发布时间 : 星期日 文章基于单片机的农业大棚环境监测系统设计 - 图文更新完毕开始阅读72cfb429240c844768eaeea0
陕西理工学院毕业设计
1 方案论证及器件选择
1.1 方案论证
方案一：采用可编程逻辑器件设计 采用可编程逻辑器件设计，利用数字电路各功能模块相组合起来以达到其功能，可以利用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。结构设计比较清晰，各个模块从硬件上设计起来相对简单，比较方便的控制与显示模块间的连接。设计框图如图1.1所示。
数据显示模块PLD数据接收模块数据PLD数据采集模块按键温湿度传感器 图1.1 系统设计框图
方案二：基于单片机的设计
以单片机STC为控制核心，采用温湿度传感器和光敏电阻作为测量元件，构成智能温度、湿度
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和光照强度的测量系统。可分为温度、湿度测量电路、光照强度测量电路、主控电路、报警电路和显示电路。主器件：温湿度传感器DHT11、光敏电阻、单片机STC89C52、1602LCD显示器、LED灯和蜂鸣器。设计框图如图1.2 所示。
DHT11传感器模块1602显示模块STC89C52主控 模块报警模块光传感器模块 图1.2 系统总体设计框图
在方案设计中，遵循简洁至上的原则，因此所有的外围模块采用串行方式和微处理器模块链接。以STC89C52单片机为控制核心，控制温度、湿度和光照强度采集以及显示器的显示等功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传感器采集、单片机控制、1602液晶显示和蜂鸣器报警四大部分。
方案二可以利用单片机内部的控制只读存储器、随机存储器和其丰富的引脚资源，外接键盘输入，液晶显示器等实现数据的传输处理和显示功能。单片机可扩展性强、体积小、实用性强、功能齐全；设计起来也比较简单，硬件更加容易实现。方案一的好处是设计较为简单，但是如果结合本设计的特点，EDA在功能扩展上会受到约束，而且这样设计的电路有些繁杂，焊接的过程也比较复杂，成本较高，操作困难，因此不予采纳。经过综合分析，本次设计采用方案二。
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1.2 主要元器件选择 1.2.1 单片机选型
方案一：AT89C51是低电压，高性能的CMOS型8位微控制器，该设备采用MCS-51指令，片内通用的8位中央处理器和闪存单元，功能强劲，采用FLASH技术4K程序存储器，对设备开发要求低，从而缩短了开发周期。 AT89C51可构成最小的应用系统，缩小系统体积、提高系统可靠性、降低系统成本。只要程序长度小于4K，四个I/O端口提供给所有用户。提供5V的电压编程和擦除时间只需10毫秒。AT89C51芯片提供三个级别的程序存储器的加密，并提供了方便、灵活、可靠的硬件加密，可以保证程序或系统不被仿制。
方案二：STC89C52单片机和AT89C51系列的完全兼容，实际操作起来也方便很多。而AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口进行下载，下载软件可以到STC厂家网站下载。STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3~30倍，尽管达到了高速，但AT上的程序在STC上不一定好用，比如那些对时序有严格要求的模块。STC对工作环境的要求也比较低，3V~4V之间还可以正常工作，所以选用STC单片机会更合适。
经过比较两种方案，以及在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，最终选择用STC系列芯片。
1.2.2 传感器选择
方案一：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块，HS1101湿度传感器作为湿度采集模块。DS18B20是数字温度传感器，单线式接口方式，测量范围-10℃~85℃，误差范围±0.5℃，最高精度达0.0625℃。HS1101测量的相对湿度范围在0%~100%RH，误差±2%RH。
方案二：选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是集成型的一体数字温湿度传感器。DHT11采用数字温湿度传感技术，具有高可靠性和稳定性。传感器由电阻式测湿元件和NTC测温元件组成与单片机连接。产品具有品质高、响应快、抗干扰能力强等优点。测量范围湿度20%~90%RH，温度0℃~50℃。测温精度为±2℃，测湿精度为±5%RH。
通过以上分析，方案一虽然精度高，却稍显复杂。方案二即便不能实现方案一的高精度测量，却也能满足设计要求。且简便易行，可靠稳定，具有超高的性价比。故选择方案二。
光传感器方面则选择常用的光敏电阻。 1.2.3 显示器选择
方案一：LCD12864液晶显示屏，能够显示汉字和图形，是128×64点阵的汉字图形型液晶显示器，内置8192个中文汉字、显示RAM和128个字符，以8位并串行两种方式与微处理器直接连接。
方案二：采用HJ1602液晶显示屏。HJ1602是一种工业字符型液晶显示屏，能够同时显示16列2行。仅能显示字母、数字和符号，但寄存器不止32个。有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示。
在编程使用原理、写指令和写地址等都基本相同。当然12864液晶屏显示更全面，字符更多。相比于1602液晶屏，12864能更形象具体的实现显示功能。不过此次设计1602液晶屏也能够完全胜任，其显示简洁实用，价格实惠。经过综合考虑，1602是最好的选择。
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2 系统硬件设计
本次设计主要由4个模块构成，分别是传感器模块、主控模块、LCD液晶显示模块以及报警模块。主控模块采用STC89C52芯片，控制整个系统的运行，并利用各个接口分别控制外围模块，使其
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他模块可以连成一个整体，实现设计需要。报警模块主要指将蜂鸣器接入单片机电路，通过对实时温度、湿度和光照强度的检测，并设定所需要的温度、湿度及光照强度值区间，当越限时发出报警信号。传感器模块用于实时温度、湿度及光照强度的检测，由于DHT11是数字一体化，集成了模数转换等模块，直接连接单片机即可。LCD液晶显示模块同样接入单片机，实现对数据的实时显示。系统总体设计框图如图2.1所示。
DHT11传感器模块1602显示模块STC89C52主控 模块报警模块光传感器模块 图2.1 系统总体设计框图
2.1 主控模块 2.1.1 STC89C52
STC89C52单片机是一种低功耗，高性能CMOS 8位微控制器具有8K字节的可编程闪存，与80C51指令集和引脚完全兼容。片上闪存程序存储器可实现在系统编程，同时也适用传统的编程，如STC89C52设备可提供灵活有效的解决方案，以及许多嵌入式控制应用。 STC89C52具有以下标准功能：闪光的8K字节，256字节RAM，32位I/O线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个六向量两级中断结构，全双工串行口，片内振荡器和时钟电路。此外，空闲模式下，CPU停止，允许RAM，定时器/计数器，串行端口，中断至工作[8]。掉电保护模式，RAM内容被保存，
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振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
STC89C52引脚如图2.2所示。
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图2.2 STC89C52引脚图
管脚说明：
VCC：供电电压。 GND：接地。
P0口：P0口是8位双向开路I/O口。用作输出端口时，每个引脚吸收8TTL门电流。FIASH编程，P0口作为原码输入口，FIASH进行校验，P0输出原码，P0外部采取拉高。
P1口：P1口提供内部上拉电阻的双向8位I/O口，此口缓冲器可接收输出4TTL门电流。P1口写入1，然后上拉为高电平作输入，下拉为低电平输出电流，是内部上拉所造成的结果。FLASH编程和校验，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为8位内部上拉电阻双向I/O口，其缓冲器可接收输出4个TTL门电流，在被写为“1”时，管脚被内部上拉电阻拉高作输入。当作为输入时，管脚又被外部拉低输出电流。在访问外部程序存储器或数据存储器进存取时，输出是地址的高8位。在闪存校验和编程时接收控制信号以及高八位地址信号。
P3口：P3口管脚是8个双向并带有内部上拉电阻的I/O口。写入“1”之后，被内部上拉为高电平作输入。做输入口时，由于内部的上拉电阻，被外部拉低的引脚会输入一个电流ILL。
P3口可用于一些特殊功能口在STC89C52上，如表2.1所示。
表2.1 P3口功能表
P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外部中断0） /INT1（外部中断1） T0（记时器0外部输入） T1（记时器1外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时作为编程校验和闪烁编程接收部分控制信号。
RST：复位输入。要保持RST脚两个机器周期的高电平时间当振荡器复位期间时。 ALE/PROG：当访问外部存储器和地址锁存器，允许用于锁存地址状态字节的输出电平。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。普通时间ALE端在周期输出脉冲信号时，振荡器频率为1/6。因此，可用于定时目的或外部输出的脉冲。如果想禁止ALE输出，可设置为0在SFR8EH地址上。
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