《基于51单片机的种植环境温湿度检测系统设计与实现》8100字（论文）

目录PAGE12基于51单片机的种植环境温湿度检测系统设计与实现摘要温湿度能让植被的生长环境有所改观，让植物的生长拥有更为优越的条件，防止外界气候的变换以及极端天气对它的生长产生恶劣的影响。使用有采光的物品用作多数结构材料，可以在冬天里或其他不利于植物生长的季节中培育植物。温度适宜的环境下培育可以起到调节生产预期，加速成长和发育，防止病虫等，增加产量。而温室的关键是对其所处环境的控制，提高控制和作业精度是本设计的核心目标。本设计采用的模块主要为以下几种：STC89C52单片机、DHT11传感器、1602液晶显示屏模块以及蜂鸣器报警模块。简单实现了要求。DHT11数字温湿度传感器能把获取得到的温湿度数据传送给单片机，在经过单片机的处理后，将准确详细的数据呈现在液晶屏上，而且可以给温湿度的最高最低值进行设置一定的范围，超出或者低于范围就会发出警报。关键词：单片机，1602液晶显示屏，DHT11传感器，STC89C52目录中文摘要 Ⅰ1绪论 61.1课题研究的背景 61.2课题研究的意义 61.3课题研究的主要内容 61.4课题研究的工作原理 72系统总体方案设计 82.1功能要求 82.2设计思路 82.3方案选择 82.3.1传感器选择方案 82.3.2显示器选择方案 92.3.3单片机主芯片选择方案 92.4总体设计框图 103系统硬件设计 113.1概述 113.2主控模块设计 113.2.1STC89C52芯片的简介 113.2.2主控模块电路原理图 133.3DHT11传感器模块设计 133.3.1DHT11传感器简介 133.3.2DHT11传感器模块电路设计 153.41602液晶显示模块设计 163.4.11602液晶显示屏简介 163.4.21602液晶显示模块电路原理图 163.5报警模块 173.5.1蜂鸣器介绍 173.5.2蜂鸣器工作原理 174系统软件设计 184.11602液晶显示模块设计 194.2传感器模块设计 205系统分析与调试 216结论 23参考文献 25PAGE121绪论1.1设计背景最近十几年在工业化的推动下使得我们当代的温室大棚技术得到快速的一个发展模式，我们对传统温室的理解主要始于中国北方冬季温暖的温室，当中由山东地区和华南地区最显赫，尤其是华南地区的插地型防雨棚。这两给地方的大棚构造比较简单，使用起来也较为单一，对于多种模式的种植方式满足不了，较为缺乏，并且这种大棚对环境控制方面的能力也相对较差，机械化不足，操作范围小等等的特点。另外对于当代大棚的熟悉是从我国扩大面积引进部分荷兰以及欧美国家的现代化种植的温室大棚开始，这些大棚的特点与以前的相比，改变比较显著，这些大棚机械化高，物联网能够控制的数据测试的内容也较为广泛，内在环境不会被外面的不良天气所影响。传统的温室大棚造价高，投资之后所得到的效益较低。因此，开发一种合适的温室方式及其重要。1.2设计目的和意义大棚里面的空间越大，可以种植的种类或者数量越多，种植出的植物的价值含量也就更高，但是管理起来就比较困难，养成的困难系数也就越大。所以我们需要对于植物生长的环境，植物的生长过程进行全方位的了解与观察，智能化的温室装有远程监控模式可以满足远程监控的需要。智能化的温室监控系统大大的减少了对于植物的数据整理、减少了相关成本，还优化了部分农产品类的资源，有效的提高了工作人员的工作环境和经济支出。51单片机的技术在我国已经较为成熟且使用起来相对简单。还有很多使用51个单片机进行温湿度控制的例子，效果显著，可以完全实现对整个过程中温湿度的变化进行监控。1.3课题研究的主要内容本系统所要完成的任务是：（1）选择合适的传感器，设计相应的信号采集和处理电路（2）掌握单片机的主要特性及功能，以其核心设计控制系统。（3）设计简易的人机对话接口系统：显示、报警等。（4）完成设计的稳定及抗干扰能力。1.4课题研究的工作原理关于温湿度的采集，显示和检测是本设计最重要的。主要控制电路采用的是51单片机。因为51单片机运行命令的速度特别快，对于工作周围环境的要求不是很高。本设计所使用传感器是DHT11温湿度传感器，它比以前单独测量温度和湿度的方法较为简单，轻松。连接外部电路，通过DHT11详细检测周围环境的温度和湿度，将测量数据发送到单片机进行详细解读，然后将所有数据通过单片机发送到LCD屏幕。蜂鸣器报警器是一种控制模块，首先设置所需温度和湿度的上限和下限，将其添加到电路中，蜂鸣器报警器由温度和湿度的上限和下限控制，如果超过限制，蜂鸣器将报警。但是，要特别注意通过分别设置两个不同的声音来划分温度和湿度。告知工作人员此时棚内的温湿度数异常当前环境不适宜植物生长，需要采用相对的措施来植物生长的环境，例如启用升温器，加湿器，风扇，喷雾等。从而实现了良好的控制。根据设计摘要，本设计实现了温湿度的测量和环境的控制。硬件由四个模块组成：传感器、51单片机、液晶显示和报警，硬件连接十分简单，可以很清楚的理解。2系统总体方案设计2.1功能要求(1)数据由数字温湿度传感器采集，并立即传输到单片机。(2)单片机对得到的信号进行系统分析处理，并立即将采集到的数据传输到LCD屏幕；(3)把采集来的数据显示在LCD液晶屏上；(4)设置温度和湿度的上限和下限，设置不同数据，把蜂鸣器接入，超过设定就会达到报警。2.2设计思路该电路基本上有四个模块，即温湿度采集，显示，CPU和报警。其中，51单片机以最小的系统为核心来控制电路，控制传感器采集温湿度，把所得的数据转换为LCD显示屏显示和蜂鸣器报警。温度和湿度的收集由传感器完成，该传感器是数字温湿度传感器，直接连接到微处理器器。1602LCD屏幕是针脚插入的，也可以直接连接到微处理器。所以不需要手动之类的麻烦多余的操作。这些步骤主要是：首先根据原理图，将传感器和1602LCD显示屏分别接入到单片机上。温度和湿度值由传感器收集，然后通过微控制器传输到液晶显示器上，同时连接蜂鸣器。设置温湿度的最高和最低数值，如果超过最高或最低温度，将发出警报。2.3方案选择2.3.1传感器选择方案方案一：使用DS18B20温度传感器作为温湿度模板，DS18B20是设计中经常会使用到的温湿度传感器，它的测量范围温度是-55℃～125℃，它的体积小，可以很好的抗干扰且价格低廉，适用于多种场合。HS1101为设计中经常使用的湿度传感器，它的量程是0%至100%RH，误差仅为±2%RH，测试出的结果更准确。方案二：DHT11用作本设计的温度和湿度检测传感器的模板。DHT11的类型为集成型湿度和温度传感器。DHT11采用专用数字采集和温湿度传感技术，保证实验的高可靠性和长期稳定性。它拥有得到数据后快速反应，减除外力骚扰等显著的特点，为设计带来了很大的保障且特别符合本次实验的要求。其检测标准范围为20%至90%RH，0°C至50°C，检测温度精确到正负2°C，检测湿度精确到正负5%RH，在本次设计的范围之内，可以良好的监控。经过长远的分析，方案一即使精度更准确，但使用起来不是那么的容易。方案二即虽然没有方案一那么精准，却也可以很好的满足设计所需的要求，方便可行，不仅可靠而且相对稳定，故我们选择方案二作为设计的传感器。2.3.2显示器选择方案方案一：LCD12864为一款点阵LCD显示器，它的接口方式有很多种，例如四位或者是八位并行，二线或者是三线。它的屏幕分辨率是128x64，利用该模块进行设计更加的简单方便，而且还可以将图形呈现在显示屏上，不仅可以让我们轻松的上手，而且还能呈现出多种成像。方案二：使用HJ1602液晶显示器为本设计的显示器模板。HJ1602液晶器基本上都是数字式的，与单片机的接口连接起来比较方便靠谱，正常情况下不会出现。HJ1602液晶模板通过屏幕上的电极控制液晶分子状态实现设计的目的，轻重上面和其他的比较要轻很多，使用起来是非常的方便。并且HJ1602显示器的功耗要比传统的少的多，这为我们节省了很多。综上所述：在编程方面LCD12864显示器和HJ1602显示屏两者同出一辙，原理近乎相同，差别也不是很大，基本都是写数字，写地址等。LCD12864液晶屏显示的币1602显示屏的更加全面一些，字符更多一些。但是相对比较下来，本次设计所需要的1602显示屏都可以实现，且价格功耗等方面是更为低廉的，所以我们选择HJ1602显示屏作为本次设计的显示器。2.3.3单片机主芯片选择方案方案一：AT89C51是国外发明出的一种性能极高，功耗极低得单片机芯片。它的性能是无法挥发，可以很好的储存，访问速度很快，大概是60s，可以很好的处理，其次还有密度高的特点，不容易出差错。基于以上的优势使得AT89C51的稳固性、实时性、速度都是极好极快的，假如系统突然掉电之后特别重要的东西和以保存好的信息不会丢失,使用起来有很大的安全感，它所拥有的性能和它的价格对比的其优点远远的高于相同级别的芯片。方案二：STC89C52的微控制器指令系统与AT89C51系列的系统基本相似，然而经过实践，仍存在以下各种问题：（1）AT89C51是需要使用下载器才能做到，STC89C52可以从数据端口下载到串口，需要下载的软件能够直接网上数据库中找到下载，不仅方便，而且操作简单。（2）STC单片机有应用编程系统，调整使用起来比较简单快捷，还具有10位AD，内部EEPROM，能够在1T/机的周期内轻松完成任务，运行起来比传统的51单片机高8～12倍，价格要低得多，价格也非常高。（3）STC单片机的环境要求并不是很高，可以说相对简单，电压完全可以在5伏之下正常的工作，基本上不会出现问题，相比在这样的环境下AT89C51就比较不适合了，它的要求比较高，因此，当一个系统很容易与STC微控制器一起使用，但带有AT的微控制器没有运行时，可以去检查最小的系统，然后去看单片机的供电是否正常运转。对比以上两种案列，加上专业课学到了计算机电路、微处理器程序设计、C语言编程等课程，而且STC单片机比AT89C51更适合此次设计，所以我最终选择了STC单片机。2.4总体设计框图根据系统运行和功能的主要要求，在实现设计功能的基本运行的前提下，最主要的应该是把设计的成本降低。本设计的设计方案可以依据此方案来实现，如图2.1所示：P2.0P2.0STC89C52主控模块P2.2~P2.4P0.7DHT11传感器模块1602字符液晶模块报警模块传感器与之相连1602字符液晶与之相连图2.1总体设计图从图中可以看出，本设计方案由微处理器部分，DHT11传感器部分，报警部分以及1602个字符的LCD面板组成。在设计的方案中，会将其挨个讲解，因此，所有其他模板都用于串行接口到微处理器模板上。本次设计以51中的STC52单片机作为最主要的控制中心，可以基本的实现温湿度的收集和显示等作用。在系统设计上的想法是，为了更好地采用模板式设计型，分为以下步骤来实现每个单元的功能，系统硬件部分可以分为传感器的实操、微处理器控制、1602液晶屏显示以及蜂鸣器报警四大板块功能。3系统硬件设计3系统硬件设计3.1概述本设计主要由4个部分组合而成，即传感器部分，主控制部分，报警部分和LCD液晶面板，其中该设计最重要的部分是主控制部分，由于STC89C52芯片对整个系统的运营起到控制作用，因此每个子端口的作用是用来控制其他板块，从而可以将其他板连接成一个整体，并实现此设计所需的所有功能。报警模块的功能主要是将蜂鸣器连接到微控制器的电路中，通过该电路可以检测到温度并给出所需的温度范围，也就是设定上下的最大数值和最低数值，使得它超过那个数值就可以达到报警效果；传感器部分用于在设计运行途中实时监控，检测温度和湿度。基于DHT11的数字集成集成集成了模数转换等部件，可以直接连接到微控制器。LCD液晶显示部分也连接到单片机，单片机经过单片机的分析和处理后直接显示信息。3.2主控模块设计3.2.1STC89C52芯片的简介STC89C52具有极高的性能和极低的功耗。采用不易丢失数据的高密度闪存制造，稳定性特别高，其指令、引脚基本兼容STC89C52。Flash同意功能存储器是在系统中编程的，因此适用于适用于常规的编程装置。对于功能芯片，它具有可由在线系统写入的轻量级8位CPU和闪存，因此STC89C52可以为许多嵌入式系统提供多种解决方案。STC89C52及其灵活、效果特别明显，同时还具有8k字节Flash，256字节RAM，看门狗，片内晶振及时钟电路等特别可靠的功能，为设计提供了特别方便的解决办法。此外，STC89C52可以在0Hz下执行静态逻辑操作，并且可以在两个软件下选择省电模式。当它空闲时，CPU将直接停止工作，同时允许RAM，看门狗，串行端口和中断等持续不断工作。在功率不足的保护下，储存器中的资料将会被芯片储存下来，振荡器会停止运行，微控制器的所有工作将被暂停，所有操作启动是在其功能恢复之后。图3.1STC89C52芯片管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0端口作为八位高阻状态输出，当它用作总线拓展使用时候，不需要将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用，当它用作I/O口使用的时候，需要以上操作。P1口：P1端口是自带内部上拉电阻的八位双向的I/O口。在对P1口的编辑为1时，通过其内部的上拉电阻将端口上拉在高电位，这时候它的作用是一个输入口。当把它当作输入口使用的时候，因为它本身就存在内部上拉电阻，那些被外边作用拉低的引脚会为其输出一个电流。P2口：P1端口是一个漏极开路的8位准双向口或弱上拉电阻，P2口缓冲器可以对4个TTL门电流进行接收和输出。P3口：P3端口是带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。它的输出缓冲器可以同时驱动4个TTL输入。3.2.2主控模块电路原理图微控制器的主软件模式收集并读取DHT11传感器发送的信号，系统地分析和处理接收到的内容信息，然后将处理后的信号发送到液晶模板1602进行显示。这允许发送和接收信息，并连接蜂鸣器以实现对报警系统的控制。如图3.2所示。图3.2STC89C52模块电路原理图3.3DHT11传感器模块设计3.3.1DHT11传感器简介DHT1是一款温度和湿度传感器，具有自校准数字信号输出，湿度精度为正负5%RH，温度正负2°C，检测范围为百分之五至百分之九十五，检测范围为正负20至正负60°C。DHT11传感器模型图如下3.2所示：图3.3DHT11传感器实物图（1）引脚介绍：P1：(VDD)电源引脚，供电电压是3到5.5V。P2：（DATA）串行数据，单总线。P3:（NC）空脚，悬浮。P4（VDD）接地端，电源负极。（2）接口说明：当电缆长度短于二十米时，使用5K上拉电阻，当电缆长度大于二十米时，使用相应的上拉电阻。图3.4DHT11典型应用电路(3）数据帧的介绍：DATA具有保持微处理器与DHT11之间通信同步的功能，它使用单根信号线数据的模式，传输数据的时间约为4毫秒，数据为十进制和整数，目前的十进制格式大多用于以后需要的扩展，现在读出的话是零。（4）电气特性：VDD=5V，T=25℃，特殊标注除外表3.1DHT11的电气特性参数条件Mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次注:采样周期间隔不得小于1秒钟。3.3.2DHT11传感器模块电路设计DHT11传感器连接到STC89C51系列微控制器相对来说是十分容易的。STC89C51单片机的P2.0端口具有发送和接收串行数据的功能，即数据端口，连接传感器的P2端口。由于其测量范围电路小于20米，因此需要填充5K上拉电阻，因此在传感器的电源和P2端口之间连接一个5K电阻。而传感器的VDD和GND端分别连接电源端口P1和P4。传感器的P3需要悬浮放置。DHT11传感器原件的电路原理图如下3.5所示：图3.5DHT11电路原理图3.41602液晶显示模块设计3.4.11602液晶显示屏简介1602LCD表示显示内容为16X2，即它可以为16个字符的LCD模块显示两行数字。在我们的日常生活中，液晶显示模在很多的电子设备上被经常用到，比如在我们经常使用的计算器，万用表等等，显示的主要是数字、符号以及图形。在单片机系统中使用晶液显示器作用于输出器具有很多的好处，如下所示：液晶显示器的每一处都能保持接收到信号后的颜色和亮度，不断地发光，并且液晶显示器不仅在呈现的图像质量上极高，而且不会异常地闪烁。大多数液晶显示器都是数字化的，单片机系统的接口更简单可靠，操作更方便，大大提高了效率。液晶显示器的内部结构也相对简单，重量上更是没得说，及其轻便，相同体积下的普通显示器和它完全比不了。3.4.21602液晶显示模块电路原理图液晶显示器的工作支撑是利用液晶的物理性能，通过电压的大小来操作它的显示区域，如果有电，显示器，图形就会有可以显示。液晶显示器的特点是样品薄，适合于大型集成电路的直接驱动，可实现全彩色显示，目前应用于许多领域，如笔记本电脑，数码相机等，在我们的生活中非常普遍。图3.61602显示模块3.5报警模块3.5.1蜂鸣器介绍蜂鸣器的作用是兼顾声音和发出警示，通俗的讲就是可以发出与声音类似的装置，它的供电方式是直流,在警报，提示装置上常用，它的体积比较巧小、质量比较轻盈。它地声音原理有两种，一种是将方波信号输入谐振器件转换为声音信号输出，另一种是直流电源输入被振荡系统放大和采样，在谐振器件的作用下产生声音。3.5.2蜂鸣器工作原理图3.7蜂鸣器工作原理图5系统分析与调试4系统软件设计在对本设计所需模板选择方案和使用有了一定的认知之后，接下来的任务就是要建立程序框架的流程图，把整个设计划分成不同的模块，把各个模块的功能要求用程序实现出来，最后再把不同模块之间进行系统的连接起来，完成总的程序框架。主程序的第一步是初始化整个系统，然后将收集到的温度和湿度数据放到系统的主流程图中，如图4.1所示：开始初始化开始初始化延时温湿度测量1602显示数据判断温度温度低于26℃高于30℃蜂鸣器铃响蜂鸣器铃响结束图4.1主程序流程图

4.11602液晶显示模块设计液晶显示模块是一种慢速显示装置，在执行每条指令之前，首先必须确认模块的忙标志是否是低电平，如果它显现不忙，表示指令作废，然后输入显示字符的地址，告诉模块在想要显示字符时显示字符的位置。1602液晶显示模块可以和STC89C52直接相接的。软件流程图如图4.2所示：开始开始LCD初始化延时设第一行显示位置显示第一行内容设第二行显示位置显示第二行内容图4.21602液晶显示模块程序流程图4.2传感器模块设计温湿度模块DHT11数字温湿度传感器加湿器目前正高速发展，在我们的日常生活中有很多空调、冰箱、空气加湿器等都与我们的生活息息相关，并且这些电器基本上离不开温度、湿度等环境因素的影响。所以温度、湿度传感器的使用范围越来越大，也成为了我们生活必需品之一。新型数字传感器无需外部AD转换模块，并且还具有标准接口，易于使用。作为一种新型单总线温湿度数字传感器，DHT11的优势更加突出，这使得系统设计更方便，控制更方便，并且可以轻松实现所需的功能。DHT11传感器模块的软件流程图如下图所示：给DHT11上电给DHT11上电延时1S保持高电平检测记录信号输出低电平延时输出低电平数据输出结束信号图4.3DHT11传感器模块程序流程图5系统分析与调试本设计的开发环境是KeilC，KeilC可以在C语言编程和调试，操作起来简便，当需要编写程序时就成为设计的首选。KeilC是比较常用的软件，经过简单的学习就可以直接使用，编写程序，生成十六进制文件以供烧写时使用。程序烧录使用Easy51Pro中的并行数据烧录模式进行烧录。软件运行界面如图5—1所示。图5.1程序烧写软件运行界面图在完成程序的调试和编程后，我们还需要进行实际操作，将开发板连接到计算机，设置相应的接口，然后供电。通电后，等待几秒钟，等到1602液晶屏能正常显示当前温湿度，并仔细观察温湿度的变化。然后和自己之前设置的温湿度进行详细的比较，如果当前温湿度在范围之内，没有超出，则没有超过限值，可以把手放在DHT11传感器上，给他一个简单的升温，使它的温度显示超值。然后再测试它能否达到预期的报警。经过简单的测试，是全部可以实现的。由此我们可以实现对温度的控制。湿度控制原理以及操作方法和温度一样。图5.2实物运行图6结论6结论本设计是以51单片机为核心部件的智能检测与控制系统，使用软件编程，实物演练，最后基本上实现了所需的各个要求，虽然本设计的系统可能还存在一些不足之处，例如温湿度测量的值不够精准，尤其是湿度，上下浮动相对来说较大，这会使我们的设计或多或少有一些影响，即使尝试了一些方法去进行改进，但是结果并不是很理想，不过大体还是可以反映出设计的要求及目目的，和开始想要的结果相差并不是很多。当今社会正在往智能化方向发