基于單片機的多功能測量系統的設計

張小云 裴騰達

摘 要：針對溫室大棚的環境智能監測研究，本文設計了一種以STC89C52RC單片機為控制核心的多功能測量系統。通過對系統的單片機和PC機進行聯調，實現了對溫室內光照度、溫度和濕度等重要環境因子的監測及實時顯示以及對聲光報警電路的控制，溫度的偏差控制在±0.5℃，濕度的偏差控制在±5%RH，光照度的偏差控制在±1lx。

關鍵詞：單片機；溫度；濕度；光照度

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

溫室大棚是設備農業的一種形式，國產溫室每年都在以新增100—150萬公頃的面積快速地發展[1]。溫濕度和光照度是農業溫室生產中非常關鍵的測量參數，它們的準確、及時測量將會對農業生產和研究帶來非常大的幫助。溫室環境測量技術運用計算機輔助系統測量溫室中的溫度、CO2濃度等環境因子，以達到對溫室內環境的測控要求[2]。智能溫室的大力推廣，對于我們運用科學技術服務“三農”、建設美麗中國具有非常重要的意義。

針對我國的現代化溫室智能控制水平相對落后的現狀，結合某公司的智慧農業項目，我們采用單片機技術和虛擬儀器技術設計了該溫室環境監測系統。由于本系統遵循了操作簡便、較高可靠性、便于維護和性價比高的設計原則，因此對于實際應用到工農業環境因子監測方面也會有優異的效果。

2 總體方案設計（The overall program design）

本系統的下位機是由STC89C52RC單片機系統為控制中心，加上DHT11、DS18B20、BH1750三個傳感器模塊以及按鍵控制數碼管顯示和聲光報警等模塊組成的；上位機是由美國國家儀器（NI）公司的軟件LabVIEW[3]為基礎開發的一個用戶圖形接口。要求達到的技術指標：測溫范圍：0—50℃；測濕范圍：20%—90%RH；測光范圍：1—65535lx。

本系統的工作原理是：上電后，STC89C52RC單片機首先完成初始化工作。然后，系統自動采集溫濕度、光照度傳感器數據，最后通過單片機的串行口和RS-232總線通信協議將采集的數據傳送到上位機顯示、處理，上位機對報警參數進行設計并控制相應聲光報警電路報警，同時通過三個不同按鍵控制相應數碼管顯示。整個系統采用單總線技術和I2C總線控制技術，單片機采用C語言編程，PC機采用G語言編程。

3 溫室環境測量系統的硬件電路設計（The

hardware circuit design of greenhouse

environment monitoring system）

3.1 環境因子采集電路的設計

傳感器作為溫室設備準確控制的首要條件，它的正確選取是進行自動控制的關鍵環節。我們根據本文要求的技術指標，選擇具有長期穩定性且性價比的數字式傳感器。

（1）溫度采集電路的設計

大部分溫室環境控制設備如供熱設備、遮陽布等都與溫度控制相關，因此，溫度測量是溫室環境控制的關鍵。本文選擇達拉斯公司生產的DS18B20單總線數字溫度傳感器[4]。DS18B20數字溫度傳感器體積小、精度高、使用壽命長，適用于本文需要高可靠性的系統。單片機和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線），可使用單片機的一般I/O口P2.0。它的測溫范圍滿足本文0—50℃的測溫需求。

（2）濕度采集電路的設計

為了使濕度傳感器與單片機的通信更加方便，也為了增強系統的抗干擾性能，我們在此選用DHT11數字溫濕度傳感器[5]測量本系統的濕度數據。DHT11設置了校準參數，所以測得的數據十分可靠。它采用單線制串行接口，這樣使得電路的設計更加簡單，并且它的體積超小、功耗極低。DHT11可測濕范圍為20%—90%RH，測濕精度為±5%RH，滿足本文測濕要求。

（3）光照度采集電路的設計

在合適的條件下增加光照度，能夠增強高緯度缺光地區溫室內作物的光合作用，提高光照度不足的地區農作物的產量。溫室中主要使用光照度傳感器檢測棚內的光照度，然后采取適當的措施增加或減少光照度。本文采用日本羅姆半導體公司生產的BH1750光強度傳感器。BH1750是一種基于I2C的數字型光強度傳感器集成電路[6]。它能以較高的探測分辨率分辨很大的光強度變化區間（1lx-65535lx），并且接口電路非常簡單，BH1750只需將SCL和SDA分別接單片機的P2.2和P2.3即可。如果系統中有多片BH1750相級聯，則每兩片IC可以并用這兩個I/O端口，然后其中一片IC的ADDR接低電平，另一片的接高電平即可[7]。

3.2 單片機的設計

本系統采用的STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的增強型8051單片機[8]，它的時鐘晶振電路用于產生時鐘信號，來控制單片機內部的各種微操作，本文我們設計晶振為11.0592MHz。復位對單片機來說，是準備工作，此時程序還沒開始執行。STC89C52RC單片機及其連接的晶振電路和復位電路如圖1所示。

3.3 其他外圍電路的設計

（1）按鍵控制電路

單片機組成的各種硬件電路中，按鍵是最常見的人機交互輸入方式。本文通過三個觸發式按鍵一對一的連接單片機的三個輸入口，實現對溫濕度和光照度數碼管亮滅一對一的控制。具體的控制過程我們需要通過用C語言編程來實現。

（2）MAX7219數碼管驅動顯示電路

MAX7219是一種集成化的共陰極顯示驅動器，它連接單片機和7段共陰極數碼管顯示。MAX7219可以通過編寫控制碼對數碼管進行亮度控制。另外，本文我們選用三個四位一體的共陰極數碼管[9]來顯示實時采集到的溫室內的亮度和溫濕度。

（3）聲光報警電路

聲光報警電路模塊由蜂鳴器報警電路和發光二極管報警電路兩部分構成。當室內的溫濕度和光照度傳感器測量的數據在正常范圍內時，發光二極管處在熄滅的狀態，蜂鳴器也不會發出響聲；但是當溫濕度和光照度不在設定值范圍時，三者對應的發光二極管會被點亮，蜂鳴器也會發出嘀嘀的聲響，以此來提醒用戶采取相關措施。

4 系統的軟件設計（The system software design）

4.1 主程序流程圖和串口處理流程圖

主程序是系統運行的總體框架[10]，它規定了單片機按照怎樣的操作步驟進行有序運轉。串口處理程序表明上位機與單片機之間約定好的通信方式，通過此程序可以實現上下位機之間數據的互聯互通。如圖2所示為本系統的主程序流程圖和串口處理流程圖。

communication

4.2 測量系統程序設計

DS18B20通過單總線協議跟單片機進行數據傳遞。測溫子程序運行時，首先初始化DS18B20，此時顯示溫度為+85℃，然后對單片機進行寫數據操作，在進行溫度轉換后將溫度數據讀出來，最后通過按鍵控制在相應數碼管上實時顯示溫度數據。

單片機通過單總線協議對DHT11進行讀寫。測濕程序開始后，先延時180ms，然后將總線拉高40us，主機設為輸入模式等待從機響應。當從機變為低電平時，完成數據的接收、檢驗和處理，然后結束子程序。

BH1750可以通過I2C總線協議跟單片機進行數據通信。本文設定BH1750工作在連續高分辨率模式，測量開始后，先對BH1750初始化，然后延時180ms，接著連續讀取數據并進行處理。程序的執行嚴格按照讀寫時序進行。

4.3 上位機程序設計

（1）數據采集模塊

LabVIEW通過VISA串口驅動程序與單片機進行通信。將串口設置成符合系統要求的參數，為了界面的布局將串口通信部分隱藏。系統的通信模式為上位機為主，下位機為從。報警限設置用于設置溫濕亮度的上下門限值，上位機有三個報警控件，默認為綠色，報警時顯示紅色。當從串口接收的數值超過設定的報警門限值時，上位機向單片機發送數據，啟動報警。每路均設有報警指示燈，用來提醒系統管理者注意。數據顯示存儲用于提取從串口傳輸的數據，并以文本和曲線圖的形式顯示。圖3為上位機采集圖。

（2）數據分析和管理

這兩個模塊主要應用到是LabVIEW中數據工具包，利用SQL實現了與數據庫Access的融合，能完成采集數據的存儲、查詢、刪除和分析。數據分析模塊用于對選擇的日期進行分析計算，得出最大值、最小值、均值和超限次數。數據管理用于查詢數據庫中的表格：設定的參數、溫濕度和光照度數值，對這些表格進行查詢、刪除或導出。

5 結論（Conclusion）

經實驗驗證，基于STC89C52RC單片機的溫室環境多功能測量系統測量精度高，測量偏差在要求范圍內，系統運行穩定可靠，通過串口協議實現上下位機間的通信，再加上上下位機軟件編程能夠實現溫室內的溫濕度、光照度情況的實時就地監控和網絡監測和管理。將此系統應用于現代溫室大棚中，對作物的科學生產具有很好的使用價值，并且提高了農業技術人員的現代化管理水平，具有良好的推廣價值。

參考文獻（References）

[1] 方玉鑫.基于單片機的溫濕度控制系統的研究與應用[D].哈

爾濱工程大學碩士學位論文，2012.

[2] 蘇全義，等.基于PIC單片機的智能溫室環境控制系統[J].農機

化研究，2009（12）：186-188.

[3] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4] DS18B20中英文資料[Z].廣州奧松電子有限公司，2009.

[5] DHT11數據手冊[Z].廣州奧松電子有限公司，2009.

[6] BH1750中文數據手冊[Z].羅姆半導體有限公司，2010.

[7] 王建，毛騰飛，陳英革.基于BH1750芯片的測光系統設計與實

現[J].常熟理工學院學報（自然科學），2011（2）：117-120.

[8] STC89C52RC單片機用戶手冊[Z].深圳宏晶科技有限公司，

2013.

[9] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發

[M].北京：電子工業出版社，2009.

[10] 李星沛.基于Web的溫室遠程監控的設計[J].微型機與應用，

2013（19）：4-6.

作者簡介：

張小云（1989-），女，碩士生.研究領域：無線通信技術.

裴騰達（1984-），男，本科，助教. 研究領域：無線通信系統.