基于單片機的智能溫室溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(已修改)

　

【正文】 基于單片機的智能溫室溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計目錄1 引言 1 課題背景 1 立題的目的及意義 1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容 32 系統(tǒng)總體設(shè)計 3 系統(tǒng)功能設(shè)計 3 系統(tǒng)的組成 4 系統(tǒng)工作原理 43 系統(tǒng)硬件設(shè)計 6 單片機系統(tǒng)設(shè)計 6 溫濕度傳感器設(shè)計 11 無線模塊設(shè)計 16 液晶顯示裝置設(shè)計 21 報警系統(tǒng)設(shè)計 234 系統(tǒng)軟件設(shè)計 25 系統(tǒng)初始化模塊 26 數(shù)據(jù)采集模塊 26 無線模塊 27 顯示模塊 29 報警模塊 305 硬件調(diào)試 31結(jié)論 36附錄 37參考文獻 71致謝 74第II頁 共II頁1 引言 課題背景在現(xiàn)代的大棚種植技術(shù)中，溫度、濕度是大棚蔬菜能否茁壯成長的重要因素。目前我國大棚生產(chǎn)規(guī)模雖然 空前巨大，但是大棚的設(shè)備比較陳舊，溫度采集方式落后，農(nóng)村采用煤油溫度計的溫度采集方式，不僅溫度采集較為老套，并且費時費力，不利于大棚生產(chǎn)規(guī)模的擴大，也不利信息化程度的提高[1]。 農(nóng)業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)，由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命[2]。科技的發(fā)展促進了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫室大棚在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的溫室大棚的自動化程度很低，基本是是粗放型的人工操作，即便對于所給定的量，在操作中無法進行有效的控制，很大程度上限制了溫室大棚的經(jīng)濟效益。以前種植植被一般都用溫室栽培，為了充分的利用好溫室栽培這一高效技術(shù)，就必需有一套科學(xué)的，先進的管理方法，用以對不同種類植被生長的各個時期所需的溫度及濕度等進行實時的監(jiān)控。溫濕度控制對于單片機的應(yīng)用具有一定的實際意義，它代表了一類自動控制的方法，而且其應(yīng)用十分廣泛。 立題的目的及意義AT89S52單片機是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度控制系統(tǒng)的實例也很多。使用AT89S52單片機能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度全程的自動控制，而且AT89S52單片機易于學(xué)習(xí)、掌握，性價比高。使用AT89S52單片機設(shè)計溫濕度控制系統(tǒng)，可以及時、精確的反映室內(nèi)的溫度以及濕度的變化。完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內(nèi)保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此[3]。將此系統(tǒng)應(yīng)用到溫室當(dāng)中無疑為植被的生長提供了更加適宜的環(huán)境。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢美國是將計算機應(yīng)用于大棚和管理最早，最多的國家之一。美國開發(fā)的大棚計算機控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)作物的特點和生長所需要的條件，對大棚內(nèi)的光照，溫度，濕度等諸多因素進行自動控制。這種自動控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需的環(huán)境的目標參數(shù)，計算機根據(jù)傳感器的實際測量值與事先設(shè)定的目標進行比較，以決定大棚溫濕度的控制過程，按照相應(yīng)的機構(gòu)進行加熱，降溫或者是澆水，通風(fēng)等[4]。目前，我國絕大部分自主開發(fā)的大棚溫濕度控制或者進口的國外設(shè)備都屬于這種系統(tǒng)。雖然這種自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，提高了勞動生產(chǎn)率，通過改變大棚溫濕度的設(shè)定目標，可以自動的對大棚內(nèi)溫濕度進行調(diào)節(jié)，但是這種調(diào)節(jié)對作物的生長來說還是相對滯后的，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律。所以在這種自動控制系統(tǒng)和實踐的基礎(chǔ)上，溫濕度自動控制向著適合不同作物生長的智能化控制發(fā)展。國外大棚業(yè)正致力于高科技發(fā)展，遙測技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于大棚的管理和控制中，近幾年各國溫度控制技術(shù)提出建立大棚行業(yè)標準，朝著網(wǎng)絡(luò)化，大眾化，大規(guī)模，無人化的方向發(fā)展的思路[5]。目前國內(nèi)外的溫濕度檢測使用的溫濕度檢測元件種類繁多、應(yīng)用范圍也較廣泛加之單片機和大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[6]。基于單機片的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計研究較少。隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，人們對自己的生活環(huán)境要求越來越高。特別在溫室大棚中，對溫濕度要求更為嚴格。基于單片機的溫室溫濕度控制統(tǒng)設(shè)計，將對環(huán)境的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)做詳細的設(shè)計與實現(xiàn)。 本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)主要完成的任務(wù)：1. 進行溫濕度控制系統(tǒng)的整體研究與設(shè)計。2. 利用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11測量大棚內(nèi)的溫濕度。3. 通過采集溫度及濕度值，準確的判斷標準值與當(dāng)前值之間的差異，及時的啟動報警裝置（包括警報燈的提示功能以及提示音等）進行報警，并采取相應(yīng)的方案。4. 利用LCD對溫濕度進行實時顯示。5. 利用NRF24L01無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸2 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)功能設(shè)計1. 溫濕度監(jiān)控：實現(xiàn)對溫室大棚溫濕度參數(shù)的實時采集，測量空間的溫度和濕度，由單片機對采集的溫濕度值進行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、顯示，實現(xiàn)溫濕度的智能檢測。2. 控制處理：當(dāng)溫濕度越限時報警，并根據(jù)報警信號提示采取一定手段控制。3. 無線傳輸：用溫濕度傳感器將測量的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線模塊進行傳輸。溫濕度傳感器達到的技術(shù)指標： 測量范圍： 濕度2090%RH， 溫度050℃ 測量精度： 濕度+5%RH， 溫度+2℃ 系統(tǒng)的組成以單片機為控制核心，采用溫濕度測量技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù)等技術(shù)，以溫濕度傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能溫濕度測量控制系統(tǒng)。可分為溫濕度測量電路，顯示電路，報警電路，無線模塊，：單片機AT89S52，溫濕度傳感器DHT11，1602LCD顯示模塊，LED燈，報警裝置蜂鳴器,NRF2401無線模塊等。 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)以單片機AT89S52為核心，數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、報警都要通過單片機。數(shù)據(jù)采集通過單總線的智能數(shù)字溫濕度傳感器DHT11完成；通過單片機把采集的數(shù)據(jù)顯示在1602LCD上；當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超出給定范圍時，有蜂鳴器實時報警，并將數(shù)據(jù)通過NRF2401無線傳輸給另一個單片機上顯示。單片機采用C語言編程。 流程框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過上面的總體方案和實施措施的討論后可以開始著手硬件系統(tǒng)的設(shè)計，硬件系統(tǒng)是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)、軟件系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)，根據(jù)總體功能和性價比及其運行速度等因素的考慮，選用AT89S52單片機。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。AT89S52使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，AT89S52擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案[11]。AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止[12]。： AT89S52引腳圖（1）電源及時鐘引腳（4個） VCC:電源接入引腳； GND:接地引腳； XTAL1:晶體振蕩器接入的一個引腳（采用外部振蕩器時，此引腳接地）； XTAL2:晶體振蕩器接入的另一個引腳（采用外部振蕩器時，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端）。（2）控制線引腳（4個） RST/VPD:復(fù)位信號輸入引腳/備用電源輸入引腳； ALE/PROG:地址鎖存允許信號輸出引腳/編程脈沖輸入引腳(低電平有效）； EA/Vpp:內(nèi)外存儲器選擇引腳（低電平有效）/片內(nèi)EPROM（或FlashROM）編程電壓輸入引腳； PSEN:外部存儲器選通信號輸出引腳（低電平有效）。(3) 并行I/O引腳（32個，分成4個8位口） ～:一般I/O引腳或數(shù)據(jù)/低位地址總線服用引腳； ～:一般I/O引腳； ～:一般I/O引腳或高位地址總線引腳； ～:一般I/O引腳或第二功能引腳。其內(nèi)部主要由CPU、RAM、ROM、通用I/O及總線構(gòu)成，：8051時鐘程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器定時計數(shù)器并行I/O口串行通信口中斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線 AT89S52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CPU：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；單片機的寄存器MCS51器件有單獨的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64K尋址。程序存儲器：如果EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。對于 89S52，如果EA 接VCC，程序讀寫先從內(nèi)部存儲器（地址為0000H～1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為：2000H~FFFFH。數(shù)據(jù)存儲器：AT89S52 有256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。高128 字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當(dāng)一條指令訪問高于7FH 的地址時，尋址方式?jīng)Q定CPU 訪問高128 字節(jié)RAM 還是特殊功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器（SFR）[12]。機器周期和指令周期（1） 振蕩周期: 也稱時鐘周期, 是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。 （2） 狀態(tài)周期: 每個狀態(tài)周期為時鐘周期的 2 倍, 是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。（3） 機器周期: 一個機器周期包含 6 個狀態(tài)周期S1~S6, 也就是 12 個時鐘周期。在一個機器周期內(nèi), CPU可以完成一個獨立的操作。 （4） 指令周期: 它是指CPU完成一條操作所需的全部時間。 每條指令執(zhí)行時間都是有一個或幾個機器周期組成。中斷AT89S52 有6個中斷源：兩個外部中斷（INT0 和INT1），三個定時中斷（定時器0、2）和一個串行中斷。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器IE 中的相關(guān)中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。IE還包括一個中斷允許總控制位EA，它能一次禁止所有中斷。，對于AT89S52。用戶軟件不應(yīng)給這些位寫1。它們?yōu)锳T89系列新產(chǎn)品預(yù)留。定時器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或邏輯觸發(fā)。程序進入中斷服務(wù)后，這些標志位都可以由硬件清0。實際上，中斷服務(wù)程序必須判定是否是TF2 或EXF2激活中斷，標志位也必須由軟件清0。定時器0和定時器1標志位TF0 和TF1在計數(shù)溢出的那個周期的S5P2被置位。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器2 的標志位TF2 在計數(shù)溢出的那個周期的S2P2被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。復(fù)位電路本系統(tǒng)采用上電+按鍵復(fù)位，是上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位的組合，無論是上電還是按動按鍵都能使單片機復(fù)位。：R21KR310KC310ufRESET 復(fù)位電路在單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動的時候復(fù)位一次，當(dāng)按鍵按下的時候系統(tǒng)再次復(fù)位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會復(fù)位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統(tǒng)中控制其復(fù)位。復(fù)位電路的原理是單片機RST引腳接收到2US以上的電平信號，只要保證電容的充放電時間大于2US，即可實現(xiàn)復(fù)位，所以電路中的電容值是可以改變的。按鍵按下系統(tǒng)復(fù)位，是電容處于一個短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加引起的[13]。時鐘電路時鐘引腳為XTALXTAL2，時鐘引腳外接晶體與片內(nèi)的反向放大器構(gòu)成了一個振蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號，時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端。這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)部接至內(nèi)部反向放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端[14]。本系統(tǒng)采用晶振時鐘電路。外部晶振以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格要求，但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和穩(wěn)定性。外接晶振時，C1和C2通常選擇30pf,晶振采用12MHz。：XTAL218XTAL11912MHZCRYSTALC130pC230p 時鐘電路 溫濕度傳感器設(shè)計DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接[15]。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為給類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場