毕业设计（论文）-基于STC89C52单片机的大棚温湿度监测与报警系统设计.doc

本科毕业论文（设计） 题题 目：目： 大棚温湿度监测及报警系统大棚温湿度监测及报警系统 学学 院：院： 专专 业：业： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 指导老师：指导老师： 职称：职称： 成成 绩：绩： (分数分数) 温州医学院教温州医学院教务处务处制制 I 毕业设计（论文）诚信声明书毕业设计（论文）诚信声明书 本人承诺：在今后的毕业（设计）论文撰写过程中， 将遵守学校有关规定，恪守学术规范，在指导老师指导下 独立完成研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或 集体的研究成果，将均在文中以明确方式标明。本人依法 享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人：声明人： （签字）（签字） 时间：时间： 年年 月月 日日 I 大棚温湿度监测与报警系统大棚温湿度监测与报警系统 摘要摘要：本文以 STC89C52 单片机为核心，结合温度传感器 AD590 及湿度传感器 HS1101 设计 并完成了一款适用于大棚的监测与报警系统。该系统主要由环境参数采集模块、数据处理模 块、显示及按键模块和电源模块几大部分组成。首先由传感器采集温度、湿度数据，经单片 机处理后在 LED 上显示，并与按键输入的预设值进行比较，如果超出预设值一定范围，后再 由单片机启动报警模块。经调试，系统工作性能稳定，温度测量精度可达 0.5，湿度测量精 度可达 1%，基本达到预设目标。 关关键词键词：STC89C52 型单片机；AD590；HS1101 湿度传感器；大棚 Design of a temperature and humidity monitoring and alarming system for greenhouse application Abstract: In this thesis, a temperature and humility alarming system for greenhouse applications.was designed and completed, utilizing STC89C52 microcontroller, temperature sensors AD590 and humidity sensors HS1101. The system mainly consists of environmental parameters acquisition module, data processing module, display and keypad module and power module. Firstly, temperature and humidity data was collected by the sensors. Then, after processing by the MCU, the results was displayed on LED. Finally, conpared with the setting values, if the default value beyond a certain range, and then start the alarm module from the SCM. After commissioning, the system performance and stability, temperature measurement accuracy up to 0.5 , humidity measurement accuracy up to 1%, basically reached the preset target. Keywords：STC89C52 microcontroller; AD590; HS1101 humidity sensor; greenhouse I 目 录 摘要.I ABSTRACTI 第一章 绪论1 1.1 课题研究背景及意义1 1.2 国内外研究概况1 1.2.1 国外研究概况1 1.2.2 国内研究概况.2 1.3 课题主要研究内容与目标3 第二章 系统总体方案设计5 2.1 总体方案5 2.2 单片机小系统5 2.3 温度及湿度监测模块5 2.3.1 温度监测模块6 2.3.2 湿度监测模块.7 2.4 电源模块设计8 第三章 系统硬件设计及性能分析9 3.1 温度测量模块9 3.1.1 温度测量电路原理9 3.1.2 温度测量模块性能分析与评估10 3.2 湿度测量模块.11 3.2.1 湿度测量电路原理.11 3.2.3 湿度模块性能分析与评估12 3.3 单片机小系统及相关电路.13 3.3.1 A/D 转换电路.13 3.3.2 系统时钟电路.15 3.3.3 系统复位电路15 3.3.4 系统报警电路（蜂鸣电路）15 3.3.5 4×4 键盘和 8 位数码管显示电路 .16 3.4 环境参数调节模块及电源电路.18 3.4.1 调节模块电路18 3.4.2 电源电路18 第四章 系统软件编程及调试21 4.1 主程序流程.21 4.2 温度监测软件流程21 4.3 湿度监测软件流程.22 4.4A/D 转换流程流程23 4.5 4×4 键盘和 8 位数码管显示电路软件流程.24 II 第五章 结论与展望27 5.1 结论27 5.2 展望.27 参考文献29 附录31 附录 1：程序代码.31 附录 2：PCB 板制作41 附录 3：实物图.44 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 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。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1。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 2。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。本课题正是以此为出发点，利用单片机、结合相应的湿度与温度传感器，设 计并完成了一款结构小巧、价格低廉、性能相对稳定的大棚温度、湿度监测与报警系统。 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 1.2.1 国外研究概况国外研究概况 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3。 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4,主要有设施内播 种装置、苗接触刺激装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置(温度、湿度及 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 2 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5。 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6。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5。 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,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，大规模， 无人化的方向发展的思路7。 1.2.2 国内研究概况国内研究概况 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,并建立了全国农业系统的第一个计算 机应用研究机构8。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9。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10。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11。该系统把个体生产和 规模化生产相结合，在单个大棚大棚生产实现智能自动化的基础上实现连栋大棚大棚的规 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12。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。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 3 1.3 课题主要研究内容与目标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及报警功能 的系统。设计完成包括环境参数采集、数据处理、键盘输入报警值、判断报警、外围处理功能 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，并达到一定的精度，能最终满 足实际需求。同时，当测量结果超出设置数值一定范围后，能顺利启动报警模块，提示管理 人员给出响应。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 5 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.1 总体方案总体方案 本系统主要由单片机小系统、温度监测模块、湿度监测模块、电源模块、A/D 转换电路、 4×4 键盘和 8 位数数码管显示电路及风扇电路组成。总体硬件结构如图 2-1 所示。 图 2-1 总体硬件框图 2.2 单片机小系统单片机小系统 在整个单片机控制系统中最关键的器件是中央处理器（CPU），它即是控制中心又是运 算处理中心，本次设计采用了 STC89C52 作为控制系统的主机，它是一种低功耗、高性能的 CMOS 8 位微处理器。STC89C52 可构成单片机的最小应用系统，缩小系统体积，降低系统成 本。本课题所需要实现的单片机功能包括定时功能、复位功能、报警功能等，相对应的电路 模块分别有时钟电路、复位电路、蜂鸣电路、烧写程序电路。小系统构成如图 2-2. 图 2-2 小系统的构成 2.3 温度及湿度监测模块温度及湿度监测模块 本系统通过传感器采集环境参数，由处理模块读取数据并进行相应的处理，其中若要实 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 6 现高精度与快速的环境信息获取，关键在于选择何种高性能的模数（A/D）转换器和传感器。 由于环境参数的采集是在单片控制系统下发挥作用，因此，传感器的性能必须符合以下要求： （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 统真正做到快速反应和高效调控环境14。 （2）长期稳定性好。大棚中传感器的使用环境比工业环境更恶劣，如高温、高湿。因此， 传感器需要有期稳定性。 （3）优良的性能价格比。考虑到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。 2.3.1 温度监测模块温度监测模块 温度传感器选用应该考虑使用方便、输出信号容易处理且适合大棚环境作业。美国 TI 公司生产的集成温度传感器 AD590，其具有线性度好，精度高等优点，能满足本课题要求， 其外观及基本电路如图 2-3 所示。AD590 可将温度信号转换成对应的电流信号输出，温度每 升高 1K,其输出电流将增加 1uA。其测温范围为-55+ 150，工作电压 4-30V。电路设计 时,利用电阻元件将电流信号转换成为电压信号，如图 2-3 所示。 图 2-3 AD590外形 电路符号及基本电路 温度监测模块结构如图 2-4 所示，首先由 AD590 将温度信号转换成相应的电信号，然 后经 A/D 芯片转换成数字信号送至单片机小系统，与键盘设置温度值进行比较，如超出设定 值一定范围启动风扇降温装置。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 7 图 2-4 温度监测模块框图 2.3.2 湿度监测模块湿度监测模块 本课题对于湿度传感器的选择也是主要考虑环境及成本因素，注重传感器的稳定性，性 价比及实用性。本系统的湿度模块中采用的是法国 HUMIREL 公司的电容式湿度传感器 HS1101，与其他产品相比,它有着显著的优点: (1) 具有高可靠性和长期稳定性; (2) 无需校准 的完全互换性; (3) 响应时间快; (4) 能够处于长期饱和状态,瞬间脱湿; (5)特有的固态聚合物 结构; (6)适用于线性电压输出和线性频率输出两种电路; (7)适应自动装配过程,包括波峰焊 接、回流焊接等15。其外形如图 2-5 所示。 图 2-5 HS1101外形及电路符号 图 2-6 HS1101湿度传感器的电容-湿度响应曲线 HS1101 湿度传感器的的电容-湿度响应曲线如图 2-6 所示。相对湿度在 0%-100%RH 范 围内，电容量将从 162PF 变到 200PF，其测量误差不大于2%RH；响应时间小于 5s；温度系 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 8 数为 0.04pF/。 湿度监测模块结构如图2-7所示。该模块的中心是将传感器接入一个555非稳态电路，输 出一个频率信号并由单片机直接采集、处理。由按键输入极限值，超出该值则触发蜂鸣报警。 图 2-7 湿度监测模块框图 2.4 电源模块设计电源模块设计 系统供电总共需要两种电源，AD590 的工作电压为 9V，小系统及各种芯片的工作电压 为 5V，风扇供电 5V。电源模块如图 2-5 所示，将 220V 交流电经变压器、桥路整流后，通过 78 系列的三端稳压集成芯片获得相应的常用电压输出。 图 2-5 电源模块框图 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 9 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计及性能分析及性能分析 本章为核心内容之一，主要针对系统的硬件设计及调试过程进行详细介绍。 3.1 温度测量模块温度测量模块 3.1.1 温度测量电路原理温度测量电路原理 温度监测电路主要由 AD590、100uf 电容、9K4 电阻、1K 电位器、运放 LM324 组成，原 理如图 3-1 所示。由图可知电容的作用是保持 AD590 的工作状态，根据 AD590 的特性，其 中由 AD590 、电位器 RP、R 和运放组成电流电压转换电路，运放连接为电压跟随器形式,主 要为增加信号的输入电阻。 图 3-1 温度测量电路 首先介绍下 AD590 的基本工作原理，当被测温度一定时，AD590 则成为了一个恒流源， 把它与直流电源相连并在输出端串联一个标准电阻，此时流经该电阻上的电流与被测热力 学温度将成正比16。温度每升高 1K，电流增加 1uA，当负载电阻为 10K，则电阻上的压降 将增加 10mV。在室温 20 oC 时调节电位器使输出电压为 2.93V（对应 293 K），经模数转换后 输入单片机， 通过软件编程将电压值减去 2.73V，直接将热力学温度转换为摄氏温度。当然 这一转换过程也可通过硬件实现。 其次是运放的选择，该电路选择了 LM324，其特点是价格便宜，工作电压范围较大，低 至 3.0V 高至 32V, 静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一； 共模输入范围包括负电源， 因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性,另外具有短路保护输出、高增益 频率补偿运算、真差动输入级、输入端具有静电保护功能。其引脚排列如图 3-2 所示。 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点，因此被广泛应用于 家用电器，工业仪器，电子玩具，报警装置，自动控制等电路中。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 10 图 3-2 LM324引脚排列 3.1.2 温度测量模块性能分析与评估温度测量模块性能分析与评估 通过上述测温电路将温度这一非电物理量转换成电压信号，调试过程中还需对温度电 压进行定标处理。实际操作过程如下：（1）准备一烧杯冷水，一烧杯热水，一支温度计及万能 表；（2）将温度计放入冷水中，再把热水加入冷水中，待温度到达 15便把绝缘处理后的 AD590 放入杯中，然后用万能表测量图 3-1 中 out 端输出电压值；（3）缓慢将热水加入冷水， 均匀搅拌，待热平衡后，测量温度值并记录当时的输出电压值。由于实验条件有限，定标过 程中只测量了 10 组数据；考虑到大棚内一般的温度要求，定标范围选择 15-25。测量数据 如表 3-1 所示。 表 3-1 温度测量电路电压对应温度值 电压值（V）2.872.892.902.912.922.932.932.942.952.95 温度值()15.216.117.318.019.120.221.022.223.024.1 图 3-3 温压曲线 将表格所记录的值绘成温度与输出电压关系曲线，如图 3-3 所示。其中 A 为实际测量曲 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 11 线，B 为模拟的理想情况下 AD590 的温度与电压关系曲线。由图可以看出，在温度范围为 15.220.2 oC 时，输出电压与温度基本保持线性关系。在 21.0 oC 时曲线 A 出现拐点，且随温 度进一步上升，线性度将有所下降。分析原因，我们认为主要是由于整个定标过程在室温环 境下进行，当杯中水温较高时，加入冷水后温度下降过快所致。当然电源不稳定或者其他的 一些人为因素，也会影响定标结果。这些问题可以通过后续软件调试克服，比如采集多次数 据做平均值或者改变算法等方式来弥补。 3.2 湿度测量模块湿度测量模块 3.2.1 湿度测量电路湿度测量电路原理原理 湿度测量电路主要由湿度传感器 HS1101、NE555 芯片及一系列电阻组成。 HS1100 湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器,相对湿度的变化和电容值呈线 性规律。在自动测试系统中,电容值会随着空气湿度的变化而变化,因此将电容值的变化转换 成电压或频率的变化,才能进行有效地数据采集。本次湿度测量模块采用以 555 芯片为中心 的振荡电路,将 HS1100 湿度传感器充当振荡电容,从而完成湿度到频率的转换,电路如图 3-4 所示。 集成定时器 555 芯片外接电阻 R1、R2、R3 与湿敏电容 HS1101 ,构成了对 HS1101 的充 电回路。7 端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对 HS1101 的放电回路,并将引脚 2 、6 端相连引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。另外, R6 是防 止输出短路的保护电阻, R4 和 R5 用于平衡温度系数。 图 3-4 湿度测量电路图 该电路的核心是 NE555 芯片，其内部功能原理框图如图 3-5 所示。 NE555 具有如下特 点： 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 12 1.它的操作电源电压范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出准 位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合； 2.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几 微秒至几小时之久； 3.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜； 4. 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载； 5.静态电流 最大值 VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mA 。 图 3-5 NE555 内部功能框图 因为湿度测量的不稳定性，所以记录很难在一个准确的值上，顾采用多次测量取平均值的方 法来做这次定标 3.2.3 湿度模块性能分析与评估湿度模块性能分析与评估 湿度测量电路输出的是一个与环境湿度相对应的 5-6KHZ 的方波信号，由示波器采集的 信号波形如图 3-6 所示。湿度测量也需进行相应的定标处理，具体过程如下：(1)准备一个湿 度计、电吹风、喷雾器、示波器；（2）将电路输出端接入示波器，先长时间置于一般环境内（湿 度计需要较长时间响应），待频率在某个值左右浮动时每隔一分钟记录一个数据，一共记录 5 次，然后做平均值；（3）增加湿度用喷雾器，减小湿度用电吹风并尽量维持在一个恒定的环 境内，再按前面的步骤记录数据，测量数据记录如表 3-2 所示。 表 3-2 湿度测量电路频率对应湿度值 湿度 （%） 0102030405060708090100 频率 （HZ） 66426516639262686145602058925760562254785325 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 13 图 3-6 湿度波形图 图 3-7 湿度-频率曲线 按照表格绘制了湿度-频率曲线，如图 3-7 所示。由图可见两者之间基本成线性关系。数 据测量时发现，在某一实验条件下，示波器显示频率值会出现小抖动，因此我们采用在一段 时间内取平均值的办法来处理。造成这一现象的原因经分析后，认为主要应该是由于在实验 过程中对环境的湿度控制比较难以掌握、以及传感器的灵敏度造成。 3.3 单片机小系统及相关电路单片机小系统及相关电路 单片机小系统主要负责执行控制程序及各部件的驱动、数据存储、环境参数调节等。 3.3.1 A/D 转换电路转换电路 A/D 转换本系统选用的是 10 位的 A/D 集成芯片 TLC1549，其引脚排列如图 3-8 所示。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 14 TLC1549 系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器, 它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片 选(CS 低电平有效) ，输入/输出时钟( I/O CLOCK)，数据输出(DATA OUT) 。TLC1549 能 以串行方式送给单片机。由于 TLC1549 采用 CMOS 工艺，内部具有自动采样保持、可按比 例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为 ±1LSB( 4.8mV)，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。A/D 转换电路原理如图 3-9 所示。 图 3-8 TLC1549 引脚排列示意图 图 3-9 AD转换电路 TLC1549 工作原理：TLC1549 具有 6 种串行接口时序模式, 这些模式是由 I/O CLOCK 周期和 CS 定义。根据 TLC1549 的功能结构和工作时序, 其工作过程可分为 3 个阶段: 模 拟量采样、模拟量转换和数字量传输。图 3-10 所示为 TLC1549 的时序图。 图 3-10 TLC1549 时序图 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 15 3.3.2 系统时钟电路系统时钟电路 系统时钟电路由两个30 pf电容及一个12兆晶振构成。 时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟控制信号（如图3-11所示），本电路采用了非 固定式的设计，因为在软件编写过程中，对程序的运行时间是有要求的，这时就需要根据实 际情况更换晶振。AT89C52芯片最高时钟频率可达80MHZ，根据单片机的每十二个时钟周期 为一个机器周期，即Tcy =12Tosc ，所以时钟周期范围为：0.15 -1s（12M晶振），可满足本课题 需求。 图 3-11 时钟电路图 3-12 复位电路 3.3.3 系统复位电路系统复位电路 系统复位电路主要由一个按键、一个二级管、一个 10uf 电容及一个 10K 电阻构成。复位 电路用于单片机的初始化操作，可以使单片机由于程序运行出错或操作错误使系统处于死 锁状态时能够重新启动。因此复位电路必不可少。复位方式有上电自动复位和手动按钮复位 两种，本系统选用的是手动按钮复位电路，图中 3-12 所示。该复位电路能够在电源因某种干 扰瞬间断电时使电容迅速放电，在二极管 DMCU1 上产生一个压降，从而保证了电源恢复后 单片机可靠复位，使其适用于现场干扰强、电压波动大的工作环境。 3.3.4 系统报警电路（蜂鸣电路）系统报警电路（蜂鸣电路） 蜂鸣电路主要由两个 10K 电阻，三极管 9012 和一个蜂鸣器组成。蜂鸣器在多种场合被 作为发声器件，他可以实现报警、音乐演奏等。蜂鸣器分为有源和无源两种。也称为直流蜂 鸣器和交流蜂鸣器。有源蜂鸣器通上电就会发出预定的声音，控制比较简单，但是发出的声 音较局限。电路如图 3-13 所示。通过 CON1 接到 P3.7 脚上，也可根据实际需要，用跳线跳接 到其他接口上，实际电路中接 P2.1 口。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 16 图 3-13 蜂鸣电路 3.3.5 4××4 键盘和键盘和 8 位数码管显示电路位数码管显示电路 4×4 键盘和八位 LED 显示电路用于输入数据、控制信号和显示数字、字符。该电路采用 了数码管驱动及键盘控制芯片 CH451，CH451 是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控 制以及 up 监控的多功能外围芯片。CH451 内置 RC 振动电路，可以动态驱动 8 位数码管或 者 64 位 LED，具有 BCD 译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行 64 键的键盘扫描； CH451 通过 1 线或者可以级联的 4 线串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和 看门狗等监控功能。CH451 引脚排列如图 3-14，引脚定义见表 3-3。 图 3-14 CH451 引脚排列 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 17 表 3-3 CH451 引脚定义 整体电路设计如图 3-15, 其中 DOUT 引脚最好连接到单片机的中断输入引脚, 这样可 用中断方式响应按键。如果连接到非中断输入引脚, 则应该使用查询方式确定 CH451 是否 监测到有效按键。CH451 的段驱动引脚串接的电阻 R (200) 用于限制和均衡段驱动电流。 在 5V 电源电压下,串接 200 电阻通常对应 13mA 段电流。CH451 具有 64 键的键盘扫描 功能, 为了防止键被按下后在 SEG 信号线与 DIG 信号线之间形成短路而影响数码管显示, 一般应在 CH451 的 DIG0DIG7 引脚与键盘矩阵之间串接限流电阻 R（200） ,配合程序 可实现 4*4 键盘输入坏人 8 位数码管动态显示。 图 3-15 4×4 键盘及 8 位数码管电路 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 18 3.4 环境参数调节模块及电源电路环境参数调节模块及电源电路 环境因子调节模块是大棚控制系统的重要组成部分，设计结构合理、执行高效的调节系 统能够提高整个系统的控制准确性、降低成本及系统功耗。本系统的环境调节模块主要由继 电器控制的风扇电路构成。 3.4.1 调节模块电路调节模块电路 参数调节模块由风扇电路构成，该电路主要包括型号为 JQC-3FF/006-1ZS(551)的继电 器，三极管 8055，1K5 电阻及排插组成，电路如图 3-16 所示。该电路由单片机 P2.0 控制，当 温度超过设定值时会使得继电器内部自动吸合，连接电源转动风扇，反之会自动断开连接。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出 回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动 开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 继电器是当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或 断开的电器。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自 动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 图 3-16 风扇电路 3.4.2 电源电路电源电路 系统需要两种电源供电，+5v 和+9v 电源电路由一系列电容和 78 系列三端稳压管组成， 设计电源电路的主要目的是让电压更加稳定以及使系统方便运用，电路如图 3-17。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 19 图 3-18 电源电路 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 21 第四章第四章 系统软件编程及调试系统软件编程及调试 本章主要针对系统的软件流程进行相应介绍，具体程序代码见附录 1。 4.1 主程序主程序流程流程 主程序流程如下：系统初始化，包括 CH451 的数码管显示及按键、定时器，分别调用 AD590 和 HS1101 子程序用于 LED 显示，按键输入预设值，延时判断后启动蜂鸣报警或风 扇电路。 主程序流程如图 4-1 所示： 图 4-1 主程序流程图 4.2 温度监测软件温度监测软件流程流程 温度检测流程:初始化后经时钟程序处理，得到一个上升沿计一次数，待测完 10 次后把 数模转换值做平均并经过一定的计算送去 LED 显示及按键输入预设值后做出是否开启风扇 的处理。 室温（AD590）监测软件流程如图 4-2 所示： 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 22 图 4-2 AD590 监测程序流程图 4.3 湿度监测软件流程湿度监测软件流程 湿度检测流程：由定时器计数器测得湿度的频率值，再将频率与标准对比得到相应的 湿度值，送去显示和按键预设值判断是否触发蜂鸣报警。 湿度监测流程如图 4-3 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 23 图 4-3 湿度监测流程图 4.4 A/D 转换转换流程流程流程流程 A/D 转换流程：启动转换程序，初始化 CLK、CS、DAT 端口，经位的数据转换后返 回转换值并读取转换值。A/D 转换程序流程如图 4-4 所示： 图 4-4 A/D 转换程序流程图 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 24 4.5 4××4 键盘和键盘和 8 位数码管显示电路软件位数码管显示电路软件流程流程 带数码管显示及按键流程：初始化复位、清屏，读取温湿度转换值用于 数码管显示或读取按键输入的预设值并在数码管上显示。 4×4 键盘和八位数码管显示程序流程如图 4-5 所示： 图 4-5 键盘与显示程序流程图 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 25 第五章第五章 结论与展望结论与展望 5.1 结论结论 本次设计的系统是在对我国目前大棚控制研究现状及大棚控制系统的优缺点等方面进 行了充分、科学的调研、分析的基础上，将先进的单片技术、传感器技术相结合，制作了适合 我国大棚控制的多参数大棚控制系统，得到以下结论： （1（综合运用单片机技术，自动控制技术设计的大棚温湿度监测及报警系统，并丰富了 外围设备如风扇控制。该系统具有可靠性高、智能化的特色。 （2（系统软、硬件采用模块化设计，设计了数据采集模块、处理器模块、环境调节模块。 各模块相互独立，设计合理，使系统具有较高的可靠性和可扩展性。整个系统操作简 单，且有一定的性能价格比。 5.2 展望展望 本研究虽然取得了一定的成果，但由于本人水平和试验条件的制约，仍需在以下两个方 面进一步研究和完善: (1)环境多因子采集可扩展性，当代大棚技术中已有许多方面的进展，对于作物生长 更是有多方的制约因素，所以可以发展如 CO2 浓度、光照强度、蒸腾作用调节等 方面以完善大棚系统的各项功能，达到最理想的效果。 (2)为使得系统调节更加准确，需要研究不同算法对采集到的数据进行处理并显示， 以达到系统的实用效应。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 27 参考文献参考文献 1王石磊,陈立军,郭艳玲.大棚测控技术的发展及我国大棚测控面临的问题J.林业机械于土木设备, 2007,7(35):10-13. 2 张玉峰. 基于单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计J. .农机化研究,2010.3(3):150-153 3 高建平,赵龙庆.大棚计算机控制与管理技术的发展概况及在我国的应用前景J.计算机与农业, 2003,2:93- 95. 4 Turner,Miehael,Shah,Steve.Red Hat Linux Administratio