溫室多點溫濕度監控系統設計

王建 遼寧錦州渤海大學工學院

溫室多點溫濕度監控系統設計

王建 遼寧錦州渤海大學工學院

隨著科技的進步與發展，溫濕度的測量更加要求精確。本次設計是基于單片機的多點溫濕度監控系統，主要針對于倉庫、大棚這一類的廣范圍的環境，進行多點的溫濕度數據采集，監控溫濕度變化并使環境溫濕度保持在一定范圍內，最后經過無線模塊進行傳輸。多點的溫濕度數據采集可以減少單個點采集所消耗的時間。

STC89C51 溫濕度傳感器DHT11 無線傳感網絡

1 引言

隨著科技的進步和發展，人們的生活發生了許多改變，一些困難都可以通過科技來得到改善。無線通信的發展是一個不得不提的話題，它極大地方便了人們的生活生產，這其中的一點應用的極為普遍，那就是無線通信的溫濕度監控。溫濕度的監控系統與普通的溫濕度采集系統相比多了一個監控模塊，可以通過升、降溫設備進行環境溫濕度的適度調節，使溫濕度保持在設定的閾值內，這樣可以有效的提高產品的質量。

2 系統硬件設計

圖1 總體原理框架結構圖

溫濕度的監控在現實的生產生活中是應用非常普遍的，基于無線傳感網的溫濕度監控不僅可以進行溫濕度的監控，同時還是無線傳輸的，其應用前景應該很廣泛，系統的總體原理框架結構圖如圖1所示。

2.1 單片機的選擇

系統選用STC89C51單片機，該單片機是增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統8051。它是一種高性能低功率的微型計算機，它的抗干擾能力很強，影響單片機系統安全運行的主要因素主要來自系統內部和外部的各種電氣干擾，同時系統結構設計以及元器件的選擇也會對其造成影響。STC89C51單片機最小系統電路圖如圖2所示。

圖2 STC89C51單片機最小系統電路圖

2.2 無線收發模塊

系統選用nRF24L01無線通信收發器芯片，改芯片普遍運用在ISM頻段，nRF24L01內嵌基帶的傳輸協議。nRF241L01配置分為發射、接收、空閑及掉電四種工作模式。

待機模式1：在該模式下能夠大幅度的地降低功耗（晶體振蕩器仍然工作）。

待機模式2：則是在當發射堆棧為空且CE=1時發生(用在PTX設備)。

在空閑模式，配置字仍然保留，在掉電模式下芯片不工作因此達到最小損耗，而且保留配置寄存器里的數據。

2.3 傳感器工作電路

DHT11是數字型溫濕度傳感器，可直接以數字方式傳輸所采集的當前環境溫濕度，DHT11采用的是單總線通信，因此只需將單片機的一個I／O端口與DHT11的通信接口連接就可以實現數據的采集和傳送，相對于其他電路來說比較簡單。VCC電源引腳正電源輸入3V-5.5V；DATA引腳為單總線串行數據格式，用于實現與處理器通訊和同步，一次傳輸40位數據，高位優先，然后才是低位傳輸；GND引腳接地，作為電源負極。

2.4 溫濕度控制模塊

用戶主機發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集，用戶可選擇讀取部分數據。DHT11接收到開始信號觸發一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。DHT11接收到主機的開始信號后，等待主機開始信號結束，然后發送80us低電平響應信號。主機發送開始信號結束后，延時等待20-40us后，讀取DHT11的響應信號，主機發送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。

2.5 LCD液晶1602顯示電路

本系統設計所用到的顯示電路是為了顯示出當前的溫度，讓監測人員可以直觀的了解到環境的溫度是否異常。LCD1602是單片機應用系統使用較多的顯示器。每行可以顯示16個字符，共能顯示2行，為并行接口。LCD1602采用標準的16腳接口。通過對LCD1602引腳的功能分析，將其與單片機對應端口進行連接，實現溫濕度數據顯示功能。具體LCD1602電路原理圖各管腳連接如圖3所示。

圖3 LCD1602電路圖

2.6 閾值設置模塊

本設計可以通過按鍵對采集到的溫濕度進行閾值設置，當檢測到的溫濕度中任何一個數據超過或者低于手動設定的閾值時，蜂鳴器會發出報警，提醒工作人員。此外，手動設置閾值功能可以讓本設計適用于不同的工作環境。

3 軟件設計

3.1 接收主程序

接收模塊的主程序主要是通過無線模塊接收溫濕度數據，經液晶顯示屏顯示，然后判斷是否超過閾值，如果超過繼電器將動作，控制相應的升、降溫設備工作，使得環境溫濕度控制在閾值內。首先初始化所有的模塊程序，然后通過nRF24L01無線通信接收溫濕度采集數據，經LCD1602液晶顯示屏顯示。如果超出閾值，蜂鳴器報警動作，同時升、降溫繼電器根據不同情況動作。升、降溫繼電器模擬接入升溫設備與降溫設備動作，使得將溫濕度控制在設定的閾值內。接收模塊主流程序如圖4所示：

圖4 接收模塊主流程圖

蜂鳴器報警模塊程序首先判斷溫濕度是否在閾值之內，超出則報警，接著由于報警觸發了繼電器動作，繼電器控制相應的設備進行溫濕度的調控達到閾值。除此之外，為了適應不同的工作環境與要求，該系統可以調節具體所需要的閾值范圍，提高了該系統應用的廣泛性。通過按鍵K1、K2、K3、K4可以調節所需要的閾值范圍，滿足不同情況下的需求。

具體實現程序如下：

3.2 發送模塊設計

作為發送端，它的重要任務就是收集溫濕度數據，并且及時的通過無線傳輸到接收端，是整個系統的數據來源。由A、B、C三點延時讀取溫濕度數據后，通過無線通信芯片nRF24L01進行傳輸，傳送到接收模塊上的無線通信芯片上，使得顯示在液晶屏上的相應位置。溫濕度傳感器運行需要一個延時函數來進行讀取數據，然后初始化程序，按部就班的讀取一個字節，最后讀取溫濕度。

4 總結

溫濕度的采集與監控是人們生產生活中非常重要的一個環節，不僅影響工農業的生產，同時也會影響人們的生活質量。本文針對大棚、倉庫等需要嚴格將溫濕度控制在某一范圍內的環境進行了溫濕度監控系統設計。選用了STC89C51單片機使得系統的簡化與穩定性，方便了溫濕度的采集。采用無線傳輸模塊nRF24L01收發器件，該模塊耗能低，配置方便，應用無線傳感網絡的形式進行溫濕度數據的傳輸不僅減少了人力、物力的花費，同時也提高了溫濕度采集的效率。為了實現將溫濕度控制在設置的范圍內，應用繼電器控制相應的升、降溫設備進行溫濕度控制。使用了三個DHT11溫濕度傳感器，進行三點的同時溫濕度采集，減少了單點采集數據的時間，節約了生產時間和成本。

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