基于單片機的花圃的環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 11 引言 21.1 課題的研究背景及意義 21.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 21.3 設(shè)計的基本要求 31.4 研究的方法 32 花圃的環(huán)境控制系統(tǒng)方案概述 32.1 總體方案概述 32.2 主要模塊的選擇及方案論證 42.2.1 主控制模塊的選擇 42.2.2 液晶顯示模塊的選擇 42.2.3 按鍵模塊的選擇 52.2.4 溫濕度檢測模塊的選擇 52.2.5 電機模塊的選擇 53 花圃的環(huán)境控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 63.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計思路 63.2 單片機及其最小系統(tǒng)模塊 63.3 顯示模塊電路設(shè)計 73.4 按鍵電路的的設(shè)計 83.5 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計 83.6 溫濕度檢測模塊的設(shè)計 93.7 供電模塊的設(shè)計 94 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 104.1 系統(tǒng)的軟件介紹 104.2 主函數(shù)流程圖的設(shè)計 104.3 液晶顯示子函數(shù)的設(shè)計 114.4 按鍵子程序函數(shù)的設(shè)計 125 實物調(diào)試 13結(jié)論 17參考文獻 18附錄 18附錄1電路圖 18附錄2仿真圖 20摘要：本次設(shè)計的系統(tǒng)就是一款基于單片機的花圃的環(huán)境控制系統(tǒng),主控制芯片選擇采用了STC89C51單片機,溫濕度自動檢測模塊選擇采用了DHT11,顯示屏幕采用了LCD1602，電機模塊采用了步進電機，按鍵模塊采用了獨立按鍵，由這些模塊組成的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫濕度和光照強度的實時監(jiān)測，能夠在陽光較強的時候電機轉(zhuǎn)動，來驅(qū)動遮光布來進行遮光，監(jiān)測到溫度較高的時候，系統(tǒng)會自動打開風(fēng)扇來進行降溫，當(dāng)溫度較低的時候，會自動打開加熱器來進行溫度加熱，能夠根據(jù)環(huán)境的變化來自動調(diào)節(jié)花圃的溫濕度和光照強度，保證花圃的正常生長。關(guān)鍵詞：環(huán)境控制；單片機；溫濕度；陽光引言課題的研究背景及意義從過去21世紀以來,我國的園藝行業(yè)已經(jīng)得到迅速的發(fā)展,以花卉為主要植株作為欣賞和送贈禮品，設(shè)施性的園藝被人們看作已經(jīng)成為21世紀最富有活力的新興產(chǎn)業(yè)。溫室環(huán)境保護是人們觀賞動植物在其栽培和生產(chǎn)過程中必須采用的設(shè)備之一,不同品種觀賞植物的花朵對于溫度濕度光照的要求也不怎么相同。隨著世界先進技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)十分先進了，在二十一世紀當(dāng)中，計算機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟了，計算機技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)當(dāng)中被廣泛使用了，不僅能夠被用于先進行業(yè)當(dāng)中，也可以被用在一些傳統(tǒng)的行業(yè)當(dāng)中，例如農(nóng)業(yè)和生產(chǎn)頁當(dāng)中，使用計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)能夠進行實時檢測當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)并進行記錄，當(dāng)然計算機和傳感器技術(shù)現(xiàn)在也被使用到大棚溫室培育當(dāng)中了，能夠通過各種傳感器來進行檢測當(dāng)前大棚的光照數(shù)據(jù)和溫濕度，然后將檢測得到的數(shù)據(jù)傳感器送到計算機當(dāng)中進行記錄，當(dāng)然計算機當(dāng)中也會存儲一些設(shè)計好的數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)和計算機數(shù)據(jù)不符合的時候，系統(tǒng)會自動進行調(diào)節(jié)當(dāng)前大棚當(dāng)中的光照強度和溫濕度來實現(xiàn)智能控制。國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢我國在智能化農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域起步比較晚，與發(fā)達國家相互比較有著很大明顯的差距。但是經(jīng)過這么多年的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運用了先進的技術(shù)，對傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中的不足進行了很大的改善。在我國智能化農(nóng)業(yè)發(fā)展中，最初主要都是引進外國進口的設(shè)備和技術(shù)，但是由于成本較高，并且很大一部分沒有辦法滿足我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，沒有得到大規(guī)模的使用。1990年我國就開始自己主動研究溫室環(huán)境智能化方面，政府和科學(xué)技術(shù)人員的支持下，取得了更多的實用性成果。研究人員對東北地區(qū)的日光蔬菜種植溫室進行了改進，利用計算機等技術(shù)實現(xiàn)了自動化的監(jiān)測與管理，后來在其他地區(qū)也建立了類似的試驗基地。隨著信息技術(shù)的進步，國家在大力發(fā)展工業(yè)的同時，也高度重視設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校以及科研機構(gòu)先后在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化領(lǐng)域進行研究，推出了不同類型的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在很多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地獲得了成功的應(yīng)用。江蘇理工大學(xué)等學(xué)校利用單片機技術(shù)設(shè)計了高精度的智能環(huán)境控制系統(tǒng)，能夠自動獲取環(huán)境信息，根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化來進行調(diào)節(jié)，滿足植物生長的環(huán)境需求。從大的方面來看，我國雖然在智能化農(nóng)業(yè)發(fā)展中取得了一定的成就，但是在諸多領(lǐng)域與發(fā)達國家仍然存在較大的差距，特別是智能化技術(shù)的應(yīng)用程度低、專業(yè)人才不足等方面。目前國內(nèi)在生產(chǎn)智能化溫室發(fā)展中的企業(yè)僅有幾十家，整體發(fā)展水平相對較低，相對于發(fā)達國家的技術(shù)和設(shè)備還存在明顯的不足。另外當(dāng)前建立的很多智能農(nóng)業(yè)大棚只是處于試驗階段，很多項目并沒有真正應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。所以我們要充分利用先進的計算機和信息技術(shù)手段進行研究，向國內(nèi)外先進的技術(shù)和管理實踐進行探索,并且探索建立一條完全符合我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況的智能化管理控制系統(tǒng)的道路,服務(wù)于當(dāng)今我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域,縮小與其他地區(qū)和國家之間的差異。設(shè)計的基本要求設(shè)計可對系統(tǒng)中的光照度、溫度以及濕度迅速并準確的做出反應(yīng)。且用戶可以自行設(shè)置光照度、濕度以及溫度的合適范圍，當(dāng)系統(tǒng)中的濕度、光照強度和溫度不在我們設(shè)置的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)將會自行開啟遮陽網(wǎng)、加濕器、散熱器等環(huán)境控制裝置，對環(huán)境進行實時控制，當(dāng)光照度、濕度和溫度回到我們設(shè)置的正常范圍內(nèi)時，這些環(huán)境控制的機械會再被關(guān)閉，這樣就可以保證環(huán)境保持在合適的范圍內(nèi)，以此實現(xiàn)對環(huán)境的控制，使花卉可以在適合的環(huán)境下生長。研究的方法（1）收集信息。根據(jù)課題，通過學(xué)校圖書館和互聯(lián)網(wǎng)收集相關(guān)信息，仔細閱讀，以便充分正確地了解設(shè)計現(xiàn)狀和設(shè)計方案。（2）實際調(diào)查。與身邊的同學(xué)和朋友進行交流，充分考慮本設(shè)計實現(xiàn)的功能，并盡可能的完善設(shè)計的功能。（3）選定方案。通過查詢相關(guān)資料，依據(jù)實際設(shè)計要求和各方面考慮，最終選定合理的設(shè)計方案。（4）模擬驗證。通過所創(chuàng)建的程序，利用PROTEUS和KEIL軟件進行設(shè)計仿真。通過模擬改進設(shè)計，驗證效果，達到工程要求。（5）制作實物。使用所需的硬件，根據(jù)仿真示意圖方案焊接實物。對實物調(diào)式，通過實際工作測試電路設(shè)計是否滿足該學(xué)科的基本要求。花圃的環(huán)境控制系統(tǒng)方案概述總體方案概述設(shè)計可對系統(tǒng)中的光照度、溫度以及濕度迅速并準確的做出反應(yīng)。且用戶可以自行設(shè)置光照度、濕度以及溫度的合適范圍，當(dāng)系統(tǒng)中的濕度、光照強度和溫度不在我們設(shè)置的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)將會自行啟動遮陽網(wǎng)、加濕器、散熱器等環(huán)境控制裝置，對環(huán)境進行控制，當(dāng)光照度、濕度以及溫度回到正常范圍內(nèi)時，這些環(huán)境控制機械再被關(guān)閉，這樣環(huán)境就可以保持在合適的范圍內(nèi)，以此實現(xiàn)對環(huán)境的控制，使花卉可以在適合的環(huán)境下生長?？傮w設(shè)計方案如圖2-1所示。圖2-1總體設(shè)計方案主要模塊的選擇及方案論證主控制模塊的選擇方案一：本次主控制器采用STM32系列單片機控制芯片來作為本次項目所設(shè)計的數(shù)據(jù)處理器,STM32單片機控制器是一款32位的數(shù)據(jù)處理器,其具有超強的耐受性、很低的功能消耗、不必再使用任何編程器和仿真儀等諸多優(yōu)點,并且只要使用一根ttl電纜即可以進行燒錄、支持網(wǎng)上直接下載各種應(yīng)用程序,下載更為方便,外觀設(shè)技豐富,可以使用較長時間長,價格較低,編程簡易等特殊優(yōu)點。STM32單片機的結(jié)構(gòu):在一共40個引腳當(dāng)中,專門針對主控制電源而開發(fā)的引腳中僅有2個,只有4個是控制或多路復(fù)用的引腳與其他控制電源和其他32個引腳是控制I/O引腳。。方案二：采用STC89C51單片機芯片來作為本次設(shè)計的數(shù)據(jù)主控器，STC89C51單片機是我國宏晶公司采用高密度工藝制造的一種高精度芯片，兼容市場上所有的51系列控制器，而且STC89C51具有CMOS工藝，成本低性價比高，不僅在工業(yè)上使用廣泛，在我們?nèi)粘W(xué)習(xí)中也處處可見，不僅因為它可靠度高，而且編程簡單，還具有高處理性能的8位CPU，能給人們甚至工業(yè)生提供穩(wěn)定高效的解決方案。方案三：采用PIC系列的單片機，PIC單片機是美國的一家公司生產(chǎn)的單片機，從低端到高端的單片機具有非常多的選擇型號，包含了常規(guī)的8位單片機、16位單片機以及性能更高的32位單片機。PIC單片機的主要應(yīng)用場合是在工控設(shè)備應(yīng)用中，在工業(yè)應(yīng)用中對單片機的性能也是有要求的，溫度范圍比較寬泛，可以適應(yīng)高低溫多場合的應(yīng)用。由于工業(yè)現(xiàn)場的干擾因素不確定，對單片機的抗干擾能力要求非常的高，所以也導(dǎo)致了PIC的成本相對較高。PIC單片機的編寫環(huán)境需要采用專用的軟件配套，包括整套的燒寫程序，很少的支持串口燒寫的方式。根據(jù)上述三種方案進行對比，考慮到本次設(shè)計的難以程度以及成本的問題，本設(shè)計采用STC89C51單片機來作為主控制器。液晶顯示模塊的選擇方案一：本次設(shè)計的顯示屏幕采用OLED顯示屏幕，OLED顯示器是一款能顯示漢字、數(shù)字、字符等信息的顯示屏幕，其主要是由半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料組成的，其工作原理就是在外加電場的左右下，載流子會注入到發(fā)光材料當(dāng)中使顯示器進行發(fā)光，OLED顯示器和LCD顯示器相對比而且具備引腳少、功能強大、性價比強等功能，在編程方便也是比較簡單的，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也是比較強大的，并且刷新頻率較高，顯示信息幾乎是不存在延時的。方案二：采用LCD1602顯示屏幕充當(dāng)本次設(shè)計的信息交互界面。液晶的顯示是通過背景中的點來構(gòu)成顯示，通過構(gòu)建字庫可以實現(xiàn)多種多樣的靈活顯示。LCD1602與單片機的接口相對來說比較簡單，可以通過并行的方式來驅(qū)動顯示，顯示刷新的速度比較快。但是由于本身的原因，里面的顯示靠液體，所以使用的溫度范圍就是有一定的限制。在一些不是非常復(fù)雜的設(shè)備選擇LCD1602來作為顯示是比較合算的，性價比、美觀性方面都是比較高的。按鍵模塊的選擇方案一：采用獨立按鍵來充當(dāng)按鍵模塊，獨立按鍵能夠直接和單片機的外部引腳進行相連接，在信息處理速度上面非常的快，幾乎沒有任何延遲，是一種很好的人機交互的方式，但是因為每個按鍵都需要使用一個單片機的I/O口，缺點就是會造成單片機的I/O的浪費。方案二：采用矩陣鍵盤來充當(dāng)按鍵模塊，矩陣鍵盤分為4×4和3×3的矩陣鍵盤，它的工作原理是利用單片機檢測高低電平的按鍵來判斷是否有按鍵下壓，其優(yōu)點是不需要浪費輸入輸出端口,其缺點就是反應(yīng)速度較慢，按鍵按下的時候需要進行延時和消抖。根據(jù)上述兩種方案的對比，本次設(shè)計的系統(tǒng)單片機模塊上有大量的I/O空閑，所以本次設(shè)計的選擇獨立按鍵來充當(dāng)按鍵模塊。溫濕度檢測模塊的選擇方案一：采用DHT11濕溫度檢測漠模塊用于檢測花圃的濕溫度。DHT11溫濕度模塊能夠同時進行檢測花圃溫度和濕度，并且能夠在一些嚴苛的環(huán)境下進行工作，其精度是非常高的，但是只能夠在0~50℃的工作下正常工作。方案二：采用DS18B20溫度檢查模塊，DS18B20模塊只能夠進行單一的檢測當(dāng)前的溫度，不能夠進行檢測當(dāng)前花圃內(nèi)的濕度，還需要外接一個檢測濕度的電路來進行檢測濕度，DS18B20模塊不需要外接一些驅(qū)動模塊就能夠進行正常工作，其測量溫度的范圍比DHT11溫濕度模塊檢測的更廣。根據(jù)上述兩種方案的對比，本次花圃設(shè)計的溫濕度檢測模塊選擇DHT11溫濕度檢測模塊。電機模塊的選擇方案一：采用步進電機來作為電機驅(qū)動模塊，步進電機的工作原理是通過接受信號來進行工作的，當(dāng)系統(tǒng)給一個信號的時候，步進電機就會進行工作一下，當(dāng)系統(tǒng)不給信號的時候，步進電機就不會進行工作，步進電機不能夠直接進行接入到電路當(dāng)中，需要配合驅(qū)動模塊來進行工作，其優(yōu)點就是能夠做到隨時啟停。方案二：采用直流電機來作為電機驅(qū)動模塊，直流電機的工作速度較快，能不需要外加驅(qū)動電路就能夠進行正常的工作，但是其缺點就是不能夠進行實時啟停，在系統(tǒng)不發(fā)出信號的時候，直流電機需要將速度降下來才能夠進行停止工作。根據(jù)上述兩種的方案的對比，本次設(shè)計的電機模塊采用步進電機。花圃的環(huán)境控制系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計思路本次設(shè)計的花卉環(huán)境控制系統(tǒng)主要是利用STC89C51單片機來進行處理信息，外部電路來進行檢測當(dāng)前花圃的溫濕度和光照強度，通過分析各個模塊的功能，來進行繪制電路的原理圖，然后再進行編寫C語音程序，通過C語言編程來進行驅(qū)動系統(tǒng)正常工作。單片機及其最小系統(tǒng)模塊單片機要正常進行工作是需要一些外圍的輔助器件來組成的，組成一個單片機最小系統(tǒng)。首先需要掌握單片機各個引腳的功能，STC89C51單片機總共有40個引腳。每一個引腳都有其功能與定義。單片機的第一個引腳到單片機的第8個引腳是單片機的P1接口，實現(xiàn)通用的輸入輸出功能，第1引腳到第8引腳分別對應(yīng)單片機的P1.0引腳到單片機的P1.7引腳。單片機的第9引腳定義為RST引腳，RST引腳功能會使單片機復(fù)位，程序停止運行。單片機的第10引腳是復(fù)用引腳包括了兩個功能，其一是通用的IO管腳，是P3口的P3.0引腳，其二功能是UART引腳，也就是串口的數(shù)據(jù)讀取引腳。單片機的第11引腳也是具有兩個功能，其一是P3接口的通用IO管腳P3.1，其二是單片機的UART接口的TXD接口，也就是串口的數(shù)據(jù)輸出引腳，同時可以通過串口實現(xiàn)程序的下載。單片機的第12引腳也是復(fù)用引腳，比較常用大的是外部中斷INT0的輸入引腳，同時也是單片機通用IO管腳P3.2。單片機的第13個引腳就是終止int1的輸入引腳,可以實現(xiàn)對中斷的檢測。同時也具有一個通用io引腳功能,可以對其進行重復(fù)。而且在單片機中14至17引腳一般當(dāng)做是單片機中的一個通用io管腳。第18、19號引腳是單片機外部的晶振輸入引腳。第20個引腳屬于gnd,屬于一個電源引腳。第21至28引腳分別對應(yīng)于單片機p2.0至p2.7引腳。第32到39引腳分別是一個對應(yīng)于單片機的p0接口,對應(yīng)于單片機的引腳分別是p0.0到p0.7,第40個引腳是與單片機相對應(yīng)的電源引腳，負責(zé)給單片機提供電源。單片機芯片如下圖3-1所示。3-1單片機模塊顯示模塊電路設(shè)計液晶顯示首先說一下液晶的物理組成，液晶的本身材質(zhì)是一種在固態(tài)與業(yè)態(tài)之間的一種物質(zhì)。液晶的這種特殊性，非常的適合在顯示屏幕當(dāng)中應(yīng)用，可以通過電流來控制實現(xiàn)界面畫面的顯示功能。液晶的顯示模塊主要包括了兩個重要的組成，其一是背光顯示，可以清晰的觀察，其二是液晶屏幕，組成各種圖形界面。液晶的構(gòu)造決定了液晶屏幕的一些優(yōu)點，具有背光燈設(shè)備顯示清晰明了，液晶較小，其驅(qū)動消耗的功耗也是相對較小，使用時候清理也是比較方便，方便日后保養(yǎng)清潔。液晶的使用范圍正常情況下是在0攝氏度到55攝氏度之間使用。LCD1602顯示器是比較常用的顯示設(shè)備，共可以顯示兩行的信息，每行中可以顯示的字符數(shù)量共16個，有背光的屏幕需要安裝LED背光，所以厚度相對來說比較厚。本次設(shè)計的設(shè)備選擇具有背光的LCD1602來顯示數(shù)據(jù)，好處是可以清晰的觀察系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，電路原理圖如圖3-3所示：圖3-2LCD1602顯示電路按鍵電路的的設(shè)計按鍵控制采用清楚是的按鍵作為檢測的輸入信號，實質(zhì)是通過按鍵的閉合導(dǎo)通實現(xiàn)單片機引腳狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，按鍵的一端需要接入系統(tǒng)的GND端實現(xiàn)拉低電平，由于單片機的引腳I/O是默許的上拉，所以當(dāng)沒有按鍵按下的時候單片機的引腳默許的是高電平，當(dāng)有按鍵按下的時候單片機就會檢測到低電平，單片機通過這個低電平的識別可以判斷按鍵是否有動作，然后執(zhí)行相應(yīng)的動作。由于是機械按鍵，在操作的短時間內(nèi)會有一個抖動，如果不進行處理會存在數(shù)據(jù)檢測錯誤的情況，為了避免錯誤干擾，通常在做處理按鍵的時候會加入少許的防止抖動的延時時間，這個時間一般在10毫秒左右就可以。按鍵電路的硬件電路如下圖3-3所示。圖3-3按鍵電路電機驅(qū)動模塊的設(shè)計本次設(shè)計的電機驅(qū)動模塊采用的是步進電機，因為步進電機不能夠直接接到單片機當(dāng)中使用，需要與步進電機的驅(qū)動模塊匹配，本次步進電機的驅(qū)動模塊就采用了ULN2003驅(qū)動器，步進電機能夠準確進行啟停，當(dāng)需要進行遮光的時候，步進電機會自動將遮光布拉下來，進行遮光，當(dāng)不需要進行遮光的時候，步進電機會將遮光布拉開。ULN2003是高電流驅(qū)動陣列，在單片機當(dāng)中使用比較廣泛。電機驅(qū)動電路如圖3-4所示。圖3-4電機驅(qū)動電路溫濕度檢測模塊的設(shè)計選用DHT11溫濕度檢測模塊，DHT11溫濕度檢測模塊是一款復(fù)合型的傳感器，不僅能夠進行檢測溫度還能夠進行檢測濕度，其能夠在零到五十?dāng)z氏度的進行正常工作，能夠檢測到的濕度范圍為20-90%RH，其檢測出來的濕度和正常的濕度誤插為正負5%RH。。溫度度檢測模塊如圖3-5所示。圖3-5溫濕度檢測模塊供電模塊的設(shè)計采用USB供電接口設(shè)計，可以兼容手機220V充電器，也可以采用電腦或者、充電寶進行設(shè)備的供電。USB是一種穩(wěn)定的電源供電系統(tǒng)，應(yīng)用也是非常的廣泛，采用USB供電非常安全可靠，輸出直流的5V電壓可以為設(shè)備提供工作電壓。USB輸出的電壓也是非常的穩(wěn)定，波動范圍與抗干擾的性能也是非常的優(yōu)秀。供電模塊電路圖如圖3-6所示。圖3-6供電模塊電路圖系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件介紹本次程序設(shè)計主要采用C語音進行程序的編寫。首先需要設(shè)計子函數(shù)，包括各個設(shè)備模塊的驅(qū)動程序，讀取數(shù)據(jù)程序。最后完成主程序main的設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)的功能去依次完成系統(tǒng)的各個功能模塊的使用，組合成整體的系統(tǒng)功能。通過keil編程軟件完成程序的設(shè)計，最后編譯成功之后輸出可執(zhí)行文件HEX文件，然后通過軟件下載到單片機設(shè)備中進行整體的測試。主函數(shù)流程圖的設(shè)計系統(tǒng)的程序分為主程序和子程序，這也是模塊化編程的基本思路，所有的子程序都需要圍繞主函數(shù)展開，可以說主函數(shù)是整個系統(tǒng)的核心，主函數(shù)對系統(tǒng)的功能進行分層處理，架構(gòu)起系統(tǒng)編程的框架，在框架下運行每一個子程序，通過順序執(zhí)行子函數(shù)完成系統(tǒng)的功能設(shè)計。具體的主程序流程如圖4.1所示。圖4-1主程序流程圖液晶顯示子函數(shù)的設(shè)計LCD作為人機交互界面主要進行設(shè)備的參數(shù)錄入與數(shù)據(jù)顯示LCD顯示流程圖如圖4-2所示。上電之后LCD顯示程序會進行