1、基于单片机的农业大棚环境监测系统设计Shaanxi Uiiiverwity of Techiioloxy毕业论文（设计）题 目基于单片机的农业大棚环境监测系统设计学生姓名学号1 213024035所在学院_一 物理与 电信工专业班级程专业 1202垫:指导教师2 016 年 6 月 5 0陕西理工学院本科毕业设计任务书院係）物理与电信工程学院专业班级 通信工程（通借1 2 0 2） 学生姓名王鹏毕业设计题目 基于单片机的农业大棚环境监测系统设计年 6 _月二.毕业设讣工作自-2 0 15 年 12 月 22 日起至 2016 18 日止三、毕业设il进行地点: 通信工程实验空A- 1 103四
2、、毕业设计应完成内容及相关要求:温度、湿度以及光照等环境参数的测量和控制在日常生活和农业领域中具有广泛的应用。随着 生活水平的大幅提离，人们对大棚蔬菜提出了更高的要求，大棚中农作物在生长过程中，温湿度及 光照对苴影响较大。传统测试方法费时费力、效率低，且有时需要不间断监控以达到实时监测的B 的。针对以上问题，本设讣是基于单片机的环境监测系统,该系统可实现温度、湿度及光照的实时测 量通过需要设置测捷参数的范围，超出设定范围可发出警报提醒外界进行丁预控制。五、毕业设计应收集资料及参考文献: 1、应收集场课题相关文献1 2篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为2010年至201 6 年;2、
3、 除了文献之外所参考的书目不能超过3篇；3、 所有的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导教师。六、毕业设il的进度安排: 1、必须査阅大量资料（包括一；数量的外文资料），了解课题的研究背景、意义，熟悉设计中要用到 的相关电路知识:完成开题报吿；井完成一篇外文文献的全文翻译工作：仃刀1日一3月18 I I ） 2、进行系统的概要设计：（3月19日-4月1 0日） 3、熟悉设il软件并提交中期报告：（4月10 1卜4月20日） 4、系统的设计与实现：准备作品的验收;立成论文第一稿：（4月21日-5丿j 10日） 5、根据要求对对论文及作品进行完善，完成论文第二稿；（5列11 H-5月2
4、0日） 6、制作答辩PPT,准备答辩材料，准备答辩，并完成后续工作：（5月21日-6月10日） 7、必须泄期仃指导老师见而，汇报进展情况，按时完成论文的撰写工作。指导教师签需专业负责人签名学院领导签名批准日期2016-01-基于单片机的农业大棚环境监测系统设计王鹏（陕西理工学院物理打电信工程学院 通信工程专业12 0 2班,陕西 汉中7230 0 0）指导教师:刘亚锋扌商要温度.湿度和人类的生产有務密切的关系，同时也是农业生产中不可或缺的歩教。随着科学技术的发 展，温室大棚的应用越来越广泛，为人们创造了更高的经济效益。本文阐述了一种基于单片机的温室大潮的环境监 測系蛻的设计过程。该系统主要由单
5、片机STC89C52、温湿度传感SDHT1 1、诫聶显示LCD16O2和光敏电阻等组 成，实現了实时采集温湿度信息.温揑报歩等功能，具亦*度高.功能强、体积小、简单灵活等优点.很好的满足了 农业大棚环境&测要求。关键词 农业大棚；环境&测；单片机：DHT1 1 : LCD16 02T h e de s ign of a gric u 1 tural g reen ho useenviro n men t a 1m o n ito r i ng s ys t e mb a sedon MCUWANG Pengi nCommu nication En gi nccr i ng Schoo I an
6、d T e I ecom ni u nication Eng i n ccri n g. Shann x i Uni v ers i t y HaiiZho n g 72300 0. Shannxi) Tut o r: LIU Yafen g(Grade 12C I a s s02Majo r s0 f Phys i c0 f Th c hno1 ogy.hum i day, a nd hum a n product i on is c lo s el y a I productioii p a ranie t ers. Wit h the d evelo p menl of green h
7、ouse $ use d more wi d c ly for pe op le to c r ea t c a higherAb str act; T c m p e r a t ure, also an integral part of ag ricultu r le c hn 0 I 0 gy. iTiciency.ii a r i n g humidil y real-t i me nd otherre 1 a t e d , but science an d eco n omic cThis p ape r d esc r ibcs lhe de s ign ofa p r occs
8、s SCM green h ouse envi r omn c nta I me n s ys t cm is based. T h e sys t em consi $ is of ini croc ontroller STC8 9C52 , icmp era t ure and sensors DHT 1 1 , LCD LCDl 6 02 and phot o sc n si t ive resistance, el c to achieve aacquis i tion of t em pera t ureand humi d i t y i nfo r maticn. lempcra
9、lure al a rm af unclio nsi with high p rec i sion. p owerf u I. small. $ impl c and flexib 1 c . etc., gag ricult u r a I gre c n hcus c c n viron tnc ni a 1 mon itor i n g r c q ui rood I 0 me e t t heemenls.Key wor ds： Ag r i cu 1 tu r al g r eenhouse s : env i roninenta 1 monit o ring; MCU： DHT I
10、I: LCD1 602引言。错谋!未定义书签。1方案论证及器件选择错误!未定义书签1 .1方案论证错谋!未定义书签。1. 2主要元器件选择错误!未定义书签。2.1单片机选型。错误味定义书签。1. 2. 2传感器选择错误!未定义书签。1. 2. 3显示器选择错误!未定义书签。系统硬件设计。错误味定义书签。2. 1主控模块。错误味定义书签2. L 1 STC8 9 C52错误!未定义书签。2. E 2主控模块电路错误!未定义书签2. 2 DHT11传感器模块。错谋!未定义书签。2. 2. 1 DHT 1 1传感器。错误味定义书签2.2.2 DHT1 1传感器模块电路.错课味定义书签.2.3光传感器
11、模块。错谋味定义书签2.4 1 6 02液晶显示模块。错误味定义书签。2.4. 1 1 602液晶显示屏。错误!未定义书签。2. 4 . 2 I 60 2液晶显示模块电路错误!未定义书签。2.5报警模块。错误味定义书签。2.5. 1蜂鸣器错误!未定义书签。2. 5. 2三极管855 0错误!未定义书签系统的软件设计错误!未定义书签。3.1传感器模块设计错误!未定义书签。3. 2 1 6 02液晶显示模块设计错误!未定义书签。3. 3软彳牛调试。错误!未定义书签。系统的焊接与测试错误!未定义书签。4.1系统硬件电路焊接错课!未定义书签。4. 2系统硬件电路调试错误!未定义书签。4,3系统硬件电路
12、结果分析。错误!未定义书签。结束语饯致谢。错课味定义书签。错误!未定义书签附录A英文文献原文附录B英文文献译文。错误!未定义书签。附录C源程序.错误味定义书签附录D原理图4错误!未定义书签附录E元器件清单错误味定义书签。引言(1)课题研究的背景温室对于如今的生产生活的影响越来越大，利用温室技术的研究来提升生产效率，为植物提供适 宜的环境。随着改革开放特别是90年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、 花卉为主的植物栽培，在大江南北遍地开花，政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产 业被看作是2 1世纪最具活力的新产业之一。温室环境是一种更加利于植物生长，避免环境影响尖
13、生长发冇。在大棚里可以种植反季节作物,提高农业效率以及经济效益国外在2 0世纪7 0年代 就开始对温室大棚技术进行了研究，采用模拟式显示组合仪表，将采集的信息经过处理然后发出指令 进行控制和记录。分布式控制系统在8 0年代出现，经过人们的不断研究，以及对温室控制技术迅速 的发展，现在部分国家已经实现了自动化控制并向更先进、更自动化的方向发展。在我国北方冬季寒冷而漫长，利用温室大棚种植蔬菜能更快的提高人民生活水平。温室大棚管理 主要的因素是温度、湿度及光照的控制。温度管理一般把一天分为中午前、中午后、前半夜和后半 夜四个时段来进行温度调控。中午之前是促进光合作用的最佳时间，增加有机物的累积为主,
14、将棚温 保持在25-3or最为适宜0中午过后光合作用慢慢下降，温度要比中午之前降低3-8r,适宜温度在 2 2 t左右，避免养分过多的消耗.而降低了有机物的累积。天黑之后四小时内，温室的温度需降到1 2-1 8C,以促进植物对有机物的累积。之后继续降温3C左右，不可降得过低，这样容易导致 植物产生低温危害。阴雨天光照缺乏，光合作用进行缓慢，需降低温度5C左右，以减少呼吸消耗 现在单片机发展迅速，通过单片机对环境进行监控日益广泛，体小体枳、多功能、高性价比等。运用 在自动监控系统中减少人们的劳动，提高生产效率。(2)温室研究现状国外温室控制技术以美国最为先进，主要是因为貝il算机的发展非常迅速，
15、这也使得以讣算机为 主的温室环境控制技术迅速发展。温室大棚内控制包括室内温度、土壤温度、柑对空气湿度、通风 口状况、保温幕状况.pH调节、CO：浓度;室外控制包括光照强度、相对空气湿度、大气温度、风向 风速等2】。温室系统的应用为农业生产发展提供了很大的帮助，提高了工作效率，减少劳动量，收获 了更多更好的农产品。荷兰从上个世纪八十年代就开始温室计算机自动控制系统的开发，并不断地 研究模拟控制软件。并通过交互式界面显示必要的涪息，设置参数并绘制曲线，修正值曲线和测量 数据曲线可以从设世的时间数据库中调用。其方便的方式可以直接查询数据汁算机的串行端口和完 成上位机和下位机之间的信息交流。实现参数设
16、置、信息显示和控制等功能，同时还能够进行数据调 整,完成温室环境监控。国内外温室控制技术的发展史可以分为三个发展阶段：手动控制:在温室控制技术前期被广泛采用，英并没有真正意义的控制体系。种植者不仅要充当 温室环境的传感器又要充当温室作物管理的执行。温室种植户相当于环境控制核心。通过对气候 条件和作物生长状况的观察，利用以往经验和直觉进行推测和判断，以手动方动式来调节温室环境, 这样对作物状况的反应是最直接、最快速、最有效的方式。但这种控制方式局限性太大，不适合工业 化农业生产的需要.自动控制：此控制系统必须先输入植物所需的生长目标参数值，经计算机将实际测量的数值和 预先设定的目标值进行比较，利
17、用判断后的结果来调控温室环境因子，以控制柑应的操作通风、制 冷和加热等。计算机温室自动控制技术实现自动化生产，劳动生产率的提高,适合于大规模生产。温 室环境设置改变目标值可以在温室环境内进行自动调整.此方法的缺点是改变作物生产响应的状态 不及时，很堆实现作物生长的最佳环境。智能化控制：利用温度自动控制技术和生产实践为基础，经过总结，收集农业领域枳累的知识、 经验和数据，从而建立植物生长数学模型，实现各类植物生长的不同需求。从手动到全自动控制技 术，控制温室生产过程向着更先进、更全面的方向发展。未来的温室环境控制，势必以植物生长模型、 温室农业专家系统的自动信息采集、温室综合环境因素分析模型和智
18、能控制为基础向着全自动化方 向发展。(3)课题设讣思路首先明确设计思路，通过查阅资料了解相关的设计方法以及主要的设计原理等，然后着手进行设 il搭建一个大体的设计框图，再根据设讣要求完成相应的补充设计。热电偶形式是通过加热湿度传 感器，该A/D变换器将单片机不能测量的温度和湿度信号转换成电信号从而实现测量，将湿度、温 度值显示在液晶显示器，将温度、湿度传感器的温度和湿度信号转换成模拟电压信号，然后通过低 通滤波器滤除干扰信号送入单片机，再经过单片机的采样，进一步提髙测量精度，经过数字滤波单片 机后将取样的温度涪息与设泄值进行比较，如果不匹配，利用控制触发音量控制量的PID控制方法调 整程序，并
19、通过设讣控制程序执行，以LCD显示屏显示最终结果。电路总体上分为采集模块、核心处理模块、报警模块和显示模块。STC89C5 2单片机为核心用 于控制电路.DHT1 1传感器、光敏电阻的采集转换、1 602液晶屏的显示以及蜂鸣器的报警 具体显示的内容方式由软件来完成。温湿度传感器，不选择单独的器件，而是采用DHT 1 1数字温湿 度一体传感器进行温湿度的测量,一方面在简化设计流程的同时增加了系统的稳;性，另一方而是降 低了设计的成本消耗。1602LCD液晶显示屏，能够实时、准确的显示采集温度值、湿度值及光照强 度值，而且成本较低。并设计了三个输入按键能够根据环境在不同时间段内对温度、湿度及光照强
20、度 的不同要求，用户可人为的更改温度、湿度和光照强度上下限值,以满足用户在使用中的不同需求。 当在使用中环境超出任意上下限值，经主控模块处理采集的温度值、湿度值及光照强度值与集标准值 进行对比，如判断越线则及时的启动报警装置，蜂鸣器发出滴滴滴的报警声1方案论证及器件选择 1.1方案论证方案一:采用可编程逻辑器件设计采用可编程逻辑器件设计，利用数字电路齐功能模块柑组合起来以达到其功能，可以利用ALT ERA公司的F LEX10K系列PLD器件。结构设讣比较淸晰，各个模块从硬件上设计起来相对简单，比 较方便的控制打显示模块间的连接。设il 框图如图1. 1所示。图11系统设计框图方案二:基于单片机
21、的设讣以单片机STC为控制孩心，采用温湿度传感器和光敏电阻作为测量元件，构成智能温度、湿度和 光照强度的测量系统闱。可分为温度、湿度测量电路、光照强度测量电路、主控电路.报警电路和 显示电路。主器件：温湿度传感器DHT 1 1 .光敏电阻、单片机STC89C5 2、1 6 02LCD显示器.LED 灯和蜂鸣器。设计框图如图1. 2 所示。图12系统总休设il框图在方案设计中，遵循简洁至上的原则.因此所有的外围模块采用串行方式和微处理器模块链接。 以STC8 9 C52单片机为控制核心，控制温度、湿度和光照强度采集以及显示器的显示等功能。在设 il系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计各个
22、单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传 感器采集、单片机控制、1602液晶显示和蜂鸣器报警四大部分。方案二可以利用单片机内部的控制只读存储器、随机存储器和幷丰富的引脚资源，外接键盘输 入，液晶显示器等实现数据的传输处理和显示功能。单片机可扩展性强、体积小、实用性强、功能 齐全;设汁起来也比较简单，硬件更加容易实现。方案一的好处是设il较为简单但是如果结合本设 il的特点.EDA在功能扩展上会受到约朿，而且这样设讣的电路有些繁杂，焊接的过程也比较复杂, 成本较高，操作困难，因此不予采纳。经过综合分析，本次设il采用方案二。1.2主要元器件选择1.2.1单片机选型方案一：AT89C51是低电压，高
23、性能的CMOS型8位微控制器，该设备采用MCS-51指令，片内 通用的8位中央处理器和闪存单元，功能强劲，采用FLASH技术4K程序存储器对设备开发要求低， 从而缩短了开发周期。AT89C5 1可构成最小的应用系统,缩小系统体积、提高系统可靠性、降低系 统成本。只要程序长度小于4K,四个I/O端口提供给所有用户。提供5 V的电压编程和擦除时间 只需10亳秒。AT89C5 1芯片提供三个级别的程序存储器的加密，并提供了方便、灵活、可靠的 件加密，可以保证程序或系统不被仿制.方案二:STC89C 5 2单片机和AT8 9 C51系列的完全兼容，实际操作起来也方便很多。而A T89C5 1不带I S
24、P下载，要用下载器才行.STC89C52町以用你的USB转串口进行下载，下载软件可以到STC 厂家网站下载。STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的33 0倍/尽管达到了高速，但AT 上的程序在STC上不一泄好用，比如那些对时序有严格要求的模块。STC对工作环境的要求也比较 低，3V-4VZ间还可以正常工作，所以选用STC单片机会更合适。经过比较两种方案，以及在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语育程序设汁，综合考虑单 片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，最终选择用STC系列芯片。 1.2.2 传感器选择方案一:选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块,H
25、Si 1 01湿度传感器作为湿度采集模块。 DS1 8 B20是数字温度传感器，单线式接口方式，测量范ra10C85r；误差范用0. 5匸，最奇精 度达0.0 625 0 HS1101测量的相对湿度范围在0%r00%RH,误差士2%RH。方案二：选用DHT 1 1作为设计的温湿度检测模块。DHT11是集成型的一体数字温湿度传感 器。DHT11采用数字温湿度传感技术/具有髙可靠性和稳定性。传感器由电阻式测湿元件和NTC测温 元件组成与单片机连接。产品具有品质高、响应快、抗丁扰能力强等优点.测量范帀湿度20%90% RH,温度0“C50C。测温精度为2C,测湿精度为5%RH。通过以上分析，方案一虽
26、然精度高，却稍显复杂。方案二即便不能实现方案一的髙精度测量，却 也能满足设il要求。且简便易行可靠稳；4,具有超高的性价比。故选择方案二。光传感器方而则选择常用的光敏电阻01.2.3显示器选择方案一:LCD 1 2864液晶显示屏,能够显示汉字和图形，是1 28X 6 4点阵的汉字图形型液晶显 示器，内1819 2个中文汉字、显示RAM和128个字符，以8位并串行两种方式与微处理器宜接连 接。方案二：采用HJ1602液晶显示屏。HJ1602是一种工业字符型液晶显示屏.能够同时显示16列 2行。仅能显示字僻、数字和符号，但寄存器不止3 2个。有一些显示效果,如字符一个个显示、字 符从左到右或从右
27、到左显示。在编程使用原理、写指令和写地址等都基本柑同。当然12 8 64液晶屏显示更全而，字符更多. 相比于1 6 02液晶屏，12864能更形象具体的实现显示功能。不过此次设il- 1602液晶屏也能够完 全胜任，其显示简洁实用，价格实惠。经过综合考虑，160 2是最好的选择。2系统硬件设计本次设计主要由4个模块构成,分别是传感器模块、主控模块、LCD液晶显示模块以及报警模 块。主控模块采用STC 8 9C52芯片，控制整个系统的运行，并利用各个接口分别控制外用模块，使英 他模块可以连成一个整体，实现设讣需要报警模块主要指将蜂鸣器接入单片机电路，通过对实 时温度、湿度和光照强度的检测，并设定
28、所需要的温度、湿度及光照强度值区间，当越限时发出报警 信号。传感器模块用于实时温度、湿度及光照强度的检测，由于DHT11是数字一体化，集成了模数转 换等模块，直接连接单片机即可。LCD液晶显示模块同样接入单片机，实现对数据的实时显示。系统总 体设计框图如图2丄所示。图2.1系统总体设il框图2.1主控模块2,1,1 STC89C 5 2STC89C52单片机是一种低功耗，高性能CMOS 8位微控制器具有8K字节的可编程闪存，与80 C 51指令集和引脚完全撫容。片上闪存程序存储器可实现在系统编程，同时也适用传统的编程，如 STC89C5 2设备可提供灵活有效的解决方案,以及许多嵌入式控制应用。
29、STC8 9C52具有以下标准 功能:闪光的8K字节 25 6字节RAM,32位I / 0线淆门狗圧时器俩个数据指针，三个1 6位泄时 器川数器一个六向量两级中断结构，全双工串行口，片内振荡器和时钟电路。此外止闲模式下,CPU 停止，允许ram.泄时器/ il数器串行端口，中断至工作掉电保护模式,RAM内容被保存，振荡 器被冻结,单片机一切工作停止，宜到下一个中断或硬件复位为止STC8 9C52引脚如图2 .2所示。3i5e4891 ftu1213L4ISL6I?L31920PhOiXCPJ 1en nPl.:ru* VPO. I pnPl, 4P6 3ro. 4X cPh oPl. 6ru+
30、 QXHl CPL 1ru o外 A.小、01Cl VPPP3 6 RAD*iA feCAr rALEWQCr3 7ADr3, Z. IMOPC. 7P=6P3, X IM IPN 4/10r 3，1 1 i wP； 4P3S柢？P3/RD必2PC. LX nXrAL2VTM qTALI v(43 VUlsd3517363534333：31sgc*内Rzz2140图2.2 STC89C52引脚图管脚说明：VCC：供电电压。GND:接地。P0 口： P0 口是8位双向开路I/O 口。用作输出端口时，每个引脚吸收8TTL门电流。FIAS H编程，P0 口作为原码输入口，FIASH进行校验，P0输出
31、原码fO外部采取拉高0P1 口： P1 口提供内部上拉电阻的双向8位I/O 口，此口缓冲器可接收输出4 TTL门电流。P1 口写入r然后上拉为高电平作输入，下拉为低电平输出电流，是内部上拉所造成的结果。FLASH编 程和校验，P1 口作为第八位地址接收。P2 口： P2 口为8位内部上拉电阻双向“0 口,其缓冲器可接收输出4个TTL门电流准被写为“1 时,管脚被内部上拉电阻拉高作输入。当作为输入时，管脚又被外部拉低输出电流。在访问外部程序 存储器或数据存储器进存取时，输出是地址的高8位。在闪存校验和编程时接收控制涪号以及高八位 地址信号。P3 口:P 3 口管脚是8个双向并带有内部上拉电阻的【/0 口。写入“T之后，被内部上拉为髙 电平作输入。做输入口时，由于内部的上拉电阻,被外部拉低的引脚会输入一个电流I LLoP3 口可用于一些特殊功能口在S TC8 9C5
