單片機溫濕度畢業(yè)設計

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設計）</p><p>　　基于單片機蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 </p><p>　中工信商2014-XX16-</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，是對蔬菜大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度的實時監(jiān)測。進行環(huán)境溫濕度監(jiān)測是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科

2、學化的基本保證，通過對檢測到溫濕度數(shù)據(jù)的分析，并結合蔬菜生長發(fā)育規(guī)律來進一步控制環(huán)境條件，使某些蔬菜在不適宜的反季中可獲得比大棚外生長更優(yōu)的環(huán)境條件，達到蔬菜優(yōu)質(zhì)、高效以及高產(chǎn)的栽培目的。</p><p>　　本設計是基于STC12C5A60S2單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，采用DHT11作為溫濕度傳感器，使用LCD Nokia5110液晶屏進行溫濕度數(shù)據(jù)實時顯示，監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)通過西門子TC35 GSM模

3、塊發(fā)送至上位機監(jiān)測系統(tǒng)。同時，對整個監(jiān)控系統(tǒng)設計原理和實現(xiàn)方法作詳細介紹。</p><p>　　關鍵字：STC12C5A60S2單片機，TC35，DHT11，溫濕度監(jiān)測</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Vegetable greenhouse temperature and humidity monit

4、oring system, it is for the real-time monitoring of environmental temperature and humidity in the vegetable greenhouses.Of environmental temperature and humidity monitoring greenhouse production management is to realize

5、the automation, the basic guarantee for the scientific, through the analysis of the temperature and humidity data detected, and combining the vegetable growth development pattern to further control the environment condit

6、ion, make</p><p>　　This design is based on STC12C5A60S2 MCU vegetable greenhouse temperature and humidity control system, using DHT11 as temperature and humidity sensor, using Nokia5110 LCD real-time display

7、 of temperature and humidity data, monitoring the temperature and humidity data sent via Siemens TC35 GSM module first place machine monitoring system.At the same time, the whole monitoring system design principle and im

8、plementation method in detail.</p><p>　　Keywords：STC12C5A60S2MCU, TC35, DHT11, temperature and humidity monitoring</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b><

9、;/p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 設計目的和意義1</p><p>　　1.2 選題背景及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題3</p><p&

10、gt;　　1.3.1 本設計主要研究內(nèi)容3</p><p>　　1.3.2 本設計擬解決的主要問題3</p><p>　　2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方案設計5</p><p>　　2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計5</p><p>　　2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計指標要求5</p><p>　　2.3 溫濕度系統(tǒng)

11、方案論證選擇5</p><p>　　2.3.1 主控芯片方案選擇5</p><p>　　2.3.2 傳感器模塊方案選擇6</p><p>　　2.3.3 通信模塊方案選擇6</p><p>　　2.3.4 顯示模塊方案選擇6</p><p>　　2.3.5 鍵盤模塊方案選擇7</p>

12、<p>　　3 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設計8</p><p>　　3.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構總體研究8</p><p>　　3.2 單片機最小系統(tǒng)電路設計9</p><p>　　3.3 顯示模塊電路設計10</p><p>　　3.4 溫濕度傳感器電路設計11</p><p>　　3

13、.5 時鐘電路設計11</p><p>　　3.6 報警電路設計12</p><p>　　3.7 鍵盤電路設計13</p><p>　　3.8 串口通信電路設計13</p><p>　　3.8.1 TC35串口通信電路設計14</p><p>　　3.8.2 PC機串口通信電路設計14</

14、p><p>　　3.9 系統(tǒng)電源電路設計15</p><p>　　4 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計16</p><p>　　4.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件結構總體研究16</p><p>　　4.2 顯示單元軟件設計17</p><p>　　4.3 溫濕度傳感器單元軟件設計18</p><p&

15、gt;　　4.4 通信單元軟件設計21</p><p>　　4.4.1 通信協(xié)議設計21</p><p>　　4.4.2 TC35發(fā)送接收信息軟件設計22</p><p>　　4.5 時鐘單元軟件設計23</p><p>　　4.6 鍵盤單元軟件設計24</p><p>　　5 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試

16、26</p><p>　　5.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件裝配26</p><p>　　5.1.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計環(huán)境26</p><p>　　5.1.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)整機裝配28</p><p>　　5.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件調(diào)試30</p><p>　　5.2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

17、30</p><p>　　5.2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件總調(diào)31</p><p><b>　　6 結論33</b></p><p><b>　　參考文獻34</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p><b&

18、gt;　　附錄36</b></p><p>　　附錄一 蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)原理圖36</p><p>　　附錄二 蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件源程序37</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 設計目的和意義</p><p>　　隨著農(nóng)

19、業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大和大棚技術的不斷普及，蔬菜大棚數(shù)量不斷增多，溫濕度控制是蔬菜大棚一個重要的控制環(huán)節(jié)。農(nóng)作物的生長都是在一定的環(huán)境中進行的，其在生長過程中會受到環(huán)境中各種因素的影響，其中對植物生長影響最大的兩個指標是環(huán)境的溫度和濕度。環(huán)境晝夜的濕度和溫度變化較大，其對植物生長極其不利。因此必須對環(huán)境的溫濕度進行實時監(jiān)測和控制，使其適合農(nóng)作物的生長，提高其質(zhì)量和產(chǎn)量。溫度太低，蔬菜就會被凍死，濕度太低，蔬菜就會停止生長，所以要將溫度和濕度

20、控制在適合蔬菜生長的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛一個溫度計，由人工讀取溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。如果僅依靠人工來控制，既耗人力，又容易出差錯?，F(xiàn)在隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測控制措施表現(xiàn)出極大的局限性。因此在現(xiàn)代化的蔬菜大棚管理中，通常有溫度濕度自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，來實時監(jiān)測控制溫室大棚溫度濕度，適應生產(chǎn)需要。本次畢業(yè)設計了基于單片機STC 12C5A60S2和溫濕度傳感器DHT11采集數(shù)據(jù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

21、</p><p>　　1.2 選題背景及發(fā)展趨勢</p><p>　　溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為農(nóng)作物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界惡劣氣候和四季變化對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬季或其它不適宜陸地農(nóng)作物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進農(nóng)作物生長發(fā)育，防治病蟲害及提高產(chǎn)量、質(zhì)量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環(huán)境監(jiān)測和控制，該技術的最終

22、目標是提高作業(yè)與控制精度。</p><p>　　國外對溫室環(huán)境控制技術研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。現(xiàn)在世界各國的溫室控制技術發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展[1]。</p><p>　　美國是最

23、早發(fā)明計算機的國家，也是最早將計算機應用于溫室管理和控制、最多的國家之一。美國擁有發(fā)達的設施栽培技術，綜合環(huán)境控制技術水平非常高。環(huán)境控制計算機主要用來對溫室環(huán)境(氣象環(huán)境和栽培環(huán)境)進行監(jiān)測和控制。以花卉溫室為例，溫室內(nèi)監(jiān)控項目包括室內(nèi)水溫、氣溫、土壤溫度、管道溫度、鍋爐溫度、保溫幕狀況、相對空氣濕度、泵的工作狀況、通窗狀況、CO2濃度、Ec調(diào)節(jié)池與回流管數(shù)值、pH調(diào)節(jié)池與回流管數(shù)值；室外監(jiān)控項目包括太陽輻射強度、大氣溫度、相對濕度、

24、風向風速等。溫室專家系統(tǒng)的應用給種植者帶來了許多經(jīng)濟效益，提高了決策水平，減輕了技術管理工作量，同時也為種植帶來了很大方便。</p><p>　　以園藝業(yè)著稱的荷蘭從20世紀80年代以來就開始全面開發(fā)溫室計算機自動控制系統(tǒng)，并積極的開發(fā)模擬控制軟件。目前，荷蘭自動化智能玻璃溫室制造水平處于世界先進水平，擁有玻璃溫室1.2萬多平方米，占世界1/4以上，有85％的溫室用戶使用計算機控制溫室環(huán)境。荷蘭開發(fā)的溫室計算機控

25、制系統(tǒng)是通過人機交互界面進行參數(shù)設置和必要的信息顯示，可繪制出修正值曲線、設定參數(shù)曲線以及測量數(shù)據(jù)曲線，可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)出設定的時間段內(nèi)參數(shù)以便于必要的數(shù)據(jù)查詢，并可以直接對計算機串口進行設置，完成下位機與上位機之間的通信。上位機軟件集信息顯示、參數(shù)設置、控制監(jiān)測等功能于一體，同時還能夠很好地完成氣候的控制、溫室灌溉和管理。</p><p>　　此外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。網(wǎng)絡技術、遙測技術、控制局

26、域網(wǎng)已逐漸應用于溫室管理和控制中[2]?？刂埔竽茉谶h離溫室的計算機控制室就能完成，即遠程控制。另外該網(wǎng)絡還連接有幾個通訊平臺，用戶可以在遙遠的地方通過直觀的圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)通信，就像在現(xiàn)場操作一樣，給人一種身臨其境的感覺。</p><p>　　從國內(nèi)外溫室控制技術的發(fā)展狀況來看，溫室環(huán)境控制技術大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。</p><p>　?。?）手動控制：這是在溫室控制技

27、術發(fā)展初期所采取的控制手段，其實并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對溫室作物進行管理的執(zhí)行機構，他們是溫室環(huán)境控制的核心，通過對溫室內(nèi)外的氣候的狀況和對農(nóng)作物生長的狀況進行觀測，憑借長期積累的經(jīng)驗和直覺推測及判斷，手動調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境。種植者采用手動控制方式，對于作物生長狀況的反應是最直接，最迅速且最有效的，它符合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)律。但這種控制方式的勞動生產(chǎn)率較低，不適合工業(yè)化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需要，

28、而且對種植者的素質(zhì)要求較高[3]。</p><p>　?。?）自動控制：這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標參數(shù)，計算機根據(jù)傳感器實際的測量值與事先設定的參數(shù)進行比較，來決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應機構進行降溫、通風和加溫等操作。計算機自動控制的溫室控制技術實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化，適合規(guī)?；a(chǎn)，同時勞動生產(chǎn)率也得到了提高。通過改變溫室環(huán)境設定目標參數(shù)，可以自動的進行溫室內(nèi)環(huán)境氣候調(diào)節(jié)，但是這

29、種控制方式對作物生產(chǎn)狀況的改變難以及時做出反應[3]，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律。目前國內(nèi)絕大部分自主研發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進的國外設備都屬于這種控制方式。</p><p>　?。?）智能化控制：這是溫度自動控制技術和生產(chǎn)實踐的基礎上，通過總結，收集農(nóng)業(yè)領域知識、技術和各種實驗數(shù)據(jù)構建專家系統(tǒng)，以建立作物生長的數(shù)學模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同農(nóng)作物生長的溫室專家控制系統(tǒng)技術。溫室控制技術沿著手動、自

30、動、智能化控制的生產(chǎn)進程，向著越來越先進的，功能越來越完備的方向發(fā)展。由此可見，溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型，溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發(fā)展[3]。</p><p>　　通過研究國內(nèi)外的溫室控制技術可以更深刻的理解畢業(yè)設計的具體設計思路和方法，可以在更短的時間內(nèi)高效率完成畢業(yè)設計。</p><p>　　1.3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問

31、題</p><p>　　1.3.1 本設計主要研究內(nèi)容</p><p>　　設計系統(tǒng)主要由單片機、溫濕度傳感器、顯示模塊、GSM通信模塊以及鍵盤組成。用戶可以先設定溫濕度的上限和下限，溫濕度傳感器監(jiān)測值傳給單片機，當單片機監(jiān)測到的數(shù)值超過所設定值時，單片機就會通過GSM模塊向上位機發(fā)送當前溫濕度值，并響應報警電路啟動相對應的溫濕度控制設備。系統(tǒng)自動啟動執(zhí)行調(diào)節(jié)大棚濕度和溫度狀態(tài)，直到溫濕

32、度狀態(tài)處于用戶所設定的值。如果有預置初值與當前狀態(tài)不相等時，系統(tǒng)會觸發(fā)報警裝置，直到大棚溫濕度值和用戶所設值相等為止。其中下位機系統(tǒng)可以自動接收上位機發(fā)送過來的溫濕度設定值信息，通過單片機解析所接收到的數(shù)據(jù)短信來修改當前設定值。下位機檢測系統(tǒng)每小時向上位機發(fā)送一次當前檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)值，上位機收到下位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息時進行分析存儲，并且描繪相應溫濕度趨勢線。</p><p>　　在研究設計的過程中充分考慮到

33、性價比和精度，在選用低價格、通用元件的的基礎上，盡量滿足設計要求，并使系統(tǒng)具有高的精度。本控制系統(tǒng)以單片機的控制為核心，實時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，并設定了這兩個參數(shù)的上下限定值，并具有相應的報警系統(tǒng)，當超過設定的限定值時，單片機控制報警系統(tǒng)進行報警，而且同時驅(qū)動繼電器打開相應的開關使相應的執(zhí)行機構運行。</p><p>　　1.3.2 本設計擬解決的主要問題</p><p>　　植物的生

34、長都是在一定的溫濕度環(huán)境中的，蔬菜大棚為現(xiàn)代蔬菜種植提供了新的生產(chǎn)環(huán)境，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟。它可以提高產(chǎn)業(yè)化水平，提高農(nóng)民收入和提高抵御自然災害能力，延長作物生長時間，提高作物產(chǎn)量。對于農(nóng)作物來說，濕度和溫度是兩個非常重要的條件。所以能夠監(jiān)控溫度和濕度對農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)有著十分重要的意義。</p><p>　　溫度、濕度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要環(huán)境參數(shù)，對其進行適時準確的測量具有重要意義。溫室溫濕度測控系統(tǒng)是對溫

35、室環(huán)境因素（溫度、濕度）進行相應地修正或調(diào)整，使植物生長處于最佳或相對最佳的生長環(huán)境條件中。而當今大多數(shù)對溫室溫度與濕度的控制采用人工管理，這不但大大增加了成本，浪費人力資源，而且很難達到希望的成效。在溫室中，溫度和濕度很大程度影響著植物的生長發(fā)育。適合的溫濕度促進植物的生長發(fā)育，而不合適的溫濕度不但對植物生長是不利的，還會增加病蟲害。溫室是一個比較密閉的環(huán)境，其溫濕度條件與露天有很大不同。長期密閉或灌溉不當可能造成溫濕度的不當，從而對

36、作物生長不利還會增加病蟲害。隨著傳感器的發(fā)展,可以利用傳感器將溫度和相對濕度非電信號轉(zhuǎn)化為相應的電信號,從而便于測控,這種方法省力、耗能小、準確,能在空氣中溫濕度不合理時采取相應的補救措施，解決了人工檢測的不準確性和經(jīng)驗性。</p><p>　　2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方案設計</p><p>　　2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計</p><p>　　在現(xiàn)實生活中，溫度和濕

37、度的測量在紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、林業(yè)、各種軍用、民用庫房以及氣象和模擬人工氣侯環(huán)境中都有著廣泛的應用。因此能否有效地對這些領域的環(huán)境溫度和濕度進行實時監(jiān)測，是一個必須解決的重要課題。采用適宜的溫度、濕度傳感器構成監(jiān)測系統(tǒng)裝置是一種較好的解決方案。為此，利用適當?shù)目刂茊卧O計一個溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)來對蔬菜大棚溫濕度進行實時監(jiān)測，其基本結構如圖2-1所示。</p><p>　　圖 2-1 系統(tǒng)結構圖</p>

38、<p>　　2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計指標要求</p><p>　　蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計指標具體要求有一下幾點：</p><p>　?。?）檢測范圍：濕度范圍為20～90%RH，溫度范圍為0～+50℃；</p><p>　　（2）檢測精度：濕度測量精度可達±5%，溫度測量精度可達±2℃；</p><p>

39、;　?。?）實時顯示功能，有過限報警功能，有溫濕度上下限報警設定功能；</p><p>　?。?）基于GSM模塊數(shù)據(jù)信息實時傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機串行通信功能。</p><p>　　2.3 溫濕度系統(tǒng)方案論證選擇</p><p>　　2.3.1 主控芯片方案選擇</p><p>　　方案一：采用FPGA。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是專用

40、集成電路（ASIC）中集成度最高的一種，它是當今研究的熱門領域。但其性價比低，引腳太多外圍電路太復雜，不適合手工焊接。</p><p>　　方案二：采用PLC作為主控制器。使用PLC的最大優(yōu)點在于PLC使用梯形圖進行編程，編程語言形象直觀，難度較低，因此開發(fā)周期短，便于擴展。而且PLC抗干擾能力強，工作穩(wěn)定可靠，這一點已被長期的工業(yè)控制實踐所證明。雖編程簡單方便，但其靈活性相比C語言較差，價格方面比較昂貴。<

41、;/p><p>　　方案三：采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器。單片機可以用C語言進行編程，由于它支持ISP在線編程，因此可以通過RS232串口將程序燒錄到單片機中，十分方便。溫濕度傳感器DHT11通過單總線與單片機連接。編程靈活方便，價格低廉。</p><p>　　綜合以上三種方案，選擇方案三，采用STC12C5A60S2單片機作為主控模塊。</p><p&g

42、t;　　2.3.2 傳感器模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采用分立溫濕度傳感器。分別采用溫度傳感器和濕度傳感器，致使外圍電路復雜，且采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)較為復雜，給程序帶來不必要的麻煩。</p><p>　　方案二：采用溫濕度一體傳感器。DHT11溫濕度傳感器集成了溫度和濕度兩個傳感器，采用單總線設計，外圍接口電路簡單，采集信號為數(shù)字量誤差較小，無需外加A/D轉(zhuǎn)換電路且程序編寫時

43、容易分析。</p><p>　　綜合以上兩種方案，選擇方案二，采用DHT11溫濕度傳感器。</p><p>　　2.3.3 通信模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采用紅外收發(fā)模塊。紅外收發(fā)模塊安裝簡單，價格便宜。但信息編碼相對較為復雜，信息傳輸距離較短，飛鳥、動物、溫度、光線、空氣流動、霧氣、雨雪等環(huán)境因素以及安裝方式、角度、位置等因素都容易引發(fā)誤報。&l

44、t;/p><p>　　方案二：采用藍牙收發(fā)模塊。藍牙模塊傳輸速率高，功耗低、通訊安全性好，支持語音傳輸，價格低廉且組網(wǎng)簡單方便。但其容易受溫度濕度等環(huán)境因素影響，傳輸距離較短穿越障礙物能力差。</p><p>　　方案三：采用GSM模塊。西門子TC35是工業(yè)級的GSM模塊，技術成熟功能強大，編程方便穩(wěn)定，在有蜂窩網(wǎng)的情況下不受距離限制，可與上位機、用戶等多個終端通信。</p>&

45、lt;p>　　綜合以上三個方案，選擇方案三，采用西門子TC35GSM模塊作為通信模塊。</p><p>　　2.3.4 顯示模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采用數(shù)碼管顯示。價格雖便宜，但由于本設計需要顯示溫濕度信息，采用數(shù)碼管無法顯示。</p><p>　　方案二：采用8位LED點陣顯示。LED點陣顯示雖然能顯示字符和數(shù)字，但顯示效果不好，且不易編

46、程。</p><p>　　方案三：采用LCD顯示。Nokia5110LCD不但能顯示字符和數(shù)字，而且還能顯示中文漢字，顯示效果較好，外圍電路及接口簡單，容易編程實現(xiàn)。</p><p>　　綜合以上三種方案，選擇方案三，采用Nokia5110LCD作為顯示模塊。</p><p>　　2.3.5 鍵盤模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采

47、用矩陣按鍵。按鍵數(shù)較多適合較復雜的輸入系統(tǒng)，且外圍電路焊接復雜。而本設計無需太多按鍵。</p><p>　　方案二：采用獨立按鍵。外圍電路較簡單，容易編程，價格低廉。</p><p>　　綜合以上兩種方案，選擇方案二，采用獨立按鍵模塊。</p><p>　　3 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設計</p><p>　　3.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構

48、總體研究</p><p>　　硬件電路是蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的核心器件，是整個系統(tǒng)的靈魂載體，硬件和軟件相輔相成構成一個完整的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)系統(tǒng)的好壞有一大部分取決于硬件電路，若是硬件電路選材設計不合理或者配置低，往往會約束軟件開發(fā)的豐富性或是增加開發(fā)難度，因此系統(tǒng)硬件結構電路設計開發(fā)有一定的難度，比如模擬電路和數(shù)字電路之間的共地問題，系統(tǒng)硬件電路熱電區(qū)的保護措施，PCB板設計時添加抗干擾功能等等，都要考慮周全

49、面面俱到。</p><p>　　蔬菜溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)總體硬件電路選材已在第二章中詳細論述到，接下來是再次圍繞系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能設計各模塊電路，無縫的結合到一起就構成系統(tǒng)整體電路。本次畢業(yè)設計整體是以溫濕度為研究設計核心，結合本科兩年所學的課程綜合自身所學知識進行設計的。系統(tǒng)硬件電路設計涉及到電子技術中最基礎的知識模電和數(shù)電知識，實用電源設計，單片機基礎與運用以及Altium Designer 13應用設計等。<

50、;/p><p>　　系統(tǒng)整體實現(xiàn)原理框圖如圖3-1所示，通過單片機讀取溫濕度傳感器采集回的數(shù)據(jù)，實時顯示到LCD屏幕上，可以在系統(tǒng)監(jiān)測室設置溫濕度報警限值，再通過相應的算法分析傳感器采集回的溫濕度數(shù)據(jù)是否超出限值報警，每隔一個小時單片機把采集到的數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送給上位機軟件進行實時監(jiān)測，同時下位機軟件有能力接收到上位機設置的溫濕度限值進行有關內(nèi)存單元數(shù)據(jù)的修改，最終實現(xiàn)蔬菜大棚溫濕度實時監(jiān)測功能。</p&

51、gt;<p>　　圖3-1 系統(tǒng)整體實現(xiàn)原理框圖</p><p>　　3.2 單片機最小系統(tǒng)電路設計</p><p>　　單片機最小系統(tǒng)是指能維持單片機運行的最簡單配置的應用系統(tǒng)，其中單片機最小系統(tǒng)包括單片機、電源電路、時鐘電路和復位電路，本設計采用宏晶科技出品MCS-51內(nèi)核的STC12C5A60S2單片機，單片機集成功能比一般8位單片機強大，多樣的外圍電路設計，如圖3-

52、2所示。</p><p>　　圖3-2 單片機最小系統(tǒng)電路</p><p>　　時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關系，單片機在時鐘信號的節(jié)拍下逐條地執(zhí)行指令。單片機有兩種時鐘信號產(chǎn)生方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。外部時鐘方式是把已有的時鐘信號從XTAL1或XTAL2送入單片機，一般用于有多個單片機的情況，所以本設計中時鐘

53、電路采用內(nèi)部時鐘方式，選用11.0592MHz的晶振和兩個22pF的電容與片內(nèi)的高增益反相放大器構成一個自激振蕩器，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 單片機晶振電路</p><p>　　復位是通過某種方式使CPU和系統(tǒng)中其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，讓PC指向0000H，這樣單片機才能從頭運行程序。單片機的復位主要有上電復位和手動復位，因此上電的時候

54、就要讓單片機復位一次。在運行過程中，如果程序出錯，可以進行手動復位。</p><p>　　本設計中的復位電路就是采用按鍵復位電路，該電路還具有上電復位功能。復位時要讓STC12C5A60S2的RST引腳得到2個機器周期以上的高電平。上電復位是利用電容充電來實現(xiàn)的，由于電容兩端的電壓不能突變，上電瞬間RST端的電位與Vcc相同，隨著充電的進行，RST的電位下降，最后被鉗位在0V，只要保證加在RST引腳上的高電平持續(xù)

55、時間大于2個機器周期，便能正常復位。單片機在程序運行過程中如果跑飛了、程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，就需要用到手動復位，只需將按鈕按下，此時電源Vcc經(jīng)電阻R4分壓，在RST端產(chǎn)生一個復位高電平，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 單片機復位電路</p><p>　　3.3 顯示模塊電路設計</p><p>　　顯示電路是將單片機對溫濕度

56、傳感器采集的溫濕度分析后實時顯示。利用Nokia5110手機上的屏幕設計的顯示電路，使用的拆機LCD屏幕內(nèi)置PHILIPS PCD8544驅(qū)動芯片，其通信協(xié)議是一個沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議?？梢燥@示15個漢字，30個字符。顯示模塊外圍電路簡單，只有五個數(shù)據(jù)接口，不會浪費單片機I/O口資源，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 系統(tǒng)LCD顯示電路</p><p>　　3

57、.4 溫濕度傳感器電路設計</p><p>　　溫濕度傳感器是本設計中的核心傳感器，都是圍繞溫濕度測量展開設計的，本設計中采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11。設計采用的DHT11傳感器內(nèi)含有已經(jīng)校準的數(shù)字信號輸出溫濕度復合傳感器，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感分析技術，確保傳感器具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式測濕元件，并與一個8位MCU相連，本設計中采用三個

58、相同的溫濕度傳感器構成多點監(jiān)測電路，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 系統(tǒng)溫濕度傳感器電路</p><p>　　3.5 時鐘電路設計</p><p>　　時間在本設計中有較為深刻的意義，無論在系統(tǒng)時間顯示上，還是在通過對時間的判斷來處理溫濕度數(shù)據(jù)上都起著至關重要的作用。本設計中采用美國DALLAS公司推出的一種高性能低功耗實時時鐘芯片DS1307，它

59、是一款I2C總線接口的時鐘日歷芯片采用兩線與單片機進行通信，片內(nèi)含有8個特殊功能寄存器和56Bit的SRAM。具有時、分、秒、年、月、日、星期的計數(shù)功能，并且有12小時制和24小時制的計數(shù)模式，可自動調(diào)整每月天數(shù)和閏年調(diào)整功能，并且具有掉電自動保護和上電復位功能。</p><p>　　時鐘電路如圖3-7所示，Y1為外接32.768KHz晶振，為時鐘芯片提供計時脈沖；BT1為時鐘芯片外接備用電池，防止掉電時間數(shù)據(jù)丟

60、失；其中R1、R2為I2C總線上的上拉電阻；DS1307時鐘芯片第7引腳接到單片機INT1外部中斷1引腳上，每秒都會觸發(fā)外部中斷1，方便時間數(shù)據(jù)的讀??；同時在第三引腳和地線之間加入了3V的紐扣電池，避免了主電源在掉電后時間數(shù)據(jù)復位丟失。</p><p>　　圖3-7 系統(tǒng)時鐘電路</p><p>　　3.6 報警電路設計</p><p>　　當蔬菜大棚內(nèi)的溫濕度超

61、過上下限時，除了需要啟動溫濕度調(diào)節(jié)器之外，還需要進行報警，這里用到的是蜂鳴器。蜂鳴器是一種采用一體化結構的電子器件，分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。有源蜂鳴器由于內(nèi)部集成了振蕩源，所以使用直流電壓就可以驅(qū)動它鳴叫；無源蜂鳴器內(nèi)部沒有振蕩源，因此一般使用2K～5K方波來驅(qū)動。本設計中使用的是有源蜂鳴器，在它兩端加載5V的直流電壓就可以使之鳴叫。</p><p>　　報警電路設計如圖3-8所示，蜂鳴器工作電流一般為10m

62、A，而單片機的I/O口只能承受幾毫安的電流，因此需要加三極管進行驅(qū)動。由直流電壓來供電，采用PNP型8550三極管驅(qū)動，單片機的I/O口中的P1.5經(jīng)1K電阻接三極管的基極，當P1.5為低電平時，三極管導通，5V的電壓加載到蜂鳴器兩端，于是蜂鳴器鳴叫；當P1.5高電平時，三極管截至，蜂鳴器不鳴叫。</p><p>　　圖3-8 系統(tǒng)報警電路</p><p>　　3.7 鍵盤電路設計<

63、;/p><p>　　鍵盤分為編碼式和非編碼式鍵盤。其中，非編碼式鍵盤又包括矩陣式鍵盤和獨立式鍵盤。矩陣式鍵盤較為復雜，一般用于按鍵數(shù)目較多，而單片機可用的I/O口又比較有限時。本設計中只需要用到4個按鍵，數(shù)目較少，并且可用的I/O口充足，采用了獨立式鍵盤，一個按鍵對應一個單片機的I/O口管腳。</p><p>　　按鍵設計采用的是無鎖按鍵，用來控制程序中各個標志位的改變，以供調(diào)用子程序，設計相

64、對簡單。單片機上電后所有I/0口均為高電平，故當檢測到低電平的時候單片機就會相應的做出動作。本設計共用到4個按鍵，它們用來改變設定時間值和溫濕度報警限值，從S3到S6分別控制溫濕度上下限值設置、數(shù)值減、數(shù)值加、時間設定。為方便程序編寫，在鍵盤電路中加上一個四輸入與門數(shù)字芯片接到單片機INT0外部中斷0引腳上，當有按鍵按下時，數(shù)字芯片輸出端為低電平觸發(fā)單片機外部中斷，其原理圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖

65、3-9 系統(tǒng)鍵盤電路</p><p>　　3.8 串口通信電路設計</p><p>　　串口通信可分為同步通信和異步通信，在單片機的應用系統(tǒng)中，主要是采用異步串行通信。在設計通信接口時，應該采用標準接口，這樣才能夠方便而又準確的把單片機和外設有機的連接起來，從而能形成一個監(jiān)測系統(tǒng)，目前異步串口通信標準有RS一232、RS一422、RS一485標準。本設計中采用RS-232異步串口通信標準

66、，由于本設計中需要和GSM模塊串口通信，向單片機下載程序時需要和PC機通信，故在電路中加入了轉(zhuǎn)換開關電路如圖3-10所示，GRXD和GTXD代表GSM模塊上的串行接口，MRXD和MTXD代表單片機上的串行接口，具體接口在一下兩節(jié)詳細闡述。</p><p>　　圖3-10 系統(tǒng)串行接口轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.8.1 TC35串口通信電路設計</p><p>

67、;　　TC35串口通信主要設計內(nèi)容是單片機與TC35通信接口電路，由于采購的TC35 GSM模塊已經(jīng)設計好與外圍其它設備通信的串口電路，所以在設計中時只考慮單片機的串口通信電路即可，在設計完成時只需用一根4pin數(shù)據(jù)線連接即可。</p><p>　　3.8.2 PC機串口通信電路設計</p><p>　　PC機串口通信主要是設計內(nèi)容是單片機與PC機通信接口電路，系統(tǒng)設計里用到的是美信公司

68、生產(chǎn)的MAX232芯片，其內(nèi)部有一個電源電壓變換器，能夠把輸入的+5V電壓變換為RS232輸出電平所需的+10V 電壓，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)值需要接+5V電壓即可。</p><p>　　MAX232芯片中有兩組電平轉(zhuǎn)換的引腳，我們這里只需使用其中一組。打頭的字母“T”表示TTL電平，“R”表示RS232電平。R1IN和R2IN表示輸入RS232電平，因此與電腦的串口相連；T1IN和T2IN表示輸入TTL電

69、平，因此與單片機相連。所以，引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL∕CMOS電平的引腳，引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS232電平的引腳，電路設計如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 系統(tǒng)PC機串行通信接口電路</p><p>　　3.9 系統(tǒng)電源電路設計</p><p>　　本系統(tǒng)設計所需要的工作電壓為+5V

70、直流電源，在系統(tǒng)電源電路設計中選用了LM2596ADJ開關電壓調(diào)節(jié)器。LM2596ADJ開關電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性特性和負載調(diào)節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關頻率為150KHz，與低頻開關調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元器件。該器件僅需要4個外接元器件，可以采用通用的標準電感，更加優(yōu)化了LM2596ADJ的使用，極大程度上的簡化了開關電源的設計。并且在

71、特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，LM2596的輸出電壓誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差保證在±15%的范圍內(nèi)，可以僅用80μΑ的待機電流實現(xiàn)外部斷電，具有外部保護電路，一個兩級降頻限流保護電路和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路。固定版本輸出有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。系統(tǒng)設計選用后者，這樣可以給系統(tǒng)提供一個相對較寬泛的直流電壓。</p><p&

72、gt;　　在本系統(tǒng)設計中輸入直流12V電壓，經(jīng)過LM2596ADJ開關電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓后，調(diào)節(jié)精密電位器R16輸出系統(tǒng)需要的+5V工作電壓,其電壓調(diào)節(jié)原理公式如公式（3-1）所示。</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　系統(tǒng)額定工作電壓為5V，因此在調(diào)整完畢輸出電壓值后可以用電位器固定紅膠加以固定，使電源電路輸出更加穩(wěn)定的電壓供系統(tǒng)使用，系

73、統(tǒng)電源電路原理圖如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 系統(tǒng)電源電路</p><p>　　4 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　系統(tǒng)軟件號稱整個系統(tǒng)的靈魂，也是整個系統(tǒng)的軟黃金部分，沒有軟件的完美匹配就不會體現(xiàn)系統(tǒng)的價值所在，只有它的存在才能賦予系統(tǒng)生命，可想而知軟件編程在整個系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。</p><p>

74、;　　4.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件結構總體研究</p><p>　　本系統(tǒng)軟件設計采用C語言編寫，主要通過STC12C5A60S2單片機對DHT11溫濕度傳感器采集來的溫度進行處理分析，送給Nokia5110 LCD屏幕顯示，若超過限制則觸發(fā)報警電路并通過西門子TC35 GSM模塊向上位機發(fā)送報警的溫濕度數(shù)據(jù)，否則每小時向上位機發(fā)送一次數(shù)據(jù)。時間上的信息判斷，由時鐘芯片DS1307來提供，程序中設置時鐘芯片特殊寄

75、存器07H單元的方波信號輸出功能，使芯片的第7引腳輸出1Hz的方波，接到單片機外部中斷1引腳上，即每秒觸發(fā)一次中斷，在中斷服務程序中進行時間信息的讀取、判斷。系統(tǒng)整體流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)軟件流程圖</p><p>　　4.2 顯示單元軟件設計</p><p>　　顯示單元是整個系統(tǒng)的心靈窗戶，是人機對話最直觀的窗口。Nokia

76、5110 LCD屏幕的通信協(xié)議時一個沒有輸出只有輸入的SPI協(xié)議，在系統(tǒng)顯示單元設計時，無需利用硬件SPI，只需要軟件程序模擬即可。</p><p>　　編程時首先要給LCD復位，使LCD的控制參數(shù)為初始狀態(tài)，再對LCD進行初始化功能設定（如關顯示屏、設置為擴充指令模式、設置電壓、溫度校正、顯示字符模式選擇、設置為基本指令、設置顯示模式、清屏、開顯示屏），因為接通電源后，內(nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這需要

77、一個RES低電平脈沖復位一下。當VDD變?yōu)楦唠娖?，達到VDDmin(或更高)之后，最多100ms RST輸入低電平(電平幅度<0.3VDD)，其初始化時序如圖4-2所示。接著就可以進行對LCD寫入要顯示的字符了，Nokia5110 LCD屏幕寫數(shù)據(jù)/命令時序如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-2 Nokia5110 LCD復位時序</p><p>　　圖4-3 SPI串行總線

78、協(xié)議—傳送一個字節(jié)</p><p>　　顯示單元軟件設計流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 顯示單元程序流程圖</p><p>　　4.3 溫濕度傳感器單元軟件設計</p><p>　　溫濕度傳感器作為系統(tǒng)設計的核心部分，系統(tǒng)設計采用三個DHT11溫濕度傳感器，巡回監(jiān)測蔬菜大棚的溫濕度。DHT11傳感器是通過奧松電子有限公

79、司開發(fā)的單總線協(xié)議和上位機進行數(shù)據(jù)通信。溫濕度傳感器需要嚴格的讀寫協(xié)議來確保數(shù)據(jù)的完整性。整個讀寫分為，上位機發(fā)送起始信號，上位機接收下位機發(fā)來的握手信號，讀‘0’，和讀‘1’四個步驟，所有的信號除主機啟動復位信號外，全部都由DHT11產(chǎn)生。</p><p>　　通過單總線訪問DHT11順序歸納如下：</p><p>　?。?）主機發(fā)開始信號；</p><p>　　

80、（2）主機等待接收DHT11響應信號；</p><p>　　（3）主機連續(xù)接收40Bit的數(shù)據(jù)和校驗和；</p><p><b>　　（4）數(shù)據(jù)處理。</b></p><p>　　用戶主機發(fā)送一次開始信號（低電平）DHT從低速模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結束（拉高）后，DHT發(fā)送響應信號，送出40Bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可

81、以選擇讀取DHT部分數(shù)據(jù)。總線的空閑狀態(tài)為高電平，主機把總線電位拉低后等待DHT響應，主機把總線拉低必須大于18mS，保證DHT能監(jiān)測到起始信號，這也是單片機能從DHT中讀出正確數(shù)據(jù)的關鍵[2]。</p><p>　　DHT接收到主機的開始信號后，等主機開始信號結束后，DHT發(fā)送低電平響應信號。主機發(fā)送開始信號結束后，延時等待20-40uS，讀取DHT的回應信號，主機發(fā)送開始信號后，可以將其切換到輸入模式，或者可

82、以輸出高電平，總線由上拉電阻拉高電位其復位時序如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 DHT11復位時序圖</p><p>　　單片機作為主機，發(fā)送開始信號后，延時等待20uS-40uS后讀取DHT的回應信號，讀取總線為低電平，說明DHT發(fā)送響應信號，DHT發(fā)送響應信號后，再把總線拉高，準備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)都以低電平開始，讀DHT數(shù)據(jù)流程如圖4-6所示。</p>

83、<p>　　圖4-6 讀DHT11數(shù)據(jù)流程圖</p><p>　　數(shù)字‘0’表示方法為，首先DHT把總線拉低12-12uS然后拉高，高電平保持時間在26-28uS這個范圍內(nèi)，則此比特位‘0’電平，信號‘0’時序圖如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 數(shù)字‘0’時序圖</p><p>　　數(shù)字‘1’表示方法為首先DHT把總線拉低12-14uS然后拉

84、高，高電平保持時間在116-118uS這個范圍內(nèi)，則此比特位‘1’電平，信號‘1’時序圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 數(shù)字‘1’時序圖</p><p>　　系統(tǒng)中涉及到三個溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集，對應每一個傳感器的編程思路如上述所示，其軟件設計流程圖如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9 溫濕度采集程序流程圖</p><

85、p>　　4.4 通信單元軟件設計</p><p>　　4.4.1 通信協(xié)議設計</p><p>　　TC35 GSM模塊作為本系統(tǒng)的“外交官”，發(fā)揮著至關重要的作用，它對外和對內(nèi)都需要有一系列的通信協(xié)議。在本設計中，下位機和上位機通信時需要將每個節(jié)點的溫度濕度及二者的限值發(fā)給上位機，則通信協(xié)議為：&節(jié)點A當前溫度+溫度限值+當前濕度+濕度限值#節(jié)點B當前溫度+溫度限值+當

86、前濕度+濕度限值#節(jié)點C當前溫度+溫度限值+當前濕度+濕度限值%；上位機和下位機通信時只將各節(jié)點設置的限值發(fā)給下位機，下位機解析收到的數(shù)據(jù)信息，將相關限值數(shù)據(jù)存儲單元的內(nèi)容進行修改就可以了，則通信協(xié)議為：&節(jié)點A溫度限值+濕度限值#節(jié)點B溫度限值+濕度限值#節(jié)點C溫度限值+濕度限值%。</p><p>　　通信協(xié)議中，所有數(shù)據(jù)類型均為無符號字符型，下位機接收到數(shù)據(jù)信息解析后，需要合并數(shù)據(jù)統(tǒng)一確定系統(tǒng)限值的

87、大小?！?amp;”符號作為協(xié)議中的起始符，是濾除非上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)信息的關鍵，當下位機判斷有新信息時首先判斷第一個字符是否為“&”，是的話才會解析信息中的數(shù)據(jù)，否則刪除此條信息，保證收到的新信息永遠存放在SIM卡中的第一個位置；“#”符號僅用來標記分割數(shù)據(jù)的位置，下位機對此沒過多要求；“%”符號為結束字符判斷數(shù)據(jù)信息是否結束。上位機也是如此不再過多敖述。</p><p>　　4.4.2 TC35發(fā)送接

88、收信息軟件設計</p><p>　　通信單元主要是西門子TC35 GSM模塊的軟件控制和系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理發(fā)送裝置。單片機是通過串口和TC35進行通信的，TC35使用相對應的AT指令來發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，因此在軟件設計時需要對單片機的串口和TC35進行初始化。</p><p>　　編程思路為，系統(tǒng)在上電時要對單片機串口和TC35進行初始化，如單片機串口波特率設置，串行中斷開啟，TC35和單片機握手

89、連接，設置短信接收模式等。每當在溫濕度傳感器將數(shù)據(jù)采集完畢時將相關數(shù)據(jù)信息存入對應的發(fā)送字符串中，然后按照每小時、溫濕度報警時將溫濕度和限值數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，其軟件設計流程圖如圖4-10所示。</p><p>　　圖4-10 TC35串口通信程序流程圖</p><p>　　4.5 時鐘單元軟件設計</p><p>　　蔬菜溫濕度大棚中引入時鐘芯片，賦予了系統(tǒng)苛刻的

90、時間觀念，系統(tǒng)軟件設計上更得體現(xiàn)時間性。時鐘芯片選用DS1307，在I2C總線上是從器件，地址固定為“11010000”。</p><p>　　寫操作時，被控接收模式主控器件按圖4-11所示順序?qū)?shù)據(jù)寫入到DS1307寄存器或內(nèi)部RAM中。</p><p>　　圖4-11 單片機對DS1307寫時序</p><p>　　（1）START信號；</p>

91、<p>　?。?）寫地址+W（0xd0）字節(jié)，DS1307發(fā)出應答信號（ACK）；</p><p>　?。?）寫1字節(jié)的內(nèi)存地址，DS1307時鐘芯片應答；</p><p>　?。?）寫數(shù)據(jù)，可以寫多個字節(jié)，每當一字節(jié)數(shù)據(jù)寫入后DS1307內(nèi)部地址指針加一，DS1307時鐘芯片應答；</p><p>　?。?）STOP信號。</p><

92、p>　　讀操作時，被控發(fā)送模式主控器件按圖4-12所示順序?qū)S1307寄存器或內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)讀取。</p><p>　　圖4-12 單片機對DS1307寫時序</p><p>　?。?）START信號；</p><p>　?。?）寫地址+W（0xd1）字節(jié)，DS1307發(fā)出應答信號（ACK）；</p><p>　?。?）讀數(shù)據(jù)，可以讀

93、多個字節(jié)，讀取數(shù)據(jù)的DS1307內(nèi)部地址由上次寫操作或讀操作決定，讀取每一字節(jié)數(shù)據(jù)DS1307內(nèi)部地址計數(shù)器自動加一，主器件應答，讀取最后一字節(jié)時主器件回應NACK信號（不應答）；</p><p>　?。?）STOP信號。</p><p>　　根據(jù)上述讀寫操作順序，按照繪制如圖4-13所示的程序流程圖進行軟件程序設計。</p><p>　　圖4-13 DS1307讀

94、寫時間程序流程圖</p><p>　　4.6 鍵盤單元軟件設計</p><p>　　在系統(tǒng)設計中用到了四個無鎖按鍵，分別對應時間設置、數(shù)據(jù)加、數(shù)據(jù)減和溫濕度設置。系統(tǒng)硬件電路設計時上加上了雙四輸入與門數(shù)字芯片，這樣是為節(jié)省單片機運行內(nèi)存和方便程序編寫，如果在程序主函數(shù)中不方便加入鍵盤掃描子函數(shù)，可以在外部中斷服務程序中編寫鍵盤掃描程序，本系統(tǒng)設計中鍵盤掃描判斷程序在主函數(shù)程序總實現(xiàn)。鍵盤

95、掃描程序流程圖如圖4-14所示，由于未設置確定按鍵，會出現(xiàn)按鍵邏輯混亂現(xiàn)象，所以在鍵盤掃描程序中設置相對應的標志位來互鎖對應的按鍵，比如在時間設置按鍵按下時，不希望溫濕度設置按鍵按下有響應，因此也加入標志位來互相限制。除此之外還有按鍵消抖處理，消除按鍵在按下時的高頻抖動防止程序跑飛出現(xiàn)錯誤。</p><p>　　圖4-14 鍵盤掃描程序軟件</p><p>　　5 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試&l

96、t;/p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試包括系統(tǒng)硬件裝配和系統(tǒng)軟件調(diào)試，設計內(nèi)容涉及到硬件和軟件的設計開發(fā)環(huán)境，詳細內(nèi)容在一下兩節(jié)中具體闡述。</p><p>　　5.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件裝配</p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件調(diào)試包括制定系統(tǒng)設計內(nèi)容整體結構、元器件選型、系統(tǒng)硬件電路原理圖設計、系統(tǒng)硬件電路PCB設計及元器件焊接整機測試。其中系統(tǒng)原理圖設計最為

97、關鍵，它的設計與否直接關系到系統(tǒng)性能好壞。電路原理圖用于將該電路所用的各種元器件用規(guī)定的符號表示出來，并用連線畫出他們之間的連接情況，在各元器件旁邊還要注明其規(guī)格、型號和參數(shù)。</p><p>　　5.1.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計環(huán)境</p><p>　　本系統(tǒng)電路原理圖和PCB圖是利用澳大利亞Altium公司研發(fā)的Altium Designer13計算機輔助設計軟件來進行設計的，如圖

98、5-1所示。</p><p>　　圖5-1 硬件電路開發(fā)軟件</p><p>　　硬件設計流程如下所描述：</p><p>　　首先，創(chuàng)建系統(tǒng)PCB工程、原理圖、PCB圖、加載元器件庫、加載元器件封裝庫，如圖5-2所示；</p><p>　　圖5-2 系統(tǒng)原理圖文件</p><p>　　然后，在原理圖工作區(qū)繪制原理圖，

99、原理圖繪制完畢時，為每個元器件添加標號和加載封裝，如圖5-3所示；</p><p>　　圖5-3 元器件添加封裝</p><p>　　其次，將加載完封裝后的原理圖導入PCB，對元器件進行合理布局后并按照相應的電氣規(guī)則手動完成PCB布線和處理好PCB板細節(jié)問題（如頂層、底層覆銅，焊盤添加淚滴等），2D效果如圖5-4所示，3D效果如圖5-5所示；</p><p>　　圖

100、5-4 PCB 2D效果圖</p><p>　　圖5-5 PCB 3D效果圖</p><p>　　最后，導出系統(tǒng)電路原理圖文件、BOM表、網(wǎng)絡表、PCB圖文件、光繪文件。</p><p>　　在系統(tǒng)硬件電路設計完成后，將光繪文件發(fā)送至PCB生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn)制作，系統(tǒng)PCB制作后的實物圖如圖5-6所示。</p><p>　　圖5-6 PCB制作

101、完成實物</p><p>　　5.1.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)整機裝配</p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)整機裝配是在PCB板制作完成后進行元器件焊接總裝的一個過程，由于系統(tǒng)電路設計多采用標貼器件，所以在焊接上帶來了部分難度。焊接時有規(guī)范的技巧和順序，本設計中含有0805封裝的標貼發(fā)光二極管，體積大小如同芝麻粒，焊接時必須防止靜電擊穿，焊接時用到的工具有靜電恒溫烙鐵、電鑷子、熱風槍、助焊劑、焊

102、錫絲、偏口鉗，焊接現(xiàn)場如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 系統(tǒng)電路板焊接現(xiàn)場</p><p>　　功夫不負有心人，焊接完成的硬件電路如圖5-8所示，焊接完成后用放大鏡檢查各焊盤，以防虛焊、漏焊、脫焊，最終按照系統(tǒng)電路原理圖利用數(shù)字萬用表檢驗重要器件電路正確與否。</p><p>　　圖5-8 系統(tǒng)電路板焊接裝配完成實物</p><p&

103、gt;　　5.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件調(diào)試</p><p>　　系統(tǒng)設計到這里算是進入最后一道程序，也是至關重要的一步，是給予硬件靈魂的關鍵。軟件調(diào)試分為開發(fā)環(huán)境選擇和軟件編寫完成后的總調(diào)，需要軟硬件完美匹配，在一下兩小節(jié)中對軟件調(diào)試作詳細說明。</p><p>　　5.2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境</p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用美國Ke

104、il Software公司研發(fā)的Keil μVision4軟件如圖5-9所示，軟件功能強大完美開發(fā)C51內(nèi)核的單片機。</p><p>　　圖5-9 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境</p><p>　　本系統(tǒng)軟件采用模塊化編程設計，設計過程中更方便功能函數(shù)調(diào)用，但變量設置較為苛刻，入口、出口參數(shù)必須準確定義。軟件設計流程如下所示：</p><p>　　首先，創(chuàng)建系統(tǒng)軟件工程，選擇

105、開發(fā)的芯片，創(chuàng)建個模塊程序.c和.h文件，如下圖5-10所示；</p><p>　　圖5-10 系統(tǒng)模塊程序</p><p>　　然后，按照上章節(jié)設計的軟件流程圖編寫各功能模塊程序代碼，在需要的代碼為之加上注釋說明，如圖5-11所示；</p><p>　　圖5-11 系統(tǒng)程序代碼注釋</p><p>　　最后，編寫完全部程序代碼，查找語法錯誤

106、和邏輯功能錯誤，通過Keil軟件的編譯器進行編譯、連接，最后將生成的機器碼.hex文件，如圖5-12所示。</p><p>　　圖5-12系統(tǒng)軟件機器碼設置窗口</p><p>　　5.2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件總調(diào)</p><p>　　系統(tǒng)軟件總調(diào)是在軟件編寫完成時將生成的.hex文件燒錄到單片機中進行系統(tǒng)功能調(diào)試。在本設計中采用模塊化編程，是在每一功能模塊編寫

107、完成后燒錄到單片機中逐步驗證，測試完每個功能模塊程序后進行軟件總調(diào)，這樣可以大大減小工作量，可以更快的排除錯誤的程序代碼及時改寫程序代碼。最終調(diào)試好程序，導出程序代碼。</p><p>　　調(diào)試時不時遇到困難，調(diào)試DS1307時鐘模塊程序時，由于程序?qū)ψx出的時間數(shù)據(jù)信息解析錯誤導致，LCD屏幕上顯示亂碼，經(jīng)過細心查閱程序代碼找出錯誤之處及時修正。GSM模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的紐帶也是難點，光是AT指令說明就一正本書

108、，程序設計時需要不斷翻閱資料手冊，調(diào)試時單片機對接收到的信息無法正確提取，導致溫濕度上下限設置頻繁出錯，系統(tǒng)邏輯錯誤，程序跑飛，經(jīng)過信心查閱找出錯誤代碼進行及時修正。最后所有功能模塊組合到一起時，由于考慮不太全面在中斷優(yōu)先級定義時功能模塊之間出現(xiàn)沖突，導致系統(tǒng)程序容易跑飛或無法正常運行，最終調(diào)整各程序模塊之間的邏輯關系，實現(xiàn)功能任務書功能，如圖5-13所示。</p><p>　　圖5-13 蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

109、調(diào)試完成</p><p><b>　　6 結論</b></p><p>　　本系統(tǒng)可以對蔬菜大棚進行溫濕度測量，將當前溫濕度數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上，同時LCD屏幕上還會顯示時間信息。如果溫濕度超出了設定的上下限，將進行報警。溫度回到限定值內(nèi)后，停止報警。系統(tǒng)實時監(jiān)測蔬菜大棚溫濕度數(shù)據(jù)，并且每個小時通過GSM模塊向上位機發(fā)送一次數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^按鍵設置時間信息和溫濕度限