基于單片機的蔬菜大棚溫濕度測量儀設(shè)計與分析

摘" 要：溫濕度測量儀在農(nóng)業(yè)發(fā)展中是一個很關(guān)鍵的測量監(jiān)控設(shè)備。將溫濕度測量儀實際投入蔬菜大棚中使用，可以讓種植者實時觀測到室內(nèi)精確的溫度與濕度數(shù)據(jù)，有利于生產(chǎn)者控制室內(nèi)生長條件，為蔬菜提供一個優(yōu)良的生長環(huán)境，最終達(dá)到產(chǎn)值大幅度提高的目的，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的高質(zhì)量需求。該文設(shè)計一個基于STC89C52型號單片機的可行的溫濕度測量系統(tǒng)。其中，將DHT11溫濕度傳感器、LCD1602液晶顯示屏、蜂鳴器等元件相組合，并且利用萬用板及導(dǎo)線完成系統(tǒng)電路的連接。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片機；DHT11溫濕度傳感器；溫濕度測量儀；設(shè)計；蔬菜大棚環(huán)境

中圖分類號：TP273" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）06-0015-05

Abstract： Temperature and humidity meter is a key measuring and monitoring equipment in the development of agriculture. The actual use of the temperature and humidity meter in the vegetable greenhouse can enable growers to observe indoor accurate temperature and humidity data in real time， which is helpful for growers to control indoor growth conditions and provide an excellent growth environment for vegetables， so as to achieve the goal of greatly increasing the output value and realize the high-quality demand of agricultural development. This paper will design a feasible temperature and humidity measurement system based on STC89C52 single-chip microcomputer. Among them， the DHT11 temperature and humidity sensor， LCD1602 liquid crystal display screen， buzzer and other components will be combined， and the universal board and wire will be used to complete the connection of the system circuit.

Keywords： STC89C52 MCU; DHT11 temperature and humidity sensor; temperature and humidity meter; design; vegetable greenhouse environment

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生活質(zhì)量逐步提高，人們對健康綠色食品的需求也越來越大，所以在糧食蔬菜種植和食品生產(chǎn)方面的要求也越來越高。種植者通過嚴(yán)格控制糧食蔬菜的生長環(huán)境來提高產(chǎn)值，溫度和濕度的精確控制對良好的生長環(huán)境就顯得尤為重要。

同時隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，單片機及相關(guān)的電子信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及單片機具有的成本低、體積小、功能強和操作便捷等優(yōu)點，使得單片機系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到各個不同的領(lǐng)域。使用單片機與相關(guān)的傳感器實現(xiàn)對溫度與濕度精確地檢測和控制，不僅減少了人為檢測監(jiān)控帶來的麻煩與人力消耗，還增加了數(shù)據(jù)的采集量與精確度，使數(shù)據(jù)更具備參考利用價值，從而對生產(chǎn)帶來積極的影響。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1" 系統(tǒng)功能

測量系統(tǒng)需要完成的功能是：①實時采集蔬菜大棚內(nèi)的溫度和濕度，由單片機對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示并傳輸記錄下來，若檢測到的溫濕度超過規(guī)定范圍，發(fā)出報警信號，實現(xiàn)智能化檢測。②系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強。溫度測量范圍控制在-10～50℃，誤差小于±1℃；濕度測量范圍20%～100%，誤差小于±5%。

1.2" 系統(tǒng)組成

以STC89C52單片機為核心，采用溫濕度測量技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等。以DHT11溫濕度一體傳感器作為測量元件。兩者結(jié)合構(gòu)成自動化的溫濕度檢測系統(tǒng)。將由溫濕度測量電路、數(shù)據(jù)采集顯示電路、報警提醒電路等部分組成（具體模塊如圖1所示）。選用到的主要器件有：STC89C52單片機、DHT11溫濕度傳感器、LCD1602液晶顯示屏、蜂鳴器和LED小燈等。

1.3" 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)以STC89C52單片機為中央控制設(shè)備，所有關(guān)于數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析等都要通過單片機的控制來實現(xiàn)。由DHT11溫濕度傳感器對環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，再將處理好的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶屏上；當(dāng)數(shù)據(jù)超過了先前設(shè)定好的正常范圍時，蜂鳴器將會實時報警，報警的同時，紅色的LED警示小燈將會亮起。整個實驗中，單片機將通過C語言進(jìn)行編程。

1.4" 系統(tǒng)功能詳細(xì)闡述

第一步：上電，啟動電源鍵，將程序燒入單片機。電源燈會亮起，DHT11傳感器工作狀態(tài)燈亮起，若溫濕度數(shù)值處于設(shè)置的正常范圍內(nèi)，代表正常的LED小燈將會閃爍一次。

第二步：未調(diào)節(jié)設(shè)置正常測量范圍時，將保持上一次關(guān)機時設(shè)置的范圍。若要重新設(shè)置，需要通過按下不同的按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)置。比如：按下靠左邊的按鍵可選擇移動光標(biāo)到想要調(diào)節(jié)的數(shù)字位置上；按下中間的按鍵可調(diào)節(jié)數(shù)字減?。话聪驴坑疫叺陌存I可調(diào)節(jié)數(shù)字增加。

第三步：STC89C52單片機將會接收到來自DHT11溫濕度傳感器實時采集的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，單片機會對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將數(shù)據(jù)通過LCD1602液晶屏顯示出來。

第四步：程序判斷采集到的數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，若溫濕度都在正常范圍內(nèi)，則直接顯示數(shù)據(jù)，LED小燈不會亮起，蜂鳴器也不會報警；若都不在正常范圍內(nèi)，則顯示數(shù)據(jù)，代表溫度異常的黃色LED小燈和代表濕度異常的綠色LED小燈亮起，蜂鳴器報警提醒；若溫度不在正常范圍內(nèi)，濕度在正常范圍內(nèi)，代表溫度異常的黃色LED小燈亮起，蜂鳴器報警提醒；若濕度不在正常范圍內(nèi)，溫度在正常范圍內(nèi)，代表濕度異常的綠色LED小燈亮起，蜂鳴器報警提醒。

第五步：記錄與分析實時變化的數(shù)值。因為之后將通過對時鐘的設(shè)置，實時數(shù)據(jù)采集將會按照規(guī)定的時間每2 s更新一次，每更新一次記錄一次數(shù)據(jù)，至少記錄下10組以上的數(shù)據(jù)。提前準(zhǔn)備一只標(biāo)準(zhǔn)的水銀溫度計和濕度測量儀器，每一次記錄下自制測量儀量到的數(shù)據(jù)時，同時也讀取一次溫濕度計上的一組數(shù)據(jù)。因為溫濕度計在生產(chǎn)過程中都經(jīng)過精準(zhǔn)的校對，所以溫濕度計的精確度都比自制測量儀的更高，所以溫濕度計上的數(shù)據(jù)作為一組標(biāo)準(zhǔn)值，將同一時間段的自制測量儀測量數(shù)據(jù)與之相比較，觀察2組數(shù)據(jù)的差異。10組數(shù)據(jù)中，至少8組數(shù)據(jù)達(dá)到溫度差異值小于1 ℃，濕度差異值小于5%這2個標(biāo)準(zhǔn)，才能得出傳感器測量數(shù)據(jù)相對精準(zhǔn)的結(jié)論。

2" 硬件設(shè)備概述

2.1" DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[1]。因此該傳感器可以同時檢測到環(huán)境的溫度和濕度。并且DHT11溫濕度傳感器具有許多優(yōu)點，比如品質(zhì)優(yōu)良、工作狀態(tài)穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等。供電電壓為直流電3.3～5.5 V，濕度測量范圍為20～90 RH（Relative Humidity）溫度測量范圍為0～50 ℃，不可讀取負(fù)溫度和小數(shù)位溫度[1]。

相比于DS18B20溫度傳感器和HS1101濕度傳感器[2]，兩者無論是在采集范圍還是采集精度方面，都占據(jù)優(yōu)勢。但是，DHT11能夠?qū)崿F(xiàn)同時測量環(huán)境的溫度和濕度，簡化了硬件設(shè)備的連接。

2.2" LCD1602液晶顯示屏

若使用LCD1602液晶顯示屏來顯示溫濕度數(shù)值雖然會使得程序編寫變得比較復(fù)雜繁瑣，但是該顯示屏可顯示的內(nèi)容比較豐富完整，比如：完整地顯示出溫濕度的英文字母及符號，這樣能更清楚地表示系統(tǒng)此刻的工作狀態(tài)。

考慮到本次設(shè)計中需要清晰地顯示溫度與濕度的數(shù)值、符號及單位，并且LCD1602液晶顯示屏的可分行顯示的優(yōu)點能夠讓我們呈現(xiàn)出更多的內(nèi)容，比如說顯示出“DHT11 system”字樣，讓人能夠一目了然地看出該系統(tǒng)是選用DHT11溫濕度傳感器來完成溫度與濕度數(shù)據(jù)測量采集工作的。

2.3" 按鍵板塊——獨立按鍵

通過在電路中連接3個獨立按鍵，實現(xiàn)溫濕度測量范圍的調(diào)節(jié)與控制。比如：按下按鍵1，光標(biāo)會移動，可選擇想要調(diào)節(jié)數(shù)字的相應(yīng)位置；按下按鍵2，數(shù)字會增加；按下按鍵3，數(shù)字會減小。這樣設(shè)計的優(yōu)點在于程序編程簡單，操作快捷，容易上手，便于調(diào)節(jié)到需要的任意值，缺點在于浪費IO口。

3" 硬件設(shè)計

3.1" 硬件模塊設(shè)計

首先，電源模塊將為整個系統(tǒng)供電，驅(qū)動每一個模塊的正常運行；其次，單片機作為核心將聯(lián)系起每一個單一的模塊，并且單片機也將統(tǒng)籌管理操控每一個模塊的工作；接著進(jìn)入測量環(huán)節(jié)，溫濕度檢測模塊實時采集環(huán)境下的溫度和濕度數(shù)值，傳送給單片機，進(jìn)行分析處理，單片機又將控制LCD顯示模塊將數(shù)據(jù)清晰地顯示出來。此時，用戶可通過按鍵設(shè)置模塊任意設(shè)置合理的范圍值，然后通過測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)據(jù)對比判斷，異常結(jié)果將通過LED燈警示模塊和蜂鳴器報警模塊呈現(xiàn)給用戶，起到提醒作用，幫助用戶及時實施溫濕度調(diào)控措施（圖2）。

3.2" 單片機的基本工作原理

單片機的最小系統(tǒng)為單片機電源、晶振電路和復(fù)位電路。本課題將利用到51系列單片機。51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。51單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。因為STC89C52單片機在芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，所以 STC89C52單片機為很多系統(tǒng)提供了合適高效的解決方案[3]。STC89C52相關(guān)圖片如圖3所示。

4" 軟件設(shè)計

4.1" 編寫語言的選擇（C語言）

C語言是一門面向過程、抽象化的通用程序設(shè)計語言，廣泛應(yīng)用于底層開發(fā)。C語言能以簡易的方式編譯、處理低級存儲器。C語言是僅產(chǎn)生少量的機器語言以及不需要任何運行環(huán)境支持便能運行的高效率程序設(shè)計語言。盡管C語言提供了許多低級處理的功能，但仍然保持著跨平臺的特性，以一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格寫出的C語言程序可在包括一些類似嵌入式處理器以及超級計算機等作業(yè)平臺的許多計算機平臺上進(jìn)行編譯。

4.2" 編程軟件的選擇（Keil）

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000和WINXP等操作系統(tǒng)[4]。

對于51系列單片機，最常用到的語言有匯編語言和C語言。該軟件利用C語言編寫，操作簡單，參考例程多，因此，很多高校學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)及開發(fā)人員的研究操作都選用該軟件來完成。

4.3" 程序燒錄軟件的選擇（STC-ISP）

STC-ISP 是一款單片機下載編程燒錄軟件，是針對STC系列單片機而設(shè)計的，可下載STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC單片機，使用簡便，現(xiàn)已被廣泛使用。在操作過程中，首先要選擇好單片機的型號以及連接的串口號；其次需要設(shè)置好波特率；然后選擇項目程序中后綴為“hex”的文件；最后點擊下載即可。

4.4" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。

5" 測量精確度分析

為了涉及較廣的測量范圍，前2組數(shù)據(jù)的測量將運用到家用冰箱的冷藏、冷凍層模擬秋冬較為寒冷的蔬菜大棚環(huán)境。將自制測量儀和溫濕度計同一時間放入冰箱冷藏冷凍層，關(guān)上冰箱門大概20 min，給2個儀器足夠的時間適應(yīng)環(huán)境，待示數(shù)穩(wěn)定下來后再進(jìn)行讀??；后3組數(shù)據(jù)利用到家用蒸汽鍋上方的蒸汽模擬春夏較為炎熱的蔬菜大棚環(huán)境。蒸汽鍋開始出氣后，將測量儀和溫濕度儀掛在蒸汽鍋上方的同一高度，對2組溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察記錄；中間幾組數(shù)據(jù)則是常溫環(huán)境下的溫濕度數(shù)據(jù)（表1、表2）。

由圖5可觀察到點線代表標(biāo)準(zhǔn)溫度，實線代表測量溫度，短劃線代表溫度差值。其中，點線與實線基本吻合；而短劃線基本趨于一條平穩(wěn)的直線，誤差在±1 ℃內(nèi)。說明自制測量儀和溫濕度計的溫度測量數(shù)據(jù)基本一致，符合測量精度標(biāo)準(zhǔn)。

同理，由圖6可觀察到點線代表標(biāo)準(zhǔn)濕度，實線代表測量濕度，短劃線代表自制測量儀濕度數(shù)據(jù)和溫濕度儀濕度數(shù)據(jù)差值。其中，點線與實線基本吻合；而短劃線基本趨于一條平穩(wěn)的直線。說明自制測量儀和溫濕度計的濕度測量數(shù)據(jù)基本一致，也符合測量精度標(biāo)準(zhǔn)。

6" 結(jié)束語

本文主要研究設(shè)計溫濕度測量儀，并將其有效應(yīng)用于蔬菜大棚環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。在理論分析的基礎(chǔ)上，以STC89C51單片機為核心，加上DHT11溫濕度傳感器、LCD1602液晶顯示屏等元件進(jìn)行組裝連接，形成一個完整的系統(tǒng)；運用了Keil軟件編寫C語言代碼來完成元件的采集、顯示、傳輸和報警等功能，以及單片機對數(shù)據(jù)的分析處理。最終系統(tǒng)通過實驗數(shù)據(jù)證明，可正常運用到普通的溫室大棚環(huán)境下完成溫濕度的測試，基本達(dá)到預(yù)期的精確度。

但是如今這樣的高效自動化系統(tǒng)仍然存在一些不足之處，系統(tǒng)元件本身會發(fā)生由于老化造成一系列問題，比如反應(yīng)遲緩、工作狀態(tài)不穩(wěn)定、測量精度降低等；還有一個問題是系統(tǒng)的投入使用就意味著將長期暴露在不同條件的環(huán)境下工作，現(xiàn)在很難做到所有使用到的元件都能適應(yīng)環(huán)境的大幅度變化，這也就加速了元件的老化，進(jìn)而減短了元件的使用壽命，而且頻繁地更換新設(shè)備，生產(chǎn)者的開銷也將會有所提高。這樣的問題可能就會造成很多生產(chǎn)者放棄選用溫濕度測量系統(tǒng)，而是轉(zhuǎn)用原始的測量方式，導(dǎo)致可利用率也就隨之降低，發(fā)展趨勢并不樂觀。想要解決問題就需要研發(fā)人員去攻克硬件上的設(shè)計開發(fā)，創(chuàng)新出更多適應(yīng)性強的產(chǎn)品，以及各個制作廠商也需要在工藝上有進(jìn)一步的突破，在材質(zhì)上也能促使產(chǎn)品達(dá)到更高的效果。同時在未來的科技發(fā)展中，進(jìn)一步提高測量儀的精確度將成為努力的目標(biāo)，這將給更多種類的糧食瓜果蔬菜提供更高、更精準(zhǔn)的可控制生長環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳紹勇.基于單片機的溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技資訊，2016，14（27）：22，24.

[2] 閔天倫，韓靜，冷豐汐.基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].四川水泥，2016（7）：99.

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[4] 趙健，吳順偉.基于單片機的溫濕度測量系統(tǒng)的研制[J].電子技術(shù)，2008（9）：39-41.