【正文】 學(xué) 生 楊達(dá) 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化 102 校內(nèi)指導(dǎo)教師 王雪 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 講師 校外指導(dǎo)老師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 二 ○ 一四 年 五 月I 基于單片機(jī)和 GSM 的大棚溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 摘 要 ： 隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的逐步加快，大棚的應(yīng)用也逐漸普及，然而這也帶來了新的問題。因此為了讓大棚環(huán)境更適合植物的生長(zhǎng)，提高大棚作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)大棚的溫濕度的監(jiān)測(cè)變得尤為重要。本文通過四個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)溫濕度的閾值設(shè)置等功能。 MCU。為使人們?cè)诓煌募竟?jié)都可以食用 其喜愛的作物，溫室大棚的作物栽培起到了很大的作用 [2]。傳統(tǒng)大棚由農(nóng)民依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并手動(dòng)進(jìn)行管理控制，很難達(dá)到預(yù)期的效果。僅僅依靠人工管理會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)不及時(shí)、不準(zhǔn)確等問題，不僅影響蔬菜正常生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)造成人力資源的浪費(fèi)。 本文研究的大棚溫度濕度 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng) 利用信息傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲得大棚內(nèi)的溫濕度信息并進(jìn)行處理，有利于實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)的智能化與精確化，有助于提高農(nóng)業(yè)大棚的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。美國(guó)是進(jìn)行該項(xiàng)研究最早的國(guó)家之一，其開發(fā)的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以根據(jù)具體要求，對(duì)于溫度、濕度甚至光照度進(jìn)行自動(dòng)控制，該技術(shù)被廣泛運(yùn)用到日常生活、食品行業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域。 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況 與 發(fā)展趨勢(shì) 最初，國(guó)內(nèi)對(duì)于溫濕度控制系統(tǒng)的研究也主要體現(xiàn)在溫室控制技術(shù)的研究上，總體來說起步較晚。結(jié)合目前的技術(shù)現(xiàn)狀，總體來看，相關(guān)研究工作已經(jīng)逐步從簡(jiǎn)單應(yīng)用的階段向?qū)嵱眯?、綜合性、智能化的方向過渡與發(fā)展，研究的技術(shù)水平已經(jīng)相當(dāng)高。 本文將進(jìn)行基于單片機(jī)與 GSM 通信模塊 的大棚溫濕度監(jiān)控的設(shè)計(jì)，利用 溫濕度檢測(cè)模塊對(duì) 大棚內(nèi) 的溫度與濕度進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè) ， 制作出精 度 高 、 體積小、 系統(tǒng) 穩(wěn)定、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大的溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)定 、精確 的 溫濕度檢測(cè)和控制 ，使之 能很好的應(yīng)用于當(dāng)代的大 棚 生產(chǎn) 活動(dòng) ,使得 人們可以更好地控制大棚的溫濕度 。然而，這類工業(yè)級(jí)的控制系統(tǒng)大都比較昂貴，而且不夠簡(jiǎn)單易用，雖然性能非常好，但卻不一定適應(yīng)國(guó)內(nèi)一些散戶農(nóng)民的 大棚 種植。 通過溫濕度采集模塊進(jìn)行溫濕度的 實(shí)時(shí) 采集 ,并通過單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后由顯示模塊顯示當(dāng)前的溫度值和濕度值。由于作物在不同生長(zhǎng)期所適宜的溫濕度 是變化的 ，此時(shí)調(diào)節(jié)溫濕度 范圍可以 使 作物長(zhǎng)時(shí)間處于較為理想的環(huán)境中，同時(shí)也 滿足了不同 作物的環(huán)境需求。 總體設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述 本文的 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 是由溫濕度 傳感器 、單片機(jī) 最小系統(tǒng) 、 GSM 通信模塊、顯示模塊 、 報(bào)警模塊等等組成， 通過大棚 溫濕 度 信號(hào) 的 采集與 分析， 進(jìn)行 聲光警報(bào)及GSM 短信 警報(bào) ， 使得人們可以 及 時(shí)發(fā)現(xiàn)大棚溫濕度的異狀 。 8051 單芯片是同步式的順序邏輯系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的工作完全是依賴系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)脈信號(hào)，用以來產(chǎn)生各種動(dòng)作周期及同步信號(hào)。另外 STC89C52 可降至 0HZ 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種節(jié)電模式。 由于該芯片應(yīng)用廣泛，學(xué)習(xí)資料也可以更容易地獲得，所以本文 選用的 STC89C52RC 芯片 。 （ 2） 方案 二 采用單片智能化濕度 /溫度傳感器 常用 的單片智能化溫濕度傳感器有 DHT11 及 SHT11 等等 ，由于 本系統(tǒng) 的目的為監(jiān)測(cè)大棚的溫濕度， 精度無需 太高，因而 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器就 足夠本 系統(tǒng) 的使用。 由于本文 采用 單片機(jī) 為控制器，為了節(jié)約 成本， 選用單片智能化溫濕度傳感器DHT11 可以省去溫度 、濕度兩個(gè)傳感器 及 相應(yīng)的 AD 轉(zhuǎn)換 電路， 使系統(tǒng) 更為簡(jiǎn)單穩(wěn)定高效， 所以 本 文 選用 DHT11 溫濕度 傳感器采集溫濕度 信號(hào) 。它支持 Text 和 PDU 格式的 SMS，支持通過 AT 命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。 本文僅 使用 GSM 通信模塊 發(fā)送短信， 華為 GTM900B 比 TC35I 價(jià)格低很多，在這兩種通信模塊都能滿足本 系統(tǒng) 的情況下， 為了使系統(tǒng) 更為經(jīng)濟(jì)，本 文 采用 華為GTM900B。 （ 2）采用 LCD 液晶顯示器顯示。常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 40 頁 3 系統(tǒng)硬件部分 設(shè)計(jì) 如 圖 所示 ，本文 設(shè)計(jì)的大棚 溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，以 STC89C52RC 單片機(jī)為 控制器 ，以數(shù)字式溫濕度傳感器 DHT11 作為溫濕度檢測(cè)模塊，與華為 GSM 通信模塊有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)溫濕度實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。 圖 系統(tǒng)詳細(xì)功能框圖 單片機(jī)模塊硬件電路設(shè)計(jì) STC89C52RC 單片機(jī) 簡(jiǎn)介 單片機(jī)是一種具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的超大規(guī)模的集成電路芯片，其內(nèi)部是由中央處理器（ CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、多 種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等等 組成， 部分功能強(qiáng)大 的單片機(jī) 可能還具有顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器電路等。它擁有 8K 字節(jié)的用戶應(yīng)用程序空間， 512 字節(jié)片內(nèi) RAM， 32 個(gè)通用 I/O 口，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置 4KB EEPROM， 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 4 個(gè)外部中斷，此外 ，它 無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程序， 為本系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與調(diào)試提供了巨大的方便 。也就是說 P0 口不能真正的輸出高電平，給所接的負(fù)載提供電流，因此必須接上拉電阻（一電阻連接到 VCC），由電源通過這個(gè)上拉電阻給負(fù)載提供電流。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 共 40 頁 單片機(jī)模塊 最小系統(tǒng) 硬件電路 的設(shè)計(jì) 圖 最小系統(tǒng) 硬件電路 最小系統(tǒng) 如圖 所示 ， 其中 復(fù)位電路與晶振電路的硬件設(shè)計(jì) 詳細(xì) 介紹如下所示。 同時(shí) ，在 正常 使用過程中，需要復(fù)位時(shí)按下按鈕 ， 則 VCC 的 +5V 電平就會(huì)直接加到 RST 端。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 共 40 頁 溫濕度檢測(cè)模塊硬件電路 設(shè)計(jì) DHT11 簡(jiǎn)介 DHT11 數(shù)字 溫濕度傳感器是一款 擁有 數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)的溫濕度復(fù)合傳感器 ， 可靠 且 穩(wěn)定。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝，單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。2 ℃ ， 濕度分辨率 為 1%， 溫度分辨率 為 1℃ ， 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 為 177。 由于 連接線長(zhǎng)度短于 20 米時(shí) 需要 用 5K 上拉電阻 ， 大于 20 米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻 ，而在 本 系統(tǒng) 連線長(zhǎng)度僅為幾厘米，所以采用連接 5k 上 拉 電阻的方案。電源引腳（ VDD， GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，達(dá)到 去耦濾波 的 目的。腳 4 為 接地腳，所以連接地 。單片機(jī)接口電平自動(dòng)適應(yīng)，無需設(shè)置，解決了 5v 單片機(jī)和 單片機(jī)等的連接問題， 兼容性 極好； 同時(shí)， 使用單片機(jī)調(diào)試的時(shí)候可以同時(shí)連接電腦， 無需跳線設(shè)置 ，便可使用電腦的串口調(diào)試助手實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)單片機(jī)和模塊通信的數(shù)據(jù)， 可以很方便地進(jìn)行調(diào)試 ；其 GPRS 內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議， GPRS 上網(wǎng)只需幾條簡(jiǎn)單指令； 它使用 了 插拔式SIM 卡座，帶 SIM 卡保護(hù)電路，同時(shí)支持單片機(jī)控制啟動(dòng)和關(guān)機(jī)，支持單片機(jī)檢測(cè)在線狀態(tài)； GSM 開發(fā)板有電源指示燈、信號(hào)指示燈， 并 留有語音接口，有音頻處理電路，可以 后期進(jìn)行功能擴(kuò)展 ； 它采用 工業(yè)級(jí)低壓差芯片，大容量電容和合理的布線，擁有較高的可靠性。 GTM900B 使用 AT 命令集，通過 UART 接口與外部 MCU 通信，主要實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送和接收、基帶處理、音頻處理等功能。 （ 3） 其中 IGT 是啟動(dòng)控制腳。 如圖 所示 ， 將單片機(jī)的串口與開發(fā)板的串口相連接， 便可 使 單片機(jī)與 GSM 開發(fā)板 建立通信 。常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中，它具有功耗低、體積小、可視面積大，畫面好，抗干擾能力強(qiáng)、顯示 內(nèi)容豐富且美觀 的 特點(diǎn) 。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平 1 時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 共 40 頁 按鍵與 報(bào)警硬件 電路 設(shè)計(jì) 按鍵硬件電路 設(shè)計(jì) （ 1）按鍵原理 鍵盤從結(jié)構(gòu)上分為獨(dú)立式鍵盤與矩陣式鍵盤。當(dāng)按鍵沒按下時(shí)， CPU 對(duì)應(yīng)的 I/O 接口由于內(nèi)部有上拉電阻，其輸入為高電平；當(dāng)某鍵被按下后，對(duì)應(yīng)的 I/O 接口變?yōu)榈碗娖健?其中 ， S1 為 菜單及切換 鍵 ， S2 為數(shù)值 加鍵， S3 為 返回鍵， S4 為 數(shù)值減鍵。 圖 報(bào)警電路 硬件設(shè)計(jì) 如圖 所示，四個(gè) LED（ LED1， LED2， LED3， LED4） 陽極 接電源，陰極分別連接 1K 限流電阻 后連接單片機(jī)的 ， ， ， 。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁 共 40 頁 4 系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 程序 設(shè)計(jì)語言與 軟件 開發(fā)環(huán)境 簡(jiǎn)介 由于 使用匯編語言編 本系統(tǒng)程序 較為繁雜， 且 不易移植可讀性差，所以 使用 Keil μVision4 進(jìn)行 編程，編程語言為 C 語言。如果使用 C語言編程，那么 Keil幾乎就是不二之選，即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)事半功倍， Keil 的優(yōu)點(diǎn)如下所示： （ 1） Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 系統(tǒng)軟件總體 設(shè)計(jì) 本系統(tǒng) 主要功能為： （ 1）溫濕度實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的顯示。 （ 3）超限報(bào)警功能。 通過將測(cè)得 的溫濕度與設(shè)定的范圍進(jìn)行比較，當(dāng)溫濕度值某一值超出范圍時(shí)， 相應(yīng) 的 LED 燈 亮， 可 同時(shí)通過并接繼電器，可以控制其它設(shè)備進(jìn)而控制溫濕度。 若 未 進(jìn)入設(shè)置或者設(shè)置成功后， 則 將測(cè)得的溫濕度 與閾值 相 比較 ， 若 超出范圍則進(jìn)行聲光 警報(bào)， 聲光警報(bào) 后一段時(shí)間 仍未 解除 報(bào)警 則發(fā)送 GSM 短信警報(bào) 。 //LCD1602 顯示 } 主函數(shù) 如下所示 int main(void) { uint8 aj=0。 lcd_ini()。 Send_ASCII(AT)。 //延時(shí) lcd_str(0,0,init gsm * )。 //延時(shí) Send_ASCII(AT+CMGF=1)。 //延時(shí) lcd_str(0,0,init gsm ** )。 //延時(shí) Delay_ms(Delay_Time)。 aj=keyscan()。Delay_ms(20)。} else if(TH_TMPw1) {d1=0。d0=1。js1=0。Delay_ms(20)。} else if(TH_RHs1) {d2=0。d0=1。js2=0。 js2=0。 它的 串行接口 （ 單線雙向 ） 用于微處 理器與 DHT11 之間的通訊和同步 ,采用單總線數(shù)據(jù)格式 ， 一次通訊時(shí)間 4ms 左右 ,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分 ， 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40bit， 高位先出。 從模式下 ， DHT11 接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集 ， 如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào) ， DHT11 不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集 。 DHT11 接收到主機(jī)的開始信號(hào)后 ， 等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束 ， 然后發(fā)送 80us 低 電平響應(yīng)信號(hào) 。 格式見下圖 示 。 圖 DHT11 傳輸 信號(hào)時(shí)數(shù)字 0 表示 方法 數(shù)字 1 信號(hào)表示方法如圖 所示 。 uint8 dht11_ini() { bit ans。 //主機(jī) 發(fā)送開始 信號(hào) delay(1000)。 //接收到 應(yīng)答信號(hào)時(shí)為 1 else ans=0。 DHT11=1。 //等待從機(jī)發(fā)送 80us 的高電平完成 for(i=0。 //等待從機(jī)發(fā)送 50us 的低電平完成 TR0=1。 //數(shù)據(jù)左移以便接收數(shù)據(jù) if(TL035) //拫據(jù)高電平的時(shí)間來判斷從機(jī)發(fā)送的是 0 還是 1 date|=0x01。 //濕度的小數(shù) TH_TMP = dht11_re