基于单片机的智能温室温湿度控制系统的设计.doc
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基于单片机的智能温室温湿度控制系统的设计
摘要：
在农业生产中，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。
在温室大棚中，最关键的是温湿度控制方法。
传统的温湿度控制方法完全是人工的，不仅费时费力，而且效率低。
本文旨在论述一种温室大棚温湿度控制系统的设计，该系统主要由单片机AT89S52、温湿度传感器DHT11、无线通信模块nRF2401、液晶显示LCD1602等组成。
采用温湿度传感器DHT11来测量温湿度，它的精确度高，而且DHT11直接是输出数字信号，可直接与单片机相连。
通过无线传感器nRF2401来进行信号传送，这样能够降低布线的麻烦。
显示部分使用的是LCD1602来显示温湿度。
本系统的核心是单片机AT89S52，接收传感器所测的数据并处理，然后执行各种操作。
本系统智能度高，可靠性高，系统工作稳定，且综合性价比较高，具有较大的市场应用前景。
关键词：
单片机，温湿度控制系统，温湿度传感器DHT11，LCD显示，无线模块nRF2401
DesignoftemperatureandhumidityintelligentgreenhousecontrolsystembasedonSCM
Abstract:
Inagriculturalproduction,moreandmoreextensiveapplicationinthegreenhouse,createmoreeconomicbenefitsforthepeople.Inthegreenhouse,themostcriticalisthetemperatureandhumiditycontrolmethod.Temperatureandhumiditycontroloftraditionalmethodsisentirelyartificial,notonlytime-consumingeffort,andlowefficiency.ThesystemconsistofthemicrocontrollerAT89S52,digitaltemperatureandhumiditysensorDHT11,wirelesssensorNRF2401,LCD1602andothercomponents.TomeasurethetemperatureandhumidityusingtemperatureandhumiditysensorDHT11,itsprecisionishigh,andtheDHT11isdirectlyoutputdigitalsignal,canbedirectlyconnectedwiththesingle-chipmicrocomputer.ThroughtheNRF2401totransmitsignals,itcanreducethetroubleofwiring.ThedisplaypartisusingLCD1602todisplaythetemperatureandhumidity.ThecoreofthissystemisAT89S52,themeasuredsensordatareceivedandprocessed,andthenperformvariousoperations.Thesystemofhighintelligence,highreliability,thesystemisstable,andthehigherprice,hasgreatmarketprospect.
Keyword:
SCM,Temperatureandhumiditycontrolsystem,TemperatureandhumiditysensorDHT11,LCDdisplay,WirelessmoduleNRF2401
2
目录
1引言 1
1.1课题背景 1
1.2立题的目的及意义 1
1.3国内外的研究现状及发展趋势 2
1.4本系统主要研究内容 3
2系统总体设计 3
2.1系统功能设计 3
2.2系统的组成 4
2.3系统工作原理 4
3系统硬件设计 6
3.1单片机系统设计 6
3.2温湿度传感器设计 11
3.3无线模块设计 16
3.4液晶显示装置设计 21
3.5报警系统设计 23
4系统软件设计 25
4.1系统初始化模块 26
4.2数据采集模块 26
4.3无线模块 27
4.4显示模块 29
4.5报警模块 30
5硬件调试 31
结论 36
附录 37
参考文献 71
致谢 74
第I页共II页
1引言
1.1课题背景
在现代的大棚种植技术中，温度、湿度是大棚蔬菜能否茁壮成长的重要因素。
目前我国大棚生产规模虽然空前巨大，但是大棚的设备比较陈旧，温度采集方式落后，农村采用煤油温度计的温度采集方式，不仅温度采集较为老套，并且费时费力，不利于大棚生产规模的扩大，也不利信息化程度的提高[1]。
农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业，由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命[2]。
科技的发展促进了农业的发展，温室大棚在农业中的应用越来越广泛。
传统的温室大棚的自动化程度很低，基本是是粗放型的人工操作，即便对于所给定的量，在操作中无法进行有效的控制，很大程度上限制了温室大棚的经济效益。
以前种植植被一般都用温室栽培，为了充分的利用好温室栽培这一高效技术，就必需有一套科学的，先进的管理方法，用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿度等进行实时的监控。
温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义，它代表了一类自动控制的方法，而且其应用十分广泛。
1.2立题的目的及意义
AT89S52单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实例也很多。
使用AT89S52单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且AT89S52单片机易于学习、掌握，性价比高。
使用AT89S52单片机设计温湿度控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化。
完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此[3]。
将此系统应用到温室当中无疑为植被的生长提供了更加适宜的环境。
1.3国内外的研究现状及发展趋势
美国是将计算机应用于大棚和管理最早，最多的国家之一。
美国开发的大棚计算机控制与管理系统可以根据作物的特点和生长所需要的条件，对大棚内的光照，温度，湿度等诸多因素进行自动控制。
这种自动控制系统需要种植者输入温室作物生长所需的环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标进行比较，以决定大棚温湿度的控制过程，按照相应的机构进行加热，降温或者是浇水，通风等[4]。
目前，我国绝大部分自主开发的大棚温湿度控制或者进口的国外设备都属于这种系统。
虽然这种自动控制系统实现了自动化，适合规模化生产，提高了劳动生产率，通过改变大棚温湿度的设定目标，可以自动的对大棚内温湿度进行调节，但是这种调节对作物的生长来说还是相对滞后的，难以介入作物生长的内在规律。
所以在这种自动控制系统和实践的基础上，温湿度自动控制向着适合不同作物生长的智能化控制发展。
国外大棚业正致力于高科技发展，遥测技术，网络技术，控制局域网已逐渐应用于大棚的管理和控制中，近几年各国温度控制技术提出建立大棚行业标准，朝着网络化，大众化，大规模，无人化的方向发展的思路[5]。
目前国内外的温湿度检测使用的温湿度检测元件种类繁多、应用范围也较广泛加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片机数据采集系统[6]。
基于单机片的温湿度监测控制系统的设计研究较少。
随着经济和社会的不断发展，人们对自己的生活环境要求越来越高。
特别在温室大棚中，对温湿度要求更为严格。
基于单片机的温室温湿度控制统设计，将对环境的温湿度监测系统做详细的设计与实现。
1.4本系统主要研究内容
本系统主要完成的任务：
1.进行温湿度控制系统的整体研究与设计。
2.利用数字温湿度传感器DHT11测量大棚内的温湿度。
3.通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等）进行报警，并采取相应的方案。
4.利用LCD对温湿度进行实时显示。
5.利用NRF24L01无线模块实现数据的远距离传输
2系统总体设计
2.1系统功能设计
1.温湿度监控：
实现对温室大棚温湿度参数的实时采集，测量空间的温度和湿度，由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示，实现温湿度的智能检测。
2.控制处理：
当温湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。
3.无线传输：
用温湿度传感器将测量的温湿度数据通过无线模块进行传输。
温湿度传感器达到的技术指标：
测量范围：
湿度20-90%RH，温度0-50℃
测量精度：
湿度+5%RH，温度+2℃
2.2系统的组成
以单片机为控制核心，采用温湿度测量技术，通信技术，控制技术等技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量控制系统。
可分为温湿度测量电路，显示电路，报警电路，无线模块，图2.1选用的主要器件有：
单片机AT89S52，温湿度传感器DHT11，1602LCD显示模块，LED灯，报警装置蜂鸣器,NRF2401无线模块等。
图2.1系统组成
2.3系统工作原理
本系统以单片机AT89S52为核心，数据采集、传输、显示、报警都要通过单片机。
数据采集通过单总线的智能数字温湿度传感器DHT11完成；通过单片机把采集的数据显示在1602LCD上；当采集的数据超出给定范围时，有蜂鸣器实时报警，并将数据通过NRF2401无线传输给另一个单片机上显示。
单片机采用C语言编程。
图2.2流程框图
3系统硬件设计
3.1单片机系统设计
经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据，根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用AT89S52单片机。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，AT89S52拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[11]。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[12]。
其引脚排列如图3.1所示：
图3.1AT89S52引脚图
（1）电源及时钟引脚（4个）
VCC:
电源接入引脚；
GND:
接地引脚；
XTAL1:
晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；
XTAL2:
晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。
（2）控制线引脚（4个）
RST/VPD:
复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；
ALE/PROG:
地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚（低电平有效）；
EA/Vpp:
内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚；
PSEN:
外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。
（3）并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）
P0.0～P0.7:
一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；
P1.0～P1.7:
一般I/O引脚；
P2.0～P2.7:
一般I/O引脚或高位地址总线引脚；
P3.0～P3.7:
一般I/O引脚或第二功能引脚。
其内部主要由CPU、RAM、ROM、通用I/O及总线构成，内部结构如图3.2所示：
8051
时钟
程序存储器
数据存储器
定时计数器
并行I/O口
串行通信口
中断系统
数据
总线
地址
总线
控制
总线
图3.2AT89S52内部结构图
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格；
单片机的寄存器
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
程序存储器：
如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
对于89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：
2000H~FFFFH。
数据存储器：
AT89S52有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。
当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。
直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）[12]。
机器周期和指令周期
（1）振荡周期:
也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。
（2）状态周期:
每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。
（3）机器周期:
一个机器周期包含6个状态周期S1~S6,也就是12个时钟周期。
在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。
（4）指令周期:
它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。
每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。
中断
AT89S52有6个中断源：
两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。
每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。
IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。
IE.6位是不可用的，对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。
用户软件不应给这些位写1。
它们为AT89系列新产品预留。
定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。
程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。
实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。
定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。
它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。
然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。
复位电路
本系统采用上电+按键复位，是上电复位和按键电平复位的组合，无论是上电还是按动按键都能使单片机复位。
如图3.3所示：
R2
1K
R3
10K
C3
10uf
RESET
图3.3复位电路
在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。
所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。
复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。
按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的[13]。
时钟电路
时钟引脚为XTAL1、XTAL2，时钟引脚外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号，时钟引脚也可外接晶体振荡器。
XTAL1（19脚）：
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端。
这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。
若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端[14]。
本系统采用晶振时钟电路。
外部晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。
外接晶振时，C1和C2通常选择30pf,晶振采用12MHz。
本设计时钟电路如下图3.4所示：
XTAL2
18
XTAL1
19
12MHZ
CRYSTAL
C1
30p
C2
30p
图3.4时钟电路
3.2温湿度传感器设计
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接[15]。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
DHT11的简介
·相对湿度和温度测量
·全部校准，数字输出
·卓越的长期稳定性
·无需外加器件
·超长的信号传输距离
·超低能耗
·4引脚安装
·完全互换图3.5DHT11
引脚说明
建议接线长度短于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。
引脚1：
VDD供电3-5.5V
引脚2：
DATA串行数据，单总线
引脚3：
NC空脚，悬空
引脚4：
GND接地，电源负极
图3.6典型应用
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。
串行接口（单线双向）
1.单总线说明
DHT11器件采用简化的单总线通信。
单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。
设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。
由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机[16]。
2.单总线传送数据位定义
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位。
3.校验位数据定义
“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”8bit校验位等于所得结果的末8位。
4.数据时序图
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
图3.7数据时序图
5.外设读取
（1）DHT11上电后，测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平；此时DHT11的DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。
（2）微处理器的I/O设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms，然后微处理器的I/O设置位输入状态，由于上拉电阻，微处理器的I/O即DHT11的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出回答信号。
图3.8主机发送起始信号
（3）DHT11的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHT11的DATA引脚处于输出状态，输出80us的低电平作为应答信号，紧接着输出80us的高电平通知外设准备接受数据，微处理器的I/O此时处于输入状态，检测到I/O有低电平（DHT11回应信号）后，等待80us的高电平后的数据接收。
图3.9发送信号
（4）由DHT11的DATA引脚输出40位数据，微处理器根据I/O电平的变化接收40位数据，位数据“0”的格式为：
50us的低电平和26-28us的高电平；位数据“1”的格式为：
50us的低电平加70us的高电平。
图3.10位数据“0”的格式
图3.11位数据“1”的格式
测量分辨率
测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）。
电气特性
VDD=5V，T = 25℃，除非特殊标注
表3.1电气特性表
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
mA
平均
0.2
1
mA
待机
100
150
uA
采样周期
秒
1
次
3.3无线模块设计
nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行
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