毕业设计农业大棚温湿度监控系统设计.docx
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毕业设计农业大棚温湿度监控系统设计
长 沙 学 院
CHANGSHAUNIVERSITY
毕业设计资料
设计（论文）题目：
农业大棚温湿度监控系统
监控系统设计
系 部：
电子与通信工程系
专业：
通信工程
学生姓名：
班级：
学号
指导教师姓名：
职称
最终评定成绩
长沙学院教务处
二○一四年五月制
第一部分设计说明书
一、设计说明书
第二部分外文资料翻译
一、外文资料原文
二、外文资料翻译
第三部分过程管理资料
一、毕业设计课题任务书
二、本科毕业设计开题报告
三、本科毕业设计中期报告
四、毕业设计指导教师评阅表
五、毕业设计评阅教师评阅表
六、毕业设计答辩评审表
2014届
本科生毕业设计资料
第一部分设计说明书
（2014届）
本科生毕业设计说明书
基于单片机的粮库温度监控系统设计
系 部：
电子与通信工程系
专业：
通信工程
学生姓名：
班级：
学号
指导教师姓名：
职称
最终评定成绩
2014年5月
长沙学院本科生毕业设计
基于单片机的农业大棚温湿度监控系统设计
系（部）：
电子与通信工程系
专业：
通信工程
学号：
学生姓名：
指导教师：
教授
2014年5月
大棚技术在全国各个乡镇已经普及了，但是随着这些温室大棚的数量不断增加，对于大棚内的温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的控制显得极其重要，特别是温湿度的监控。
本课题设计了基于单片机的农业大棚温湿度监控系统，更好的对各个农业大棚内各个环境因素进行监控。
本系统由三部分组成：
第一部分的功能是在农业大棚中负责监控温室，主要是有单片机读取温湿度传感器DT11测得的温湿度，并且在数码管显示。
第二部分功能是负责将所测得的温湿度从农业大棚传到管理员的电脑或其他通讯设备上，这样可以让管理员及时准确的查看大棚内的温湿度，这部分主要是有485通讯总线完成传输。
第三部分的功能则是上位机处理接收的温湿度值，并且判断这些温湿度值是否在合理的温湿度范围内，如果超出预设值就立即报警。
通过多次测试表明，系统各个部分功能正常，相互衔接良好，操作简单方便，大大提高了温室大棚的科学管理水平，可以减少劳动者的工作量，减少支出，提高大棚内产品的产量，增加劳动者的收入，提高国民生产值，具有很好的发展未来。
关键词：
单片机、温室大棚、温湿度监控、485通讯总线、DHT11
Greenhousetechnologyinvariousvillagesandtownshasspreadacrossthecountry,butwiththegrowingnumberofgreenhouses,forinsidethegreenhousetemperature,humidity,lightintensityandco2concentrationcontrolisextremelyimportant,especiallythetemperatureandhumiditymonitoring.Thistopicdesignagriculturalgreenhousetemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonsinglechipmicrocomputer,thebettertomonitorvariousenvironmentalfactorswithintheagriculturalgreenhouses.
Thissystemconsistsofthreeparts:
thefirstpartofthefunctionisresponsibleformonitoringthegreenhouseinagriculturalgreenhouses,mainlyhaveamicrocontrollerreadsDT11measuredtemperatureandhumidity,temperatureandhumiditysensorandthedigitaltubedisplay.Functioninthesecondpartisresponsibleforthetemperatureandhumiditywillbefasterfromagriculturecanopytotheadministratorofthecomputerorothercommunicationsequipment,sothattheadministratortimelyandaccuratelycheckthetemperatureandhumidityinsidethegreenhouse,thispartmainlythrough485communicationbustransmission.Thethirdpartisthefunctionofuppermachineprocessingreceivevaluesoftemperatureandhumidity,andjudgewhetherthetemperatureandhumidityvalueinareasonablerangeoftemperatureandhumidity,ifmorethanthedefaultvalueisimmediatelyreporttothepolice.
Throughmanytestsshowthatsystemhasthefunctionofeachpartisnormal,eachotherisgood,simpleandconvenientoperation,greatlyimprovethescientificmanagementlevelofthegreenhouses,canreducetheworkloadoflaborer,reduceexpenditure,increaseinthegreenhouseproductionofproducts,increasetheincomeofworkers,improvethenationalproduction,hastheverygooddevelopmentfuture.
Keywords:
singlechipmicrocomputer,greenhouses,monitor,485communicationbus,DHT11temperatureandhumidity
第一章绪论
我国是农业大国，农业的现代化建设在我国的科技兴国占略中占有重要位置，没有农业的现代化，就谈不上全面建设小康社会，也就没有中国整个社会的现代化，因此，我们必须重视并加快我国的农业现代化的建设。
我国作为一个发展中国家，改革开放以来，我国农业经济得到了迅猛发展，取得了举世瞩目的成绩，但与发达国家相比，我国的农业经济，无论在速度上、规模上、还是在效益上，与世界现代农业还有很大的差距，我国的农业现代化建设道路还十分艰巨。
我国农业生产的资源比较短缺，在推进农业现代化进程中，需要将提高资源利用效率作为中心，这是落实科学发展观，建立资源节约型社会的一个重要方面。
提高农业资源利用效率，需要利用先进的农业生产技术，优良的品种，建立适应区域特点的耕作制度，农业产业结构，同时加强科学管理，实现农业的可持续发展，加快农业现代化进程。
从农业资源角度看，我国水土资源短缺将是农业现代化进程中长期的、根本性的制约因素。
特别是进入20世纪80年代后，水土资源对农业发展的约束不断加剧，人与水土资源之间的矛盾日益突出。
同时，随着工业化和城市化发展，水土资源被挤占的势头难以逆转，农业将面临日趋严峻的水土资源短缺。
据统计，目前，我国人均耕地、草地、林地、水资源分别不到世界平均水平的30%、40%、14%和25%，随着经济总量和人口总量的增加，下个世纪我国农业资源将迅速接近承载能力的上限。
综上所述，农业产出效益对于我国农业发展有着重要意义，而温室大棚的出现，无疑为我国解决了很多农业问题，如全年种植等。
温室大棚又称暖房。
能透光、保温（或加温），用来栽培植物的设施。
在不适宜植物生长的季节，能提供生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。
目前全球气候变暖的趋势严重，一年中感觉没有春节和秋季，严重的影响了我们的正常生产生活，尤其是在我们日常所需的农作物，这样对于我们农作物的正常生长有着极大的破坏，严重的影响这我们粮食、蔬菜水果等农作物的产出，从而影响这我国的市场经济以及国民生活，所以农业大棚的普及是我国农业现代化发展的必然趋势[1]。
1.1农业大棚的特性
农业大棚的主要技术参数是大棚内的温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度，这几者在农作物生长过程中都是必不可缺的。
在大棚内根据不同的农作物，调节不同的生长综合条件，增加农作物的产出量[2]。
1.2农业大棚温湿度监控技术的发展历程
随着农业大棚在我国的日益普及，以及通信工程技术的飞速发展，以往传统的采用人工测量温湿度的方法已经跟不上现在农业科技的发展脚步了，特别是近几年，单片机技术渐渐成熟，对农业大棚温湿度远程监控已经是必然趋势。
20世纪80年代，我国农业科研人员在温度环境的控制和管理领域已经开始应用计算机，对于温室中的温度、湿度。
二氧化碳浓度和光照强度等环境因素的控制技术进行了研究。
1982年，中国农业科学研究院建立了第一个农业系统计算机研究机构，并首次在温室环境中应用了计算机系统。
温室的监控系统的研发在我国就逐步发展起来[3]。
以51单片机为核心，每一个大棚配一台单片机作分机，用来测控各个大棚内的温、湿度。
各温室中的分机都会受主控制机的控制，每一个大棚都配备一台PC机，作为主控机，控制大棚内的农作物生长的各个因素。
由于以单片机为核心构成的监控系统不仅成本低，灵活性大，而且易于操控等，因此在农业大棚监控系统中应用极为广泛。
农业大棚监控系统的构成大体上可以分为3部分：
一是温度和湿度参数的测量转换，二是测量的数据进行传输，三是数据的集中显示与处理[4]。
1.3.1温度和湿度的测量
农业大棚监控系统中温湿度测量是主要环节。
温湿度传感器种类很多，主要分为模拟温湿度传感器和数字温湿度传感器。
模拟温度传感器又有线性和非线性之分。
不同的传感器有各自的特点。
本次设计所用的传感器模块是DHT11数字温湿度传感器，通过DHT11测量出的当前环境下的温湿度，然后将所测得的数据传输给AT单片机进行处理和分析，并存进不同的数组中，以便可以再显示的时候使用，为了稳定的显示，这次设计中系统每隔5s采集一次数据传输给单片机[5]。
1.3.2测量数据的传输
由于各农业大棚距监控中心比较远，一般都有几十米甚至几百米，因此数据传输是一个远程多机通讯系统。
由库房采集的数据在上传过程中往往易受干扰，干扰源主要有三个方面。
一是现场用电设备产生的电磁干扰；二是电源线具有的50Hz工频干扰；三是各库房之间的公共接地阻抗产生的干扰。
监控系统要求有一台PC机作为上位机，管理多台分机和进行数据集中显示与处理，而RS232通讯协议只允许点对点通讯，最大通讯距离15米，而且驱动器只允许有2500pF电容负载，通信距离也将受此电容限制。
将RS232转换成可以进行多点通讯的RS485方式是被广泛采用的一种通信方式。
RS485通信具有带载能力强，传输距离远（可达1200m），功耗小，传输速率高（最高达1Mbps）等特点。
此外，RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有很强的抑制共模干扰能力。
但是485总线仍然只是一种常规的通信总线，它不能够做总线的自动仲裁，也就是不能够同时发送数据以避免总线竞争，所以整个系统的通信效率必然较低，数据的冗余量较大，对于速度要求高的应用场所不适宜用485总线在粮库监控系统中另一种被采用的通信方式是无线通信。
无线数据传输对于在那些布线困难、环境恶劣的工业控制场所，不失是一种行之有效的数据传输方法。
它传输距离远，可以不受障碍物的影响，因此可以节省成本，使用上也比较灵活。
但是由于无线信号是向空间开放的，因此也很容易受到干扰。
数据的编码方式会影响到传输的可靠性。
好的编码方式将带来强的抗干扰性。
本系统在设计中采用了一种基于移频键控原理的编码方式，对要发送的数据进行二次调制，就是把要发送的数据调制到频率一定的方波信号中发送出去，采用1个周期的2.4KHz方波代表二进制数“0”，2个周期的408KHz方波代表二进制数“1”，总的数据发送速率为204Kbps，这样在数据传输过程中，数据隐含在2种方波信号中，且方波都在最佳传输速率中，因此可以有效抑制噪声数据。
由于微电子技术的发展，现在的无线数传的发射电路与接收电路都已实现模块化，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
1.3.3数据的集中显示和处理
农业大棚监控系统的使用最终是要面向用户的，因此用户监控软件的开发将决定系统能否方便高效的运行。
随着面向对象编程技术的发展，各种面向对象编程语言如VB，VC等逐渐成为用户软件开发的得力工具，在农业大棚监控系统软件设计中都有应用实例。
系统上位机监控软件也可以采用工控组态软件来实现，接口美观，运行可靠。
由于采用标准的图形用户接口，操作十分方便、直观。
用户软件功能一般包括数据读取及显示，报警参数设置，历史曲线打印等。
随着现代化农业技术和计算机技术的发展，温室大棚的监控将会朝着智能化、信息化、优质高效、低耗能等方向发展，与传统的人工监测相比，现代化的温室大棚可以精确的控制农作物的生长环境，促进农作物生长，提高产量等等。
第二章微机控制的大棚监控系统概况
农业大棚监控系统是由一台主机控制多台分机，这些分机在从不同的大棚采集温湿度发送到主机，由主机处理。
2.1系统功能与结构框图
1.一台主控机可管理最多32台分机；
2.一台分机可以测试最多1024点温湿度；
3.温湿度传感器采用单总线数字器件DHT11；
4.分机与主控机之间采用有线；
5.组态编写上位机用户监控软件，全图形接口；
6.温度或湿度历史曲线查询打印，温度或湿度报替设置。
如图2.1所示为系统组成结构框图
图2.1系统组成结构框图
针对农业占地面积大，数量多，被控对象分散，自动化程度要求较高的特点，系统设计采用了分层式系统结构，分散式系统安装。
整个系统从结构上可分为三层：
由微型计算机系统构成上位机用户监控层，8051单片机系统构成主控机的控制层和分机测量层。
主控机与n台分机采用主从式分布结构，通过无线通信方式进行远距离通信，系统组成结构如图2.1所示。
其中n为分机台数，n取值范围为（1-64）。
系统的工作过程说明如下：
这套系统的通讯采用循检方式，PC机每隔一定时间便向主控机发出读温度数据命令。
主控机收到命令后，先是将存储在RAM中的最近测量的数据依次上传给PC机。
传输完毕后，主控机向第一台分机发出读温湿度数据命令，命令经过通信单片机（89C2051）编码后送到RS485。
第一台分机的将收到的信号送到分机的通信单片机进行译码，译码后的命令送给分机CPU，分机CPU解释命令后，将存储在分机SRAM中的数据通过分机通信单片机的编码依次上传给主控机。
主控机接收完毕并校验无误后，更新存储器中的相应位置的保存数据，然后向第二台分机发出温湿度数据上传命令，以此类推，直至所有分机都巡阅完毕。
分机则利用通信的间隙不断读取粮库中温度传感器测量的最新温度值，从而更新分机SRAM中的数据，以备主控机读取;所有的命令和数据都经过CRC-16校验，如果接收方对接收的命令（数据）校验出错，则会舍弃此帧数据，然后等待下一次接收。
而发送方在接收方无响应超过一定时间后，将认为前面的发送出错，会组织重发，如果重发三次还无响应，则发送方会放弃此命令的发送，继而进行后续工作。
系统的命令和数据完整的走向如图2.2所示。
图2.2命令和数据传输流程图
3.1单片机简介和应用
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。
它主要是作为控制部分的核心部件[6]。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用。
2.在工业控制中的应用。
3.在家用电器中的应用。
4.在计算机网络和通信领域中的应用。
5.单片机在医用设备领域中的应用。
6.在各种大型电器中的模块化应用7.单片机在汽车设备领域中的应用此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途[7]。
3.2DHT11的原理
3.2.1、传感器的信息
型号
测量范围
测湿精度
测温精度
分辨力
封装
DHT11
20－90％RH0－50℃
±5％RH
±2℃
1
4针单排直插
表3.1传感器信息表
3.2.2、传感器性能说明
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
1
1
1
%RH
8
Bit
重复性
±1
%RH
精度
25℃
±4
%RH
0－50℃
±5
%RH
互换性
可完全互换
量程范围
0℃
30
90
%RH
25℃
20
90
%RH
50℃
20
80
%RH
响应时间
1/e（63%）25℃，
1m/s空气
6
10
15
S
迟滞
±1
%RH
长期稳定性
典型值
±1
%RH/yr
温度
分辨率
1
1
1
℃
8
8
8
Bit
重复性
±1
℃
精度
±1
±2
℃
量程范围
0
50
℃
响应时间
1/e（63%）
6
30
S
表3.2传感器性能表
3.2.3、接口说明
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
图3.1应用电路图
3.2.4、电源引脚
DHT11的供电电压为3－5.5V。
传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
3.3各种标准串行通信接口
3.3.1RS-232的原理
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆）。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。
同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
[7]
典型地，串口用于ASCII码字符的传输。
通信使用3根线完成：
地线、发送、接收。
由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。
其他线用于握手，但是不是必须的。
串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。
对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：
1）波特率：
这是一个衡量通信速度的参数。
它表示每秒钟传送的bit的个数。
2）数据位：
这是衡量通信中实际数据位的参数。
当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。
如何设置取决于你想传送的信息。
3）停止位：
用于表示单个包的最后一位。
4）奇偶校验位：
在串口通信中一种简单的检错方式。
有四种检错方式：
偶、奇、高和低。
当然没有校验位也是可以的。
3.3.2RS-485的特点
（1）RS-485的电气特性：
逻辑1以两线间的电压差为+2～+6V表示；逻辑0以两线间的电压差为-2～+6V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。
而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
（5）因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
3.3.3
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