1、 温室大棚温湿度监测系统设计 I摘 要随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温湿度，适应生产需要。本论文主要阐述了基于 P89LPC938 单片机的温室大棚温湿度监测系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。该系统采用 LPC938 单片机作为控制器，DHT11 进行温湿度采集，并通过无线模块 NRF24L01 进行主机与从机的无线通信，利用其 I2C 总线技术控制 SRL_11280W_LCD 液晶实时显示。使用户在控制室即可监测温室大棚内的实时温湿度，从而方便用户对温室大棚的管
2、理。关键词: 单片机 P89LPC938; 传感器 DHT11；液晶 SRL_11280W_LCD; 无线模块 NRF24L01III目 录摘要.I Abstract.II 第一章 绪论.11.1 课题背景研究 .11.2 国内外研究概况 .11.2.1 国外研究概况.11.2.2 国内研究概况.21.3 选题的现实意义 .21.4 课题主要研究内容与目标 .3第二章 温室大棚温湿度监测系统设计方案论证 .42.1 设计思想 .42.2 要实现的功能 .42.3 方案可行性论证 .4第三章 温室大棚温湿度监测系统硬件设计 .63.1 单片机部分 .63.1.1 概述 .63.1.2 管脚信息
3、.63.1.3 CPU 时钟（ OSCCLK） .63.1.4 中断 .63.1.5 I/O 口 .63.1.6 定时器计数器 0.73.1.7 A/D 转换器 .73.1.8 串行外围接口（SPI） .73.1.9 I2C 接口 .93.1.10 单片机外围接口扩展 .113.2 电源部分 .113.3 串口通信部分 .113.4 温湿度传感器数据采集部分 .123.4.1 DHT11 数字温湿度传感器概述 .123.4.2 DHT11 数字温湿度传感器性能说明 .123.4.3 DHT11 数字温湿度传感器使用注意事项 .133.5 LCD 显示部分 .143.5.1 显示特性 .143.
4、5.2 操作原理和方法 .143.6 无线模块部分 .15IV第四章 温室大棚温湿度监测系统软件的设计 .174.1 主程序及流程图 .174.2 各子程序及流程图 .174.2.1 A/D 模块 .174.2.2 UART0 串行通信 .194.2.3 LCD 液晶显示模块 .20第五章 温室大棚温湿度监测系统的软硬件调试 .235.1 硬件部分的调试 .235.2 软件部分的调试. .245.3 调试中遇到的一些问题. .245.4 综合调试. .26东南大学成贤学院毕业论文1第一章 绪 论1.1 课题研究背景目前，我国农业正处于从传统农业向以优质、高效、高产为目标的现代化农业转化新阶段。
5、而大棚作为现代化农业设施的重要产物，在国内多数地区得到了广泛应用。大棚可以避开外界种种不利因素的影响，人为控制或创造适宜农作物生长的气候环境，可以看成是一个半封闭式的人工生态环境。由于大棚中各种环境因素是可以人为控制的，因此控制技术直接决定着大棚中农作物的产量和质量。大棚监测系统一般包括三个模块：环境参数采集模块、数据处理模块和执行模块。在目前的监测系统中，需采集的环境参数主要包括温度、湿度、CO2 浓度、光照强度、土壤湿度等。在实际设计中还需根据大棚的规模及所在区域设定不同的采集方式，确保数据采集的准确性。例如我国北方地区，冬季寒冷而漫长，大棚监测最主要的一部分就是温度的调节。这时可将一天分
6、为午前、午后、前半夜和后半夜 4 个时段来进行温度调节。午前以增加同化量为主，一般应将棚温保持在 2530为宜；午后光合作用呈下降趋势，以 2025为好,避免高温下养分消耗过多；日落后 45h 内,要将棚内温度从 20逐渐降到 15上下，以促进体内同化物的运转。此后,再将夜温降到 1012，以抑制呼吸、减少消耗、增加积累，但也不能降得过低,以免冻伤植物 。考虑外界环境因素的同时也不能忽略植物本身的生理过程，比如植物的蒸腾作用、光合作用等，事实上大棚内的水分养料供给可以通过蒸腾这样的实测数据来决定；而 CO2 浓度则可根据光合作用的情况来决定，这一系列监测过程都可通过单片机系统来实现。1.2 国
7、内外研究概况1.2.1 国外研究概况美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于大棚控制和管理最早、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发育所需要的条件，对大棚内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用温差管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制。在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料大棚和其它人工栽培设施达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列，蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境，日本进行了几种设施项目的研究,主要有设施内播种装置、苗接触刺激装置、苗灌水装置、换气扇的旋转
8、和遮光装置的开闭装置(温度、湿度及光照控制)、缺苗不良苗的监测及去除和补栽装置、CO2施肥装置等方面的自动化研究。2002 年，英国伦敦大学农学院利用计算机遥控技术，可以观测 50km 以外大棚内的温度、湿度等环境状况并进行遥控。为保证 CO2 气体在大棚分布均匀,大棚中通常安装通风机,搅动空气使大棚中的 CO2 浓度一致。荷兰的园艺大棚也发展较早，由于地处高纬度地区,日照短,全年平均气温较低,因此,集中较大力量发展经济价值高的鲜花和蔬菜,大规模地发展玻璃大棚和配套的工程设施，全部采用计算机控制。另外,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与控制中，
9、随着工业制造工艺的不断发展，越来越多高精度、低价格的传感器件也在温室大棚中广泛应用，东南大学成贤学院毕业论文2并且近几年各国温湿度控制技术提出建立大棚行业标准，也使得大棚行业朝着网络化，大规模，无人化的方向发展。1.2.2 国内研究概况国内的计算机应用开始于上世纪 70 年代中期，当时主要用于数据的统计分析和计算。70 年代末起，我国陆续从以色列、美国、日本、荷兰等国引进了许多先进的现代化大棚，在吸收国外发达国家高科技大棚生产技术的基础上，我国农业科研工作人员进行了大棚内部温度、湿度、光照、CO2 浓度等环境参数控制技术的综合研究。1987 年中国农业科学院引进了 FELIXC 512 系统,
10、并建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构。到了 90 年代初期,计算机开始用于大棚的管理和控制领域。2000 年，金钰研究了工业控制机 IPC 在自动化大棚控制中的应用。该研究是以工业控制机为核心采集环境信息，控制执行机构。实现了大棚的封闭环境控制，但该系统布线复杂,维护困难且成本过高。2005 年，杜辉等研究了基于蓝牙技术的分布式大棚监控系统。该系统将蓝牙技术和现场总线技术相结合运用于大棚群的监控，提高了系统的可靠性、降低了数据传输过程中干扰。但由于蓝牙技术本身的不成熟，该系统的实际应用仍需要一定的时间。2007 年，唐娟等研究了基于新型 AVR 单片机的大棚测控系统。该系统把个体生产
11、和规模化生产相结合，在单个大棚生产实现智能自动化的基础上实现连栋大棚的规模化生产。但是所有性能都集中在单片机上，单片机系统一旦出现故障，整个系统都会失控。2008 年，周茂雷，郭康权研究出了基于 ARM7 微处理器的大棚控制器系统。该系统能通过 AD 算法实现大棚各路模拟量、开关量实时动态采集，将采集到的数据经处理后定时保存并送出控制量。1.3 选题的现实意义随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度控制措施。但是，目前应用于温室大棚的温湿度监测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟
12、开关、A/D 转换器及单片机等组成的传输系统。这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案,在单总线上传输数字信号。即采用 DHT11 温湿度传感器解决传输模拟量误差大的问题，以及采用高技术的无线收发模块来代替之前大量的电缆，具有更好的经济与实用价值。本文介绍的温湿度测控系统就是基于单总线技术及其器件组
13、建的。该系统能够对大棚内的温湿度进行采集，利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温湿度，同时通过无线通信模块，将大棚内的温湿度自动发送给控制室，并在控制室的液晶显示器上实时显示出来。这种设计方案实现了温湿度实时测量、显示和无线传输。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温湿度的实时监测，是一种东南大学成贤学院毕业论文3比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩
14、产量，以带来很好的经济效益和社会效益。1.4 课题主要研究内容与目标本课题主要研究如何制作一个应用于中小型大棚的可达到温湿度实时监测功能的系统。设计完成包括环境参数采集、数据处理、实时显示以及无线传输等模块。具体实施主要通过选择传感器件、设计应用电路、编写功能程序等步骤来实现该课题所需要求。系统的最终目标是达到大棚温湿度参数实时测量及显示，并通过无线传输模块将数据发送至控制室并显示。东南大学成贤学院毕业论文4第二章 温室大棚温湿度监测系统设计方案论证2.1 设计思想系统的一大特点是用户可以通过控制室内（主机）的液晶显示屏实时监测大棚内的温湿度，也可以通过大棚内（从机）的液晶显示屏直接监测，从而
15、实现用户对大棚内温湿度更加方便快捷的监测，为用户控制大棚参数提供数据基础。系统从机设在种植植物的大棚内，从机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至从机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过液晶LCD进行实时显示。同时从机中的无线通信模块不断将单片机处理过的数据发送出去，控制室内的主机中的无线通信模块则不断的接收数据，接收到数据后再送到主机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过液晶LCD进行实时显示。2.2 要实现的功能温室大棚温湿度监测系统要实现以下几大功能：（1）数据采集：接通从机电源后，温湿度传感器自动采集实时数
16、据，并将采集到的温湿度转换成数字信号，然后发送给单片机进行处理。（2）现场显示：将发送到单片机中的数字信号处理后，通过 LCD 实时显示出来。（3）无线传输：利用无线传输模块将采集来的数据传输到附近的控制室，即主机。（4）主机显示：该功能是将无线传输过来的数据在控制室中显示出来，方便用户的实时监测。（5）无线传输：利用无线传输模块收发离自己较近的节点的控制系统的数据并传给 PC 机实现实时监控。2.3 方案可行性论证最终方案：温室大棚温湿度监测系统结构框图如图 2-1 所示。L P C 9 3 8 单 片 机( 从 机 )L P C 9 3 8 单 片 机( 主 机 )液 晶 屏S R L _
17、 1 1 2 8 0 W _ L C D温 湿 度 传 感 器D H T 1 1液 晶 屏S R L _ 1 1 2 8 0 W _ L C D无 线 模 块N R F 2 4 L 0 1( 发 送 )无 线 模 块N R F 2 4 L 0 1( 接 收 )东南大学成贤学院毕业论文5图 2-1 温室大棚温湿度监测系统结构框图最终方案可行性论证：（1）适应系统要求。现代大棚的实质是实现环境因子实时显示并自动调节作物生长环境条件，这些功能是通过一个闭环系统来实现的。因此，传感器的性能应该与控制系统相适应，尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，这样才能使系统真正做到快
18、速反应和高效调控环境。本方案中采用的传感器、无线模块等均满足现代大棚的环境监测要求。（2）长期稳定性好。本方案中采用的 DHT11 传感器具有着良好的稳定性，且其测量范围广，能够适应大棚内的使用环境。（3）优良的性能价格比。考虑到实际运用与较大环境内的信息监测,则需要用到大量的传感器，因此，必须要求其价格较低廉，否则难以推广。本方案中采用的元器件均为低能耗、低价格器件，价格低廉但性能强大，所以具有一定的可行性。东南大学成贤学院毕业论文6第三章 温室大棚温湿度监测系统硬件设计3.1 单片机部分3.1.1 概述P89LPC938 是一款单片封装的微控制器。它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只
19、需 2 到 4个时钟周期。6 倍于标准 80C51 器件。P89LPC938 集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本,在这里本文只介绍本系统使用到的部分。3.1.2 管脚信息图 3-1 P89LPC938 管脚信息3.1.3 CPU 时钟（ OSCCLK）LPC938 提供几个可由用户选择的振荡器选项来产生 CPU 时钟。本系统用到的是 RCCLK 内部振荡器输出的 7.373MHZ 时钟信号。这样就省去了外部晶振部分，给设计带来很大方便。3.1.4 中断P89LPC938 采用 4 个中断优先级结构。有 4 个特殊功能寄存器与四个中断优先级相关，分别是IP0、IP0H、IP1、IP1H。每个中断都由两个位 IPx 和 IPxH(x=0,1)控制。3.1.5 I/O 口P89LPC938 有 4 个 I/O 口，P0、P1、P2 和 P3。P0、P1 和 P2 为 8 位 I/O 口而 P3 为 2 位 I/O 口。
