1、 本科毕业论文（设计） 基于单片机蔬菜大棚温湿度监测系统设计 系（部） 信息工程系 专 业 自动化 学 号 201207022119 学生姓名 指导教师 提交日期 2014 年 5 月 26 日 中工 信商 2014-XX16- I 摘要 蔬菜大棚温湿度监测系统，是对蔬菜大棚内环境温湿度的实时监测。进行环境温湿度监测是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对检测到温湿度数据的分析，并结合蔬菜生长发育规律来进一步控制环境条件，使某些蔬菜 在不适宜的反季中可获得比大棚外生长更优的环境条件，达到蔬菜优质、高效以及高产的栽培目的。 本设计是基于 STC12C5A60S2 单片机的蔬菜大棚温湿度
2、监控系统，采用 DHT11 作为温湿度传感器，使用 LCD Nokia5110 液晶屏进行温湿度数据实时显示，监测到的温湿度数据通过西门子 TC35 GSM 模块发送至上位机监测系统。同时，对整个监控系统设计原理和实现方法作详细介绍。 关键字： STC12C5A60S2 单片机， TC35， DHT11，温湿度监测 II Abstract Vegetable greenhouse temperature and humidity monitoring system, it is for the real-time monitoring of environmental temperature
3、and humidity in the vegetable greenhouses.Of environmental temperature and humidity monitoring greenhouse production management is to realize the automation, the basic guarantee for the scientific, through the analysis of the temperature and humidity data detected, and combining the vegetable growth
4、 development pattern to further control the environment condition, make some vegetables in the season of inappropriate can obtain better than outside greenhouses growth environment conditions, purpose of vegetables of high quality, high efficiency and high yield cultivation. This design is based on
5、STC12C5A60S2 MCU vegetable greenhouse temperature and humidity control system, using DHT11 as temperature and humidity sensor, using Nokia5110 LCD real-time display of temperature and humidity data, monitoring the temperature and humidity data sent via Siemens TC35 GSM module first place machine mon
6、itoring system.At the same time, the whole monitoring system design principle and implementation method in detail. Keywords： STC12C5A60S2MCU, TC35, DHT11, temperature and humidity monitoring 目录 摘要 . I Abstract . II 1 引言 . 1 1.1 设计目的和意义 . 1 1.2 选题背景及发展趋势 . 1 1.3 研究的基本内容与拟解决的主要问题 . 3 1.3.1 本设计主要研究内容 .
7、 3 1.3.2 本设计拟解决的主要问题 . 3 2 温湿度监测系统方案设计 . 5 2.1 温湿度监测系统设计 . 5 2.2 温湿度监测系统设计指标要求 . 5 2.3 温湿度系统方案论证选择 . 5 2.3.1 主控芯片方案选择 . 5 2.3.2 传感器模块方案选择 . 6 2.3.3 通信模块方案选择 . 6 2.3.4 显示模块方案选择 . 6 2.3.5 键盘模块方案选择 . 7 3 温湿度监测系统硬件电路设计 . 8 3.1 温湿度监测系统硬件结构总体研究 . 8 3.2 单片机最小系统电路设计 . 9 3.3 显示模块电路设计 . 10 3.4 温湿度传感器电路设计 . 11
8、 3.5 时钟电路设计 . 11 3.6 报警电路设计 . 12 3.7 键盘电路设计 . 13 3.8 串口通信电路设计 . 13 3.8.1 TC35 串口通信电路设计 . 14 3.8.2 PC 机串口通信电路设计 . 14 3.9 系统电源电路设计 . 15 4 温湿度监测系统软件设计 . 16 4.1 温湿度监测系统软件结构总体研究 . 16 4.2 显示单元软件设计 . 17 4.3 温湿度传感器单元软件设计 . 18 4.4 通信单元软件设计 . 21 4.4.1 通信协议设计 . 21 4.4.2 TC35 发送接收信息软件设计 . 22 4.5 时钟单元软件设计 . 23 4
9、.6 键盘单元软件设计 . 24 5 温湿度监测系统调试 . 26 5.1 温湿度监测系 统硬件装配 . 26 5.1.1 温湿度监测系统硬件设计环境 . 26 5.1.2 温湿度监测系统整机装配 . 28 5.2 温湿度监测系统软件调试 . 30 5.2.1 温湿度监测系统软件开发环境 . 30 5.2.2 温湿度监测系统软件总调 . 31 6 结论 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 35 附录 . 36 附录一 蔬菜大棚温湿度监测系统原理图 . 36 附录二 蔬菜大棚温湿度监测系统软件源程序 . 37 中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 1 1 引言 1.1 设计目的和意义 随着
10、农业产业规模不断扩大和大棚技术的不断普及，蔬菜大棚数量不断增多， 温湿度控制是蔬菜大棚一个重要的控制环节。农作物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中会受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的两个指标是环境的温度和湿度。环境昼夜的湿度和温度变化较大，其对植物生长极其不利。因此必须对环境的温湿度进行实时监测和控制，使其适合农作物的生长，提高其质量和产量。 温度太低，蔬菜就会被冻死，湿度太低，蔬菜就会停止生长，所以要将温度和湿度控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度 控制是在温室大棚内部悬挂一个温度计，由人工读取温度值来调节大棚内的温度。如果仅依靠人工来控制，既耗人力，又容易出差
11、错。现在随着农业产业规模的不断扩大，传统的温湿度监测控制措施表现出极大的局限性。因此在现代化的蔬菜大棚管理中，通常有温度湿度自动监测控制系统，来实时监测控制温室大棚温度湿度，适应生产需要。本次毕业设计了基于单片机 STC 12C5A60S2 和温湿度传感器 DHT11 采集数据的温湿度监测系统。 1.2 选题背景及发展趋势 温室是一种可以改变植物生长环境、为农作物生长创造最佳条件、避免外界恶劣气候 和四季变化对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其它不适宜陆地农作物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进农作物生长发育，防治病虫害及提高产量、质量等为目的。而
12、温室设施的关键技术是环境监测和控制，该技术的最终目标是提高作业与控制精度。 国外对温室环境控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。 80 年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展 很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展 1。 美国是最早发明计算机的国家，也是最早将计算机应用于温室管理和控制、最多的国家之一。美国拥有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境 (气象环境和栽培环境 )
13、进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内水温、气温、土壤温度、管道温度、锅炉温度、保温幕状况、相对空气湿度、泵的工作状况、通窗状况、 CO2 浓度、 Ec 调节池与回流管数值、pH 调节池与回流管数值；室外监控项目包括太阳辐射强度、大气温 度、相对湿度、风中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 2 向风速等。温室专家系统的应用给种植者带来了许多经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。 以园艺业著称的荷兰从 20 世纪 80 年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并积极的开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水
14、平，拥有玻璃温室 1.2 万多平方米，占世界 1/4 以上，有 85的温室用户使用计算机控制温室环境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出修正值曲线、设定参数曲线以及测量数据曲线 ，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并可以直接对计算机串口进行设置，完成下位机与上位机之间的通信。上位机软件集信息显示、参数设置、控制监测等功能于一体，同时还能够很好地完成气候的控制、温室灌溉和管理。 此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。网络技术、遥测技术、控制局域网已逐渐应用于温室管理和控制中 2。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完
15、成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过直观的图形化界面与这种分布式的控制系统通信，就像在现场操作一样，给 人一种身临其境的感觉。 从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历了三个发展阶段。 （ 1）手动控制：这是在温室控制技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心，通过对温室内外的气候的状况和对农作物生长的状况进行观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反
16、应是最直接，最迅速且最有效的，它符合传统农业的生产规律 。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工业化农业的生产需要，而且对种植者的素质要求较高 3。 （ 2）自动控制：这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器实际的测量值与事先设定的参数进行比较，来决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行降温、通风和加温等操作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，同时劳动生产率也得到了提高。通过改变温室环境设定目标参数，可以自动的进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生产状况的改变难以及时做出反应 3， 难以介入作物生长的内在规律。目前
17、国内绝大部分自主研发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。 （ 3）智能化控制：这是温度自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结，收集农业领域知识、技术和各种实验数据构建专家系统，以建立作物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同农作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 3 技术沿着手动、自动、智能化控制的生产进程，向着越来越先进的，功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型，温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集 及智能控制趋势发展 3。 通过研究国内外的温室控制技术可以更深刻的理解毕
18、业设计的具体设计思路和方法，可以在更短的时间内高效率完成毕业设计。 1.3 研究的基本内容与拟解决的主要问题 1.3.1 本设计主要研究内容 设计系统主要由单片机、温湿度传感器、显示模块、 GSM 通信模块以及键盘组成。用户可以先设定温湿度的上限和下限，温湿度传感器监测值传给单片机，当单片机监测到的数值超过所设定值时，单片机就会通过 GSM 模块向上位机发送当前温湿度值，并响应报警电路启动相对应的温湿度控制设备。系统自动启动执行调 节大棚湿度和温度状态，直到温湿度状态处于用户所设定的值。如果有预置初值与当前状态不相等时，系统会触发报警装置，直到大棚温湿度值和用户所设值相等为止。其中下位机系统可
19、以自动接收上位机发送过来的温湿度设定值信息，通过单片机解析所接收到的数据短信来修改当前设定值。下位机检测系统每小时向上位机发送一次当前检测到的温湿度数据值，上位机收到下位机发送过来的数据信息时进行分析存储，并且描绘相应温湿度趋势线。 在研究设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度 。本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测环境的温度和湿度，并设定了这两个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警，而且同时驱动继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行。 1.3.2 本设计拟解决的主要
20、问题 植物的生长都是在一定的温湿度环境中的，蔬菜大棚为现代蔬菜种植提供了新的生产环境，并取得了良好的社会效益和经济。它可以提高产业化水平，提高农民收入和提高抵御自然灾害能力，延长作物生长时间，提高作物产量。对于农作物来说，湿度和温度是两个非常重要的条件。所 以能够监控温度和湿度对农业大棚的生产有着十分重要的意义。 温度、湿度是农业生产的主要环境参数，对其进行适时准确的测量具有重要意义。温室温湿度测控系统是对温室环境因素（温度、湿度）进行相应地修正或调整，使植物生长处于最佳或相对最佳的生长环境条件中。而当今大多数对温室温度与湿度的控中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 4 制采用人工管理，这不
21、但大大增加了成本，浪费人力资源，而且很难达到希望的成效。在温室中，温度和湿度很大程度影响着植物的生长发育。适合的温湿度促进植物的生长发育，而不合适的温湿度不但对植物生长是不利的，还会增加病虫害。温室是一个比较密闭的 环境，其温湿度条件与露天有很大不同。长期密闭或灌溉不当可能造成温湿度的不当，从而对作物生长不利还会增加病虫害。随着传感器的发展 ,可以利用传感器将温度和相对湿度非电信号转化为相应的电信号 ,从而便于测控 ,这种方法省力、耗能小、准确 ,能在空气中温湿度不合理时采取相应的补救措施，解决了人工检测的不准确性和经验性。 中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 5 2 温湿度监测系统方案设
22、计 2.1 温湿度监测系统设计 在现实生活中，温度和湿度的测量在纺织工业、农业、化工、林业、各种军用、民用库房以及气象和模拟人工气侯环境中都有着广泛的应用。因此能否有效地 对这些领域的环境温度和湿度进行实时监测，是一个必须解决的重要课题。采用适宜的温度、湿度传感器构成监测系统装置是一种较好的解决方案。为此，利用适当的控制单元设计一个温湿度监测系统来对蔬菜大棚温湿度进行实时监测，其基本结构如图 2-1 所示。 主 控 芯 片显 示 设 备键 盘 设 备检 测 装 置通 信 设 备报 警 电 路图 2-1 系统结构图 2.2 温湿度监测系统设计指标要求 蔬菜大棚温湿度监测系统设计指标具体要求有一下
23、几点： （ 1）检测范围：湿度范围为 20 90%RH，温度范围为 0 +50； （ 2）检测精度：湿度测量精度可达 5%，温度测量精度可达 2； （ 3）实时显示功能，有过限报警功能，有温湿度上下限报警设定功能； （ 4）基于 GSM 模块数据信息实时传输，能够实现与上位机串行通信功能。 2.3 温湿度系统方案论证选择 2.3.1 主控芯片方案选择 方案一：采用 FPGA。 FPGA（现场可编程门阵列）是专用集成电路（ ASIC）中集成度最高的一种，它是当今研究的热门领域。但其性价比低，引脚太多外围电路太复杂，不适合手工焊接。 方案二：采用 PLC 作为主控制器。使用 PLC 的最大优点在于 PLC 使用梯形图进行
