【文章內(nèi)容簡介】 者誤差，例如引線誤差補償、多點測量中的切換誤差和信號調(diào)理電路的誤差等問題 ，從而影響到測控系統(tǒng)的精確性，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，更多的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中，溫濕度測控系統(tǒng)也正在朝著集成化、智能化、自動化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，尤其是蔬菜大棚的推廣，也要求要有現(xiàn)代化設(shè)施來控制棚內(nèi)溫濕度等含量，便于自 動化管理。然而目前應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度測控系統(tǒng)大多數(shù)采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、 A/D 轉(zhuǎn)換器及單片機等組成的傳輸系統(tǒng)。這種溫濕度度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測溫電纜，才能把傳感器采集的信號送到采集卡上，這種系統(tǒng)成本高。同時線路上傳送的都是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也 比較大。 本次設(shè)計系統(tǒng)是采用 STC89C52單片機和 DHT11的低成本的溫濕度測控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)硬件的設(shè)計和系統(tǒng)軟件的設(shè)計。硬件電路主要包括單片機、顯示模塊、報警燈、溫濕度傳感器、按鍵、排風(fēng)扇等 六 部分，系統(tǒng)顯示模塊 由 DHT11 溫濕度傳感器及 LCD1602 字符型液晶模塊構(gòu)成，該電路系統(tǒng)簡單、工作穩(wěn)定、集成度高、調(diào)試方便，具有一定的實用價值，很容易在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中推廣實施。 此次設(shè)計系統(tǒng)的一大特點是可以通過下位機中的按鍵輸入溫濕度的上限值和預(yù)置值，溫濕度傳感器可以將環(huán)境中檢測的溫濕度非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量信號，再將這些信號進行處理，然后送至下位機中的單片機，單片機讀取數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)內(nèi)，通過進 LCD1602 行實時顯示，同時與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值進行比較處理；同時可以根據(jù)比較的結(jié)果對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的信號，并通過繼電器的控制對 相應(yīng)的設(shè)備如排風(fēng)扇進行操作，以保證大棚的溫濕度范圍能夠在預(yù)置的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫濕度狀態(tài)。 系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)處理模塊（ STC89C52 單片機）、信息采集模塊（ DHT11 溫濕度傳感器）、液晶顯示模塊、設(shè)置模塊、報警模塊、調(diào)控模塊設(shè)計而成。數(shù)據(jù)處蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計 4理模塊是采用微處理器芯片 STC89C52，其可靠性高，抗干擾能力強，來完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集、運算和邏輯控制的功能。溫濕度采集模塊使用的是 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，溫度測量范圍 0℃ ～ 50℃ ，濕度測量范圍 20%RH～ 90%RH?？梢詽M足一般的檢測需要 ,它使用單總線方式，接口 簡單，并且無需另外校準。分辨率為 8Bit，完全能夠滿足日常環(huán)境溫濕度的檢測要求。假如要求更寬測量范圍，只需更換溫濕度傳感器型號，硬件電路及軟件程序全兼容。配用 EEPROM芯片 AT24C04，使存儲的溫度上限和濕度上限可以掉電永久保存?？梢酝ㄟ^四個按鍵方便地實現(xiàn)溫濕度上限的調(diào)整。當(dāng)溫度或濕度超限后，報警信號點亮相應(yīng)報警燈。該信號也可以通過三極管驅(qū)動繼電器打開或切斷風(fēng)機、加熱器等外部設(shè)備。其系統(tǒng)原理設(shè)計框圖如圖 所示：圖中 STC89C52 單片機每 2 秒就會從 DHT11 溫濕度傳感器中讀入溫度和濕度，在液晶屏上即 時顯示。液晶屏上同時顯示溫濕度上限值，該上限值保存外部 EEPROM 存儲器中，掉電不失，并且可以通過四只按鍵上調(diào)或下調(diào)。當(dāng)溫度或濕度值超過上限值時，報警信號點亮相應(yīng)報警燈。該報警信號可以通過三極管驅(qū)繼電器，以控制外部風(fēng)機或加熱器。 D H T 1 1 溫 濕 度 傳 感 器S T C 8 9 C 5 2 單 片 機 外 部 E E P R O M溫 濕 度 上 限溫 度 、 濕 度 數(shù) 據(jù)L C D 顯 示溫 濕 度 值過 閾 報 警按 鍵 輸 入 圖 系統(tǒng)原理設(shè)計 蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計 53系統(tǒng)硬件設(shè)計 方案一： AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 型 8位單片機，該單片機器件是采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性 存儲技術(shù)生產(chǎn)，可以兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器 ( CPU )與 Flash存儲單元，功能強大。其片內(nèi)的 8K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。對于寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護我們的勞動成果。其次， AT89C52 目前的售價比8031 還低，市場供應(yīng)也很充足。 AT89C52 可以構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于 8K，四個 I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V 的電壓編程，而 且擦寫時間僅僅需要 l0ms。并且 AT89C51 芯片可以提供三級程序存儲器加密，提供了簡捷而又可靠的加密手段，可以完全保證程序或者系統(tǒng)不被仿制。 PO 口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀 /寫操作。 方案二： STC89C52 系列單片機的指令系統(tǒng)和 AT89C52 系列的完全兼容，但實際操作起來卻存在很多問題： （ 1） AT89C52 不帶 ISP 下載，但是要用下載器才行， STC89C52 可以用USB 轉(zhuǎn)串口下載，下載軟件可以到 STC 廠家網(wǎng)上去下。 （ 2） STC 單片機執(zhí)行指令的速度很快，大約是 AT 的 3~30 倍。雖然快是好事，但是這樣一來，在 AT 上好使的程序在 STC 上不一定好用，最典型的例子就是那些對時序有嚴格要求的模塊，用 STC 時注意得加長延時，大約是 AT的 10~30 倍就差不多，這一點可以通過調(diào)試驗證。 （ 3） STC89C52 單片機對工作環(huán)境的要求比較低，電壓低于 5 伏時仍然能夠正常工作，甚至 3 伏到 4 伏之間都還可以工作，然而這樣的環(huán)境下 AT 肯定不行，所以當(dāng)一個系統(tǒng)用 STC 單片機好用，但用 AT 的單片機不工作時，直接查最小系統(tǒng)，看單片機的供電是否正常。 比較這兩種方案，由于在學(xué)校期間學(xué)過數(shù)字電路、單片 機原理、 C 語言程序設(shè)計，綜合考慮單片機的各部分資源和作為學(xué)生能夠獲得的資源，經(jīng)過對比蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計 6此次設(shè)計要求，我選擇用 STC 系列芯片完成。而且學(xué)校也提供了相應(yīng)的硬件操作平臺，實際操作起來比較方便，故本系統(tǒng)選擇 STC89C52 單片機作為主控芯片。足夠本設(shè)計運行，且價格便宜，下載程序方便。 單片機最小系統(tǒng)主要是由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。對于一個完整設(shè)計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠性是系 統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎(chǔ)。此次最小系統(tǒng)中的電源供電模塊電源是 通過計算機的 USB 口供給，當(dāng)然也可使用外部穩(wěn)定的 5V 電源供電模塊供給。 振蕩電路（時鐘電路）最重要的是 STC89C52 單片機正常工作需要的時鐘電路提供一個穩(wěn)定的工作頻率。一般情況下，根據(jù) STC89C52 單片機時鐘周期的要求，回路需要選用頻率為 12MHz 的晶振。內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是引腳 XTAL1 和 XTAL2，在XTAL1 和 XTAL2 端口接上時鐘電源即可構(gòu)成時鐘電路，此系統(tǒng)設(shè)計中采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式。在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶振，與內(nèi)部的反相器構(gòu)成穩(wěn)定 的自激振蕩器。其發(fā)出的時鐘脈沖直接送入單片機內(nèi)定時控制部件。電容對頻率有微調(diào)作用。 單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳 RST 上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)在 STC89C52 單片機的 RST 引腳引入高電平并保持 2 個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。復(fù)位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復(fù)位有效。 復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。其數(shù)值可以由 RC電路計算出時間常數(shù)。復(fù)位電路是由上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩部分組成。 上電復(fù)位： STC89 系列單片為高電 平復(fù)位，通常情況下在復(fù)位引腳 RST 上連接一個電容到 VCC，再連接一個電阻到 GND，由此形成一個 RC 充放電回路保證單片機在上電時 RST 腳上有足夠時間的高電平進行復(fù)位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典型值為 10K 和 10uF。 按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、 RST 也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。 蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計 7如圖 為單片機最小系統(tǒng)原理。 圖 單片機最小系統(tǒng)原理 方案一：選用 DS18B20 溫度傳感器作為溫度檢測模塊。 DS18B20 是一線式數(shù)字溫度傳感器。它具有獨特的單線式接口方式。測量范圍在 55℃ ~125℃ ，10℃ ~85℃ ，誤差范圍在 \+℃ 。最高精度可達 ℃ 。 HS1101 是電容式濕度傳感器?？蓽y量相對濕度范圍在 0%~100%RH。 方案二：選用 DHT11 作為設(shè)計的溫濕度檢測模塊。 DHT11 是一種集成型的數(shù)字溫濕度一體傳感器。 DHT11 采用的是數(shù)字模塊采集技術(shù)與溫濕度傳感技術(shù)，這兩項技術(shù)確保產(chǎn)品具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器是由一個電阻式 感濕元件和一個 NTC 測溫元件組合而成，并與一個高性能 8 位單片機相連接。具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)較快、抗干擾能力強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。測量范圍 20%~90%RH， 0℃ ~50℃ 。測溫精度為 \+2℃ ，測濕精度為 \+5%RH。完全符合本次畢業(yè)設(shè)計的要求。 經(jīng)上述分析，方案一雖然精度更精確，卻稍顯復(fù)雜。方案二即便不能實現(xiàn)方案一的高精度測量。卻也能滿足設(shè)計要求。且簡便易行、可靠穩(wěn)定。具有超高的性價比，因此選擇方案二。 傳統(tǒng)的溫濕度傳感器需要處理的是模擬信號，容易受到外界環(huán)境和溫漂的影 響 ，造成測量精度較低和可靠性較差；此 外，溫室內(nèi)除了裝有測量溫濕度的傳感器外，還需多個傳感器、放大器和信號傳輸線。這些都將使得系統(tǒng)安裝P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0 (R X D )10P 3. 1 (T X D )11P 3. 2 (IN T 0 )12P 3. 3 (IN T 1 )13P 3. 4 (T 0)14P 3. 5 (T 1)15P 3. 6 (W R )16P 3. 7 (R D )17X T A L 218X T A L 119GND20(A 8 )P 2 .021(A 9 )P 2 .122(A 1 0 )P 2 .223(A 1 1 )P 2 .324(A 1 2 )P 2 .425(A 1 3 )P 2 .526(A 1 4 )P 2 .627(A 1 5 )P 2 .728P S E N29A L E / P R O G30E A /V P P31(A D 7 )P 0 .732(A D 6 )P 0 .633(A D 5 )P 0 .534(A D 4 )P 0 .435(A D 3 )P 0 .336(A D 2 )P 0 .237(A D 1 )P 0 .138(A D 0 )P 0 .039V C C408 9C 5 2Y111.0592MHzC230C3 30R71 0KV C C+ C11 0u F1 23 4K0R E S E TV C C蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計 8和維護的難度增大，從而使故障率增大。選用數(shù)字型溫濕度傳感器 DHT11，其最大的優(yōu)點就是將傳感器檢測信息的功能和微處理器的信息處理功能有機地結(jié)合在一起。采用的是線制串行接口，使得系統(tǒng)集成變得簡易便捷。超小的體積、極低的功耗，信號的傳輸距離可達 20 米以上，在很多條件下可以選擇它作為傳感器，除此之外它采用的是使 4 針單排引腳封裝，連接方便，其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。 數(shù)字型溫濕度傳感器的特點是直接輸 出數(shù)字量。將溫度感測 、濕度感測 、信號變換 、 A/D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能都集成到一個芯片上， DHT11 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，具有可靠性高與穩(wěn)定性高的特點，被廣泛的應(yīng)用日常生活中。 DHT11 通過二線數(shù)字串行接口來訪問，所以硬件接口電路非常簡單。 DHT11 溫濕度數(shù)字傳感器采用的是 4 針單排引腳封裝，傳感器通電后，需要等待 1s，這是因為需要越過不穩(wěn)定的狀態(tài)，在此期間不需發(fā)送指 令，電源引腳（ VDD， GND）之間可增加一個 100nF 的電容，用以去耦濾波。 DHT11 實物圖如圖 ： 圖 DHT11實物 DHT11傳感器模塊的軟件流程如圖 ： 蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計 9 圖 DHT11 傳感器模塊程序流程 DHT11 的技術(shù)參數(shù)如下： 供電電壓： ~ DC； 輸出：單總線數(shù)字信號； 測量范圍：濕度 20～ 90%RH，溫度 0~50℃ ； 測量精度：濕度 177。5%RH，溫度 177。2 ℃ ； 分辨率：濕度 1%R