棚内升温或降温都不能及时达到我们的要求，而且该方式浪费大量人力以及物力。随着我国社会的不断发展，科学技术的不断引进创新，我国现代控制系统技术已经普及到我们日常生活的各个脚落。我们如何利用现有的自动控制技术来实现对蔬菜大棚内的温度和湿度进行实时检测，再根据监测到的数值自动控制相应的设备进行升温或降温操作。这对提高大棚内蔬菜等农作物产量和节约人力资源具有重要的意义。1.2国内外研究现状从历史上看，欧美等国的信息化和工业化进程要比我国起步早，因此在有关技术方面开发比较早，上世纪四十年代，美国着手建立且成功建成了世界上第一个人工气候室，该气候室的使用主要用于对植物的特性和环境抵御能力的有关研究。在此之后的很多年内，西方发达国家开始争先恐后的对这个领域进行探索，开始对温室环境系统进行研究和开发，并将温室逐渐应用于我们的日常生活当中。随着科学技术的不断发展，电子信息技术开始逐渐出现在人们的视野之中，电子信息技术能否运用到温室大棚的研究中，由此针对电子信息技术的温室大棚环境控制系统开始成为人们的主要研究对象。经过几十年的研究，国外在智能温室大棚研究领域已经取得重大成功，基本可以实现大棚内环境温湿度、二氧化氮浓度等因素进行采集。且可以根据这些采集到的信息执行相应的操作。我国目前使用的温室大棚主要有以下几种类型。第一种是塑料温室，该温室属于一种大型连栋式塑料温室，该类型棚是近十几年出现并得到迅速发展的一种温室型式。该型类的温室与玻璃温室相比较，它的重量相对较轻，便的钢结构骨架少，建造成本相对较低且使用寿命比玻璃温室长，因此该温室的使用范围比玻璃温室更广，而且现在已经是我国现代温室产业应用的主流。第二种是玻璃温室，玻璃温室主要以玻璃为透明覆盖材料，由于考虑该材料自身的一些特性，因此在基础建设过程中，我们要考虑大棚的强度要求，稳定性要求。还要考虑支柱连接之间的水平力和空间的稳定性。此外大棚的地基在建造的过程中要注意其应该比棚外地面低半米以上，地基建造的高度应为比棚外地面高于0.1m，防止地基暴露和对棚内栽培产生影响。第三种是日光温室，温室的前坡设有热绝缘覆盖，该型类温室的原型是一个单坡的玻璃温室，前坡的覆盖材料由原来的玻璃变为塑料薄膜。日光温室优点主要是其隔热性好，建造成本低。第四种是薄膜大棚，薄膜大棚覆盖材料是多种类型薄膜复合材料，典型的单跨拱温室的屋顶结构。薄膜大棚建设，使用方便，投资少，非常适合我国偏远地区的农村使用。伴随着薄膜工业的发展，该类型大棚被广泛用于世界各地，且该薄膜大棚的透光率满足棚内农作物对光的需求。我国虽然工业化和智能化起步相对国外较晚，但在我国研几代人坚持不懈的努力下，我国在温室方面的相关技术逐渐走向世界前沿。我国对于温室大棚技术的研究从1970年前后才开始着手的，当时的温室技术主要以外国引入为主，然后通过许多科研人员的不断努力，不断创新，这才有了我国自主知识产权的温室大棚系统。这些研究成果极大的促进了我国农业的发展，不再受西方技术的垄断。1.3本文主要研究对象及研究内容通过对上述几种温室大棚的分析，本文的研究对象定为温室大棚中的单栋小跨度对称型蔬菜薄膜大棚，顶高2.5m，跨度5m，长度15m，对蔬菜大棚来讲，大棚的蓄热能力我们也要考虑到，因此大棚的朝向在我国大多数地区选择正南方向，也就是我们所在位置的子午线方向，拱棚采用轻型钢结构作为其骨架，覆盖物采用多功能长寿膜，该膜是在聚乙烯吹塑过程中加入适量的防老化料和表面活性剂制作而成，其宽幅7.5米、厚0.06毫米，使用寿命比普通膜长1倍，可以在夜间棚温比其它材料高1-2℃，且此膜不易结水滴，覆盖效果好，成本低、效益高。自从我国从外国引进温室大棚种植技术，温室种植技术不断走向成熟，但温室种植技术并没有普及到每一个家庭，目前我国的民众个体种植基本都没有跨季种植，因此种植蔬菜的种类单一，远远不能满足生活中对蔬菜的需求，而到市场上去买又要花钱又贵，一个季节下来要花费不少钱，为了让普遍的人们能吃上新鲜无农药的蔬菜，本文针对这一需求对民用蔬菜大棚温湿度控制进行研究，结合蔬菜生产的自然条件以及成本因素，研究对象为单栋小跨度的塑料拱棚。本课题主要研究内容是设计一款基于单片机的智能温室大棚系统，系统利用温度传感器和湿度传感器分别来对大棚内的温度和湿度进行检测，采用51单片机主控芯片对采集到的数据进行判断处理，并通过设定阈值的方式来实现对大棚内温度的提高和降低。当系统监测到的温湿度不符合阈值条件时，启动相应的设备模拟降温和升温的过程。同时LCD可以对温湿度信息进行实时显示。1.4论文的结构安排本文的主要结构分为六个章节：第一章主要是对本文所研究的智能温室大棚系统的背景及意义进行了描述；第二章从如何设计该课题开始，首先对系统进行了总体架构的描述，然后针对系统中用到的各个模块进行了选型和分析，以节约成本和实用性为基础对各个模块进行介绍和选型，综合分析并确定本设计采用的具体硬件；第三章开始从硬件电路入手，对主控芯片以及各个模块进行介绍，尤其涉及了单片机的最小系统、按键消抖、时钟复位、传感器控制模块等；第四章描述了该项目在软件方面的设计，包括介绍了本项目中用到的开发软件和系统流程图等；第五章对项目成果进行展示和实验，主要是对系统的实际效果进行测试，判断是否满足本文研究要求；第六章是针对于本文的一个总结。

2方案论证2.1系统设计方案方案一：可以采用比较传统的二位模拟控制方法，该方法就是在采用比较适合的模拟电路的基础之上，采用电位器的方法来设置我们的额定值，设置我们所需要的上下限值，将采集到的信息与给定值进行比较，然后控制相应设备启动。如果采用此模拟控制方法，本系统受外界因素影响较大，会导致系统的有关精度也会下降，而且采用此设计的话，在数据显示方面我们不能使用数码显示，不能让我们更简便的去观察和控制。方案二：此方案我计划采用AT89C51单片机为核心，采用温度传感器DS18B20进行温度采集，采用HS1101电容式湿度传感器进行湿度采集，其中HS1101可测量的湿度范围为55.5℃~125.5℃。采用继电器控制外接口设备，使其达到电路简单、可靠的目的。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。方案三：第三种方案运用大学期间所学的单片机知识，以STC89C52芯片为核心，DHT11作为温室温湿度的传感器，LCD1602显示屏显示数据，通过使用弱电控制强电来控制继电器对温湿度进行调节。在对上述三种方案进行比较，在结合实际的资源情况，所需工作电压，以及程序烧写所需存储空间，中断复位以及时钟等因素，最终决定采用方案三，方案中电子器件的选型下章将会详细介绍。本课题主要是基于单片机的智能温室大棚系统的设计，系统可以划分为主控模块、温度监测模块、湿度监测模块、降温模块、升温模块、显示模块和按键模块等。系统需要完成的工作是利用温湿度传感器对大棚内温度和湿度数据进行测量，并将获取到的数据发送给单片机进行处理，单片机将温湿度传感器传送过来的数据进行处理，当输入进来的数据处于设定的阈值范围内时，系统无需进行任何操作，当输入进来的数据超出设定阈值范围时驱动相应的继电器模块模拟加温和降温功能。系统设计框图如图2.1所示。图2.1系统设计框图2.2主控模块选型在本系统的设计与实验中，主控模块作为核心器件相当于人类的大脑一样负责指令的发出与转发功能，所以主控芯片的选型尤为重要，既要考虑到资源够用又要考虑到价格成本。在本次设计中我选择采用STC89C52RC作为主控芯片。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位控制器，在本次设计中我们要用到该单片机的程序存储空间，中断功能复位功能数据处理功能等，其Ⅰ/0口数满足本设计所需要的接口数。在设计中需要考虑复位，延时，中断，程序存储等因素，而STC89C52内部有512字节RAM，32位I/0口线满足，通用异步串行口，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX81O复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口，且STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式，其满足我们程序烧写存储以及设计所需的要求。而且在空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止，其最高运作频率35MHz，6T/12T可选。综上所述结合本项目的实际使用情况，STC89C52的内部资源满足本次设计的需求，所以我决定选择STC89C52RC芯片作为本项目的主控芯片。2.3传感器选型（1）DHT11DHT11是一种可以同时对温度和湿度进行检测的复合型传感器，该传感器采用简化的单线双向的串行接口技术，通迅时间约为4ms，传输的数据分为小数和整数两部分，传送一次完整的数据是40位数据，遵循先高位后低位的顺序，先是湿度整数数据和湿度小数数据，然后是温度整数数据和温度小数数据，最后一个是校验位，且都是8bit。比如接收到的40位数据为：0011010100000000000110000000000001001101分别对应湿度高8位、湿度低8位、温度高8位、温度低8位校验位计算：00110101+00000000+00011000+00000000=01001101则接收数据正确为：湿度：00110101=35H=53%RH温度：00011000=18H=24C，如果接收到的40位数据为：0011010100000000000110000000000001001001，分别对应湿度高8位、湿度低8位、温度高8位温度低8位、校验位，计算00110101+00000000+00011000+00000000=01001101，因为01001101不等于01001001，故本次接收的数据不正确，放弃，重新接收数据。该传感器同时结合了数字采集技术和温湿度检测技术，既能保障检测的精度还提供了较长的使用寿命。该传感器能够同时对温度和湿度进行检测主要是因为该器件内部包含了感湿元件和测温元件，通过这两个元件的配合实现对于温湿度的监测，该传感器由于具有较低的价格和功耗并且传输距离最远可达20m所以经常在很多需要对温湿度检测的系统中使用，本文需对温度及湿度进行测试。该模块实物图如图2.2所示。图2.2DHT11温湿度传感器实物图（2）DS18B20和HS1101HS1101是电容式湿度传感器，可测量的湿度范围为55.5℃~125.5℃。DS18B20是一款单总线接口的温度传感器，其体积微小，性能强大，抗干扰能力强，其温度测量范围比其传感器要宽一些，为负55度到正125度，该传感器使用的是DALLAS的单总线控制协议。该器件的使用非常简单，可直接与单片机进行相连无需添加A/D转换模块。在使用时可直接将检测到的温度信息变为数字信号传送给单片机，该传感器实物如图2.3所示。图2.3DS18B20实物图（3）AHT10AHT10检测探头采用CMOSES专利技术将AD转换电路和数字接口相结合。AHT10体积小且采用简单的接口电路，在性价比方面，该传感器适用在需要大批量使用的地万，其采用双线数字输出的模式，且功耗偏低低。其测量量程偏大一些，温度测量范围从-40到+120度之间，其湿度测量的量程为满量程测量。即便是零下的冬天也能满足环境监测的需求。该模组使用的时候信号端口直接和终端主控制器相连并进行共地。本文通过传感器主要对温室大棚的温湿度进行检测，通过对比以上三种测量方法，其中DHT11为单总线接口且可以同时采集温度及湿度，为了简化设计并且节约设计成本和考虑本设计的实际使用情况，故在本设计中选择DHT11来对温室大棚的温湿度信息进行获取。2.4显示模块选型为了满足系统设计要求且能够直观看到系统运行的当前状态，需要通过显示装置来对数据进行显示。如我们通过显示器可以操作电脑一样，在电子设计中，我们常用的显示设备主要有LED、OLED、LCD、数码管四种，每种显示设备的优缺点以及设计难度各有不同，下面针对这四种显示设备进行简单描述。（1）LED可以实现对多种信息的不同形式进行转化，其功耗低，工作电压需求低，使用年限长且驱动简单。伴随着单片机性能的发展和人们需求的增加，LED灯也开始朝着显示的方向发展，我们可以利用许多个小的LED灯珠组成一个大型LED矩阵面板，通过控制这个LED矩阵面板里面的LED灯的亮灭和颜色来实现显示屏的效果，利用现实生活中拍照像素的基本原理，矩阵面板里面的每一个LED灯都可以作为一个像素点。实现单个LED灯驱动简单，但我们组成的矩阵里面LED数量很大，不但要控制它们的亮灭，还要控制亮的颜色，难度可想而知，并且我们如果想要用LED矩阵来显示数据，其体积也过大。（2）OLED液晶显示屏是近几年在电子设计上流行起来的一种显示方式。OLED（OrganicLight-EmittingDiode）又称是激光显示或发光半导体显示，通过给显示屏注入不同的载流子，在相关的控制之下互相结合产生发光的现象。该类型的显示屏优点主要有：显示屏显示的内容多而且比较丰富，其显示画质比其它显示屏更加细致，所以在很多设计中都有使用到该类型的显示器。（3）LCD液晶显示屏，这种显示屏又常常被称为LCD1602，其功能如名字一样，是LCD的显示方式，每行也显示16个字符，可显示两行，最多可显示32个字符，该产品应用较久，技术也已经熟练，在质量上是可以保证的，所以使用上较容易上手，最主要的优点在该显示屏生产技术成熟，生产成本低，价格低廉，且该显示屏对数据的显示比其它的显示器要清晰一点，如果进展的话该显示屏占用较少的单片机I/O口。（4）LED数码管，该类型显示器也经常被我们所熟悉以及广泛使用，它还有一个较为形象的名字，通常叫做八段管，通过这个名字我们可以很容易的联想出来，该八段管是利用八段的发光二极管灯组合形成的，我们可以通过控制八个发光二极管的亮与灭来显示出我们所指定的数字，把若干个数码管拼接起来可以显示更多的数字。在组合时，把各个数码管的阴极和阳极分开，分成共阴极和共阳极，将所有数码管的阴极接到一起构成共阴极，共阴极低电平有效，把组合数码管的阳极连接起来构成共阳极，共阳极高电平有效。复用引脚可大大节约单片机I/O口的使用。通过对几种显示器件的分析，结合本设计中仅需要对温度值以及湿度值进行显示，显示界面需要两行，并且LCD1602是一种工业字符型液晶，专门用来显示字母，数字，符号的点阵型液晶模块，其由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间都有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，综上所述所以选择LCD1602显示屏作为本设计的显示设备。2.5设计语言选择（1）汇编语言汇编语言是一种面向机器的传统程序设计使用语言，该语言也存在较多优点，如：方便读取存储状态和I/O状态；由于汇编语言属于机器语言，因此可以省略编译环节，直接被机器所执行；作为最底层语言，可扩展性较好。与此同时也存在较多的缺点，主要有：利用助记符来编写代码，入门难度大，代码冗杂；编程时需要使用者自己调用内存存储数据，容易出现BUG，并且调试起来难度大；不利于后期维护；代码兼容性差。（2）C语言C语言于上世纪八十年代在贝尔实验室被开发出来，是一种面向过程的编程语言，其目标是通过简易的编译产生极少量的机器码以及不依托运行环境即可运行的编程语言。C语言的设计由于更符合语言逻辑，因此在入门上较易。相比于汇编语言，C语言具有编程速度快、工作量小、可读性好、易于调试、修改和移植等特点，在这些优点的基础上运行效率仅比汇编语言低10%左右，因此在硬件发达的今天，软件上的效率低可从硬件上得到弥补。由于在校期间对C语言进行了系统学习，所以在本文设计中采用C语言来对整个硬件系统的软件编程进行设计。本章主要讲述了系统的设计目标、系统组成及整体设计思路和系统设计的方案论证三部分内容。系统的目标明确了整个系统的设计要求。系统组成和系统整体设计思路系说明了整个系统的构成和设计思路。方案选型论证主要根据系统设计要求选出性价比最高、最合适的器件。

3硬件电路的设计3.1单片机结构设计单片机是对单片微型计算机的一种统称，我们可以根据自己的需求在上面进行各种开发和设计。单片机的起源可以追溯到上世纪八十年代，当时的单片机只有4位或8位，种类也仅有数十种，可选择性较低，且功能较弱。纵观现在300M的高速单片机已然成为主流。到目前为止，单片机的种类己发展至数百种，我们可根据自身需求选择最合适的芯片来进行设计，且设计例程也越来越多，设计也越来越方便，芯片的尺寸也朝着低功耗、低电压、小尺寸的方向不断发展。单片机拥有多种分类方式，如果按照种类分可以将单片机分为通用型和专用型。通用型是可以根据自己的爱好和想法进行开发设计，而专用型则在出厂时已经设定好了其功能。单片机的结构框图如图3.1所示。图3.1单片机结构框图3.1.1系统时钟电路晶振电路一般又叫时钟电路，该电路对整个系统运转提供时钟参考，因此也被叫做主控时钟。在单片机系统中，单片机想要执行操作必须经过取指令、译码然后将译码后的信号发送到寄存器，然后通过指令交换。每个步骤都遵循着系统时钟，系统时钟不仅提供了参考时间也对各个步骤执行的先后顺序进行定义。本项目的时钟电路如图3.2所示。图3.2系统时钟电路由图3.2可以看出，系统的时钟电路从引脚XTAL1和XTAL2引出，由12MHz的晶振和两个0.1uF的电容组成，构成一个并联谐振回路，该回路就成为一个自激振荡器。该时钟电路也决定了系统的主频时钟为12MHz。需要注意的是，在进行时钟电路PCB设计或直接焊接时，电容与晶振的设计应尽可能靠近芯片，以减少对电路的影响。3.1.2系统复位电路复位电路是用来对电路工作状态进行还原的电路，本系统的复位电路由按健方式进行复位，复位按钮会让单片机的第9引脚触发高电平持续2us就可以实现单片机的复位，且由51单片机电路原理图可知，该系列单片机为高电平复位，一般情况下是将RST端向上接一个10uF的电容接高电平，向下接一个10K电阻接地，在高电平与RST端接按键开关，也可不接开关。外接开关是为了在使用时可以随时复位。本项目复位电路如图3.3所示。图3.3系统复位电路由图3.3可以看出，该系统的复位电路通过1uF电容与电源相连，通过1K电阻与地相连，同时设置了复位开关，方便随时进行复位，同时该系统保持高电平复位，当开关按下后，电源和地形成通路则系统进入复位状态，若开关断开当电容充满电后也进入复位状态。3.1.3中断系统中断系统的作用是在程序运行时对当前正在执行的程序或指令进行打断。在实际系统运行或调试过程中，常常存在由于不同原因导致必须中断当前程序的执行查看当前运行结果或转而去执行另一条指令的情况。设计中有软中断和硬中断两种实现方式，顾名思义就是分别通过软件或硬件来实现中断功能。引起中断的源头被称为中断源，也叫中断信号，在实际使用中主要为内部中断和外部中断两类，外部中断根据选择的引脚不同又分为外部中断0和外部中断1，这两种中断分别由电平和下降沿出发。通过TCON引脚的不同状态来对合适的中断类型进行选择。内部中断有定时器溢出中断和串行口中断源中断，定时器溢出中断是由系统内部的定时/计数器通过设置产生，串口源则直接通过串口输入产生。3.2传感器采集电路在蔬菜大棚种植中，大棚内的温度在不同时间不同地点都是不一样的，因此，为了能更好地采集到棚内的温湿度信息，保证棚内蔬菜的生长环境，应实现棚内温湿度的多点采集，为了实现多点温湿度采集，本设计采用3个DHT11温湿度传感器，分别布置在大棚的头尾部位和中间部位，主控芯片和显示屏放在大棚头部，便于观察，对3个传感器进行统一编号，并通过单总线形式DHT11的DATA数据端引脚直接挂接到STC89C52单片机上，温度显示采用循环显示的方式，循环检查三个温湿度传感器采集的信息，当任一传感器的值不在设定值范围内时，启动相应的外接设备。本文采用的温湿度传感器为DHT11，取其中一个为例，其电路图如图3.4所示，从电路图中可以看出该模块为四端口元件，其中引脚1和引脚4分别用于接通VCC和GND，引脚2为传感器输出端接通单片机的25引脚，单片机通过读取25引脚的信息从而获取对应的温湿度信息。DHT11采用单线双向的串行接口数据，DATA上拉后与微处理器的I/O端口相连。当连接线长度短于20米时建议用5.1K的上拉电阻，大于20米时根据实际情况降低上拉电阻的阻值。使用3.5V电压供电时连接线长度不得大于20cm。否则线路压降会导致传感器供电不足，造成测量偏差。总线空闲时为高电平主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。图3.4温湿度传感器电路图3.3LCD显示电路显示模块在本设计中的作用是对温湿度进行实时显示。LCD1602属于工业级显示屏器件，字如其名可显示32个字符的数据。分两排显示，每排可显示16个字符。在电子设计中经常提及高低电平的问题，至于高低电平的说法在这里分别用1和0来替代，而显示屏想要显示内容必须通过显示芯片才能完成。目前市场上大部分的LCD显示屏均采用HD44780显示芯片来驱动，只有通过HD44780，LCD1602才能按照我们的设计进行显示，所以在使用和控制原理上并没有太大差别。LCD显示电路图如图3.5所示。图3.5LCD显示电路图本文设计的液晶显示电路主要用于显示当前温湿度的数值，具体的硬件电路图如图3.5所示。从图中可以看出，液晶显示电路和单片机的P0口相连。电路连接图和上述连接引脚功能一致。3.4按健电路从STC89C52的P1口引出三个独立按健，分别连接P1.0、P1.1、P1.2。其中按健1为模式选择，可以选择温度或湿度的设定，按健2可以对选定的温湿度设上限值，按健3可以对选定的温湿度设下限值。系统通过DHT11采集大棚中各采集点的温湿度，如果超过设定值，单片机驱动继电器控制风扇转动进行降温，达到设定值后停止工作，温度过低时单片机驱动继电器控制加热片工作。图3.6按键电路图3.5执行机构驱动模块本设计采用继电器驱动电路，如图3.7所示。继电器属于一种自动控制电路通路或断开的控制装置。控制电路连接芯片输出I/O口，由芯片给出高电平或低电平来控制继电器输入回路，一旦继电器线圈两端有电压，线圈中流过电流，由于电磁效应，从而引起输出端吸合，输出导通，控制风扇和加热片等负载通电开始运转。本设计采用NPN型三极管来驱动，驱动条件为高电平有效，当单片机STC89C52对采集到的数据不在设定值的范围内时输入一个高电平，此时NPN型三极管导通，启动对应的风扇和加热片工作。蔬菜大棚的通风系统，我们要对棚的拱度进行考虑，棚的拱度不同，导致棚的放风口大小取决也不一样。通风口的大小不是固定的，有的温室的它们之间的结构是不一样的，大棚内的降温时间和降温速度也都是不一样的。通常情况下拱度较大的棚，热气流流动在棚内的顶部，此时我们的放风口即使不大，它也能达到比较好的放风效果，如果拱度较小的棚，因为拱度较小，大棚内的热气流不便从放风口排出，大棚内的温度就显得偏高。因此在这种情况下，我们就要在大棚顶部开的放风口开得宽一些，综上所述，循环风机装置安装的位置设在蔬菜大棚中央的顶部，当温度过高时，方便将热气流从顶部排出，可以采用一个300w左右的轴流式循环风机。蔬菜大棚的加温方式主要有暖风机和热风炉等设备，在本次设计中我选用贝瑞克斯15kW的热风炉，通过查阅资料我发现在同一时间同一个体积为48.6立方来的大棚内，贝瑞克斯热风炉比其它的加温设备加热快，且使用费用比其它设备要低，唯一缺点是成本比其它设备高很多，但从长远角度考虑，虽然成本高但使用费用低，便于长期使用，所以我选择该加温设备。图3.7驱动电路图4系统软件设计4.1系统设计软件4.1.1AD目前用于电路设计的软件主要有AD、PADS和Cadence，由于学校学习一般使用AD，所以本项目也在AD环境下对系统进行设计。AD是一款集成了电路原理图和PCB的整套设计，该软件能够使设计者在设计时减少很多后顾之忧，当熟练使用后，设计电路的质量和速度都将大幅提高。4.1.2KeilC51大多数的电子设计者都是从51单片机进行入门学习单片机的设计的，单片机之所以能够实现所设计的功能主要是依靠软件控制逻辑对其进行控制，这也是我们常说的软硬件不分家的原因。单纯的硬件电路无法实现我们所需要的各种功能，而单纯的软件也只能在电脑中跑出所需要功能的逻辑。由上文可知，虽然汇编语言也可用于代码的编写，但由于入门难度较高，所以，对于单片机的设计一般是采用C语言，本设计也选用C语言进行设计。但无论采用哪种方式都需要使用Keil软件来对代码进行编译并生成硬件可执行的文件。因此Keil是大多单片机爱好者都接触过的软件。Keil是由美国一家公司开发的而成，并在2005时被ARM收购，因此目前的Keil还可以用于STM32程序的编写。丰富的库函数和强大的集成式开发环境使得Keil软件被广大爱好者爱不释手，全Windows的操作环境为使用者提供了友好的界面。目前广泛使用的版本为Keil5，该版本于2013年10月发布。功能更加强大。该软件对于电脑的配置要求不高，这也在一定程度上降低了开发成本，所以多数情况下不会因电脑配置问题而导致无法运行该软件。4.2软件设计流程图4.2.1主函数流程图系统启动后，首先进入初始化，初始化包括传感器的初始化和显示屏的初始化等，初始化完成后系统开始对按键模块进行检测，首先要判断当前处于自动还是手动模式，手动模式下可通过按键实现对风扇的控制，自动模式下系统则根据温湿度传感器传送过来的信息和设定的阈值进行判断，决定是否需要开启加热或降温功能，同时系统可以通过LCD实时对当前大棚内温湿度等信息进行显示。系统主函数流程图如图4.1所示。图4.1主函数流程图4.2.2传感器模块流程图在进行软件设计时，对于温度传感器和湿度传感器模块需要先进性数据的初始化，初始化完成后，开始实时对当前温度和湿度值进行测量，同时将检测到的数据实时发送给单片机用于单片机与阈值进行比较和处理。传感器模块软件设计流程图如图4.2所示。图4.2传感器模块流程图4.2.3显示模块流程图本项目中显示模块用来对实时温湿度以及手动和自动模式等信息进行显示，由前面描述可知，项目使用LCD1602显示屏，该器件可以显示2行每行16个字符。在进行软件设计时，写入数据前应当先对要写入的数据进行定位，判断数据需要写在第几行第几位，如果行列数不对则需要进行相应调整，LCD显示模块流程图如图4.3所示。图4.3显示模块流程图

5系统测试本设计是基于单片机的智能温室大棚系统的设计，系统采用UN0主控开发板作为系统的主控模块。系统的主要功能是对系统所处环境的温度进行测量，并将测量得到的温度与系统设定的阈值进行对比，若环境温度大于设定温度则启动图通风进行降温，系统温度可通过显示屏实时观看。整个系统的硬件电路如图5.1所示。图5.1整体系统硬件系统通电后状态如图5.1所示，从图中可以看到LCD显示屏上显示当前的温度以及手动和自动模式，其中当前温度为20摄氏度。从显示屏中还可以看出目前手动模式处于OFF状态，通过按键切换至手动模式，测试手动与自动之间的功能切换，其效果图如图5.2所示。图5.2自动到手动的切换在手动模式下显示屏变为PWM并配备相应数值，数值的大小于风扇的转速有关，手动模式后可通过旋钮启动风扇，其效果图如图5.3所示。图5.3手动模式下启动风扇下面开始对温度检测模块进行测试，用手触摸温度传感器模块，可以从LCD上看到温度发生变化，效果图如图5.4所示，可以看出温度检测模块可正常工作。图5.4温度检测模块功能测试图

总结本文通过单片机对智能温室大棚系统进行了设计，验证了方案的可行性，但本文仅进行了简单的功能设计，而该项技术想要实际使用还需要从系统可靠性、实用性上进行一定的分析和验证，并且还有较长的路要走。本文从最开始的研究背景及意义以及软硬件各个方面进行了阐述。关于本设计的硬件设计在第三章均进行了详细描述，在此就不进行过多赘述，但仍需注意的是，如何对整个系统进行设计、模块的划分、软件的电路绘制和电气规则的检查是每个电子专业必须熟知的知识，在进行电路设计时也采用了多种方案。在单片机的软件设计中，中断程序的编写、按键控制程序的编写、传感器控制的编写等都是本设计的重中之重。本文在第四章也分别进行了详细的描述和流程图直观感受。从总体上看，本文的设计基本符合设计的要求，并能够成功实现对温度和湿度值的测量并与设定的阈值进行对比，在不符合阈值条件时启动相应的功能。

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