1、 (2014-2015學年 春季 學期)重慶理工大學研究生課程論文課程論文題目：基于智能溫室溫濕度控制的計算機系統的設計與實現課程名稱計算機信息接口及技術課程類別學位課 非學位課任課教師趙明富所在學院電子信息與自動化學院學科專業通信與信息系統姓名 周傳興 學號52140724106提交日期 2015年6月7日注意事項：1、以上各項由研究生認真填寫；2、研究生課程論文應符合一般學術規范，具有一定學術價值，嚴禁網上下載或抄襲；凡檢查或抽查不合格者，一律取消該門課程成績和學分，并按有關規定追究相關人員責任；3、論文得分由批閱教師填寫（見封底），并簽字確認；批閱教師應根據作業質量客觀、公正的在文后簽寫

2、批閱意見；4、原則上要求所有課程論文均須用A4紙打印，加裝本封面封底，左側裝訂；5、課程論文由各學院（部）統一保存，以備查用。4、卷紙不夠寫，可另附紙。 基于智能溫室溫濕度控制的計算機系統的設計與實現基于智能溫室溫濕度控制的計算機系統的設計與實現 一、 緒論在農業生產中，越來越多的使用了溫室大棚，它為人們創造了了更高的經濟效益。在溫室大棚中，對于溫濕度的控制尤其重要。而一般傳統的溫濕度控制方法基本是人工的，人工的效率低，而且費時費力。本文旨在論述一種溫室大棚溫濕度控制的計算機系統的設計與實現，主要是進行溫濕度控制系統的整體研究與設計。利用數字溫濕度傳感器DHT11測量大棚內的溫濕度。通過采集溫

3、度及濕度值，準確的判斷標準值與當前值之間的差異，及時的啟動報警裝置（包括警報燈的提示功能以及提示音等）進行報警，并采取相應的方案。利用LCD對溫濕度進行實時顯示。利用NRF24L01無線模塊實現數據的遠距離傳輸。1.1 立題的目的及意義AT89S52單片機是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度控制系統的實例也很多。使用AT89S52單片機能夠實現溫濕度全程的自動控制，而且AT89S52單片機易于學習、掌握，性價比高。使用AT89S52單片機設計溫濕度控制系統，可以及時、精確的反映室內的溫度以及濕度的變化。完成諸如升溫到特定溫度、降

4、溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此。將此系統應用到溫室當中無疑為植被的生長提供了更加適宜的環境。1.2 國內外的研究現狀及發展趨勢美國是將計算機應用于大棚和管理最早，最多的國家之一。美國開發的大棚計算機控制與管理系統可以根據作物的特點和生長所需要的條件，對大棚內的光照，溫度，濕度等諸多因素進行自動控制。這種自動控制系統需要種植者輸入溫室作物生長所需的環境的目標參數，計算機根據傳感器的實際測量值與事先設定的目標進行比較，以決定大棚溫濕度的控制過程，按照相應的機構進行加熱，降溫或者是澆水，通風等。目前，我國絕大部分自主開發的大棚溫濕度控制或者進口的國外設

5、備都屬于這種系統。雖然這種自動控制系統實現了自動化，適合規模化生產，提高了勞動生產率，通過改變大棚溫濕度的設定目標，可以自動的對大棚內溫濕度進行調節，但是這種調節對作物的生長來說還是相對滯后的，難以介入作物生長的內在規律。所以在這種自動控制系統和實踐的基礎上，溫濕度自動控制向著適合不同作物生長的智能化控制發展。目前國內外的溫濕度檢測使用的溫濕度檢測元件種類繁多、應用范圍也較廣泛加之單片機和大規模集成電路技術的不斷提高，出現了高性能、高可靠性的單片機數據采集系統。基于單機片的溫濕度監測控制系統的設計研究較少。隨著經濟和社會的不斷發展，人們對自己的生活環境要求越來越高。特別在溫室大棚中，對溫濕度要

6、求更為嚴格。基于智能溫室溫濕度的計算機系統的設計與實現，將對環境的溫濕度監測系統做詳細的設計與實現。二、相關的技術介紹1.進行溫濕度控制系統的整體研究與設計。2.利用數字溫濕度傳感器DHT11測量大棚內的溫濕度。3.通過采集溫度及濕度值，準確的判斷標準值與當前值之間的差異，及時的啟動報警裝置（包括警報燈的提示功能以及提示音等）進行報警，并采取相應的方案。4.利用LCD對溫濕度進行實時顯示。5.利用NRF24L01無線模塊實現數據的遠距離傳輸。三、系統總體設計3.1 系統的組成以單片機為控制核心，采用溫濕度測量技術，通信技術，控制技術等技術，以溫濕度傳感器作為測量元件，構成智能溫濕度測量控制系統

7、。可分為溫濕度測量電路，顯示電路，報警電路，無線模塊。如下為系統的組成圖。圖3.1 系統組成圖3.2 系統工作原理本系統以單片機AT89S52為核心，數據采集、傳輸、顯示、報警都要通過單片機。數據采集通過單總線的智能數字溫濕度傳感器DHT11完成；通過單片機把采集的數據顯示在1602LCD上；當采集的數據超出給定范圍時，有蜂鳴器實時報警，并將數據通過NRF2401無線傳輸給另一個單片機上顯示。單片機采用C語言編程。圖3.2 流程框圖四、系統硬件設計4.1 單片機系統設計經過上面的總體方案和實施措施的討論后可以開始著手硬件系統的設計，硬件系統是應用系統的基礎、軟件系統設計的依據，根據總體功能和性

8、價比及其運行速度等因素的考慮，選用AT89S52單片機。其內部主要由CPU、RAM、ROM、通用I/O及總線構成，內部結構如圖4.1所示：8051時鐘程序存儲器數據存儲器定時計數器并行I/O口串行通信口中斷系統數據總線地址總線控制總線 圖4.1 AT89S52內部結構圖4.2 溫濕度傳感器設計 DHT11數字溫濕傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越，超快響應，抗干擾能力強，性價比極高等

9、優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度較驗室進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極地的功耗，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。產品為4針單排引腳封裝，連接方便。4.3 無線模塊設計nRF24.L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于2.4GHz-2.5GHzISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24.L01功耗低，在以-6dBm的功率發射時

10、，工作電流也只有9mA；接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功耗工作模式（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便。4.4 液晶顯示裝置設計1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，它有若干個5x7或者5x11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此，他不能顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）1602LCD是指顯示的內容為16x2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）目前市面上字符液晶絕大多數是基于HD44780液晶芯片

11、的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。4.5 報警系統設計 本系統采用紅LED燈作為光報警提示，當系統檢測到的數據不符合給定的要求時，現場為紅燈報警提示；本系統采用蜂鳴器作為聲報警提示，當系統檢測到的數據不符合給定的要求時，現場蜂鳴器報警提示。如圖4.5：:圖4.5 報警系統電路圖五、系統軟件設計 本系統軟件系統設計包括：系統初始化模塊，數據采集模塊，無線模塊的溫濕度模塊，1602LCD顯示模塊，報警模塊。系統軟件設計總體流程圖如圖5.1：圖5.1 系統流程圖5.1 系統初始化模塊系統初始化模塊的主要功能是完成系統的初始化以及設

12、定系統的工作狀態，初始化部分包括以下方面的內容：1.單片機初始化以及各種引腳定義2.1602液晶初始化及工作方式3.系統進入正常工作狀態5.2 數據采集模塊溫濕度檢測模塊是本系統中的核心模塊之一，它負責完成溫度和濕度的測量及模擬量轉換為數字量的全過程，這也是它為什么重要的原因。數字式溫濕度傳感器DHT11直接把檢測到的模擬量轉化為數字量送給單片機，在經過單片機的處理，把溫濕度值顯示在1602液晶上。溫濕度傳感器的精確度值直接影響到整個系統的檢測與控制，所以本系統采用數字式溫濕度傳感器DHT11采集溫室內的溫濕度。溫濕度判斷控制模塊也是系統的核心模塊之一，所謂判斷控制模塊，就是對當前溫濕內的實際

13、溫濕度與給定的溫濕度范圍進行比較，先進行判斷，然后再進行控制，控制模塊是決定系統將要進行什么工作的，如溫度和濕度高于上限時或低于下線時需要進行啟動警報，并且將溫濕度結果以無線進行通信等。溫濕度傳感器程序流程圖如圖5.2所示：圖5.2 溫濕度傳感器程序流程圖5.3 無線模塊首先進行初始化操作，初始化包括設置單片機I/O和SPI相關寄存器兩部分其可以和nRF24L01通信。通過SPI總線配置射頻芯片使其進入正確的工作模式。發射數據時，首先將nRF24L01配置為發射模式26。接著把發送端待發射數據的目標地址TX-ADDR和數據TX-PLD寫入nRF24L01緩沖區，延時后發射。 其流程圖如圖5.3

14、所示：圖5.3 無線發射軟件流程圖無線接收模塊部分接收數據時，首先將nRF24L01配置為接收模式。接著延遲進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效地址和CRC時，就將數據包儲存在接收堆棧中，同時狀態寄存器中的中斷標志位RX-DR置高，產生中斷使IRQ引腳變為低電平，以便通知MCU去取數據，其流程圖如圖4.4所示：圖5.3 無線接收軟件流程圖5.4 顯示模塊對LCD1602A進行初始化開 始 否 是否按下 否掃描按鍵 延時消抖 否首行掃描字R3列掃描送P1掃描判定鍵值 鍵值入棧保護否鍵值轉化為ASII碼，存入寄存器繼續掃描判釋放按鍵 判第七位是否為0LCD1602A寫命令lingllin

15、令 顯 示延 時結 束圖5.4 顯示流程圖5.5 報警模塊報警模塊具備兩項功能，即為報警燈和聲音報警。報警燈模塊是完成LED有規律的轉換，以便從視覺上提醒用戶。LED是由單片機控制LED燈組成的，其轉換規律為：1.系統溫濕度值在給定的范圍時，LED不亮。2.系統溫濕度值超出給定的范圍時，紅色LED亮。在LED燈轉換的同時，聲音報警也會同時啟動，可采用延時的方式來延長聲音報警的聲音。警報燈由1個LED燈組成，一共需要1根數據線，使用單片機AT89S52控制。要實現的功能是使LED燈有規律亮與熄滅，當系統上電后，系統進行實時的采樣，并判斷出當前溫濕度與給定溫濕度之間的差異，如果當前溫濕度低于用戶給

16、定的下限溫濕度值，則說明當前溫濕度過低，系統自動啟動紅色警報燈，直至溫濕度值升到適合范圍時警報燈熄滅。反之，如果當前溫濕度高于用戶設定的上限溫濕度值，則說明當前溫濕度過高，系統也會自動啟動警報燈，直至溫濕度值降到適當范圍時警報燈熄滅。六、抗干擾措施硬件系統的可靠性設計是單片機系統可靠性的根本。如果硬件措施得當，可將絕大部分干擾拒之系統之外，但仍會有少數干擾進入單片機系統，故軟件的抗干擾措施也必不可少。軟件的抗干擾措施是以CPU為代價的， 如果沒有硬件消除絕大多數干擾,，CPU將疲于奔命，嚴重影響系統的工作效率和實時性。因此，一個成功的抗干擾系統是由硬件和軟件相結合構成的。對于硬件而言，采用的抗

17、干擾技術是輸入通道的抗干擾 單片機與輸入,輸出通道進行信息傳送時，信號可能會出現延時、衰減、畸變，另外還有通道干擾。為了保證長線傳輸的可靠性，可以采用光電耦合，雙絞線傳輸、阻抗匹配等方法。其中光電耦合能有效 地抑制尖峰脈沖和各種噪聲干擾，具有很強的抗干擾能力；雙絞線傳輸對電磁干擾有一定的抑制作用；長線傳輸時，阻抗不匹配會產生反射，使信號失真，所以，長線傳輸時要盡可能地做到阻抗匹配。在整個系統中，因為要對整個溫室里面的溫濕度進行檢測，所以再采集信號的時候，盡可能的考慮到信號的可靠性與準確性。硬件抗干擾措施不可能完全解決抗干擾問題，還需結合軟件的抗干擾技術。軟件系統的可靠性設計能最大限度地降低干擾

18、對系統工作的影響，確保單片機及時發現因干擾導致程序出現的錯誤，使系統盡快恢復到正常工作狀態或及時報到抑制外來干擾的作用。本次采用的軟件抗干擾是開機自檢 開機后首先對單片機系統的硬件及軟件狀態進行檢測，一旦發現不正常，就進行報警或其它形式的出錯提示，等待相應的處理。開機自檢程序通常包括對ROM、RAM、I/O口狀態等的檢測。 檢查RAM讀寫是否正常，實際操作是向RAM單元寫“00H”，讀出也應為“00H”；再向其寫“FFH”，讀出也應為“FFH”。如果RAM單元讀出與寫入數據不一致，說明RAM存儲器出錯。 對ROM單元的檢測主要是檢查ROM單元內容的校驗和。所謂ROM的校驗和是將ROM的內容逐一

19、相加后得到一個數值，該值稱校驗和。ROM單元存儲的是程序、常數和表格。一旦程序編寫完成，ROM中的內容就確定了，其校驗和也就是唯一的。若ROM校驗和出錯，說明ROM已出錯，需等待處理。 I/O口狀態和其它接口電路檢查，需首先確定它們在待機時應處的狀態，然后檢測單片機的I/O口在待機狀態下的狀態是否正常（如是否有短路或開路等現象）。對擴展的EPROM,A/D轉換電路等，均應通過軟件進行檢測，確定是否有故障。只有各項檢查均正常，程序方能繼續執行，否則應提示出錯。結論 本系統主要根據目前溫室大棚技術的發展趨勢和國內實際的應用特點和要求，采用了自動化的結構形式，實現對空氣溫濕度的自動檢測和控制。系統以

20、單片機AT89S52為核心部件，單片機系統完成對溫濕度信號的采集、處理、顯示等功能。整個系統的適用性強，用戶只需對參數進行設置并啟動系統正常運行便可實現對溫室溫濕度的實時監控。整個系統實現無線信號傳輸。方便隨時隨地掌握溫室內作物的溫濕度情況，對作物的生產環境進行適時、適當的控制，不僅有利于作物的生長發育，而且避免了了資源的浪費，起到了提高作物產量的作用。 參考文獻1 高職富.溫室環境控制技術的現狀及發展前景J.中國市場,2007年第35期:106-1072 吉紅.自動控制在國外設施農業中的應用J.農業環境與發展,2007(5):52-543 楊志強,周士沖,陳磊.我國設施農業的發展分析J.農業

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