第1章 绪论1.1 选题的依据和意义现代农业生态园发展迅速，不仅种植品种更多、规模更大，而且种植区域也更加集中，这给农业人员的管理和优化种植增加了难度和成本。为了解决这些问题，我国的蔬菜大棚种植正在向信息化和智能化的方向发展。只有应用先进的较低成本的信息采集手段，实时、精确地获取大棚环境信息，制定科学的管理决策，最后通过智能设备或人工控制等措施，才能提高种植作物的经济效益，本设计就是设计一个生态园的环境监测系统。在当今社会，我们的经济、农业和工业都趋向于信息话、科技化，尤其是农业生产和农业养殖更是借助了很多现代先进的科技力量。在蔬菜、水果的大棚种植中，大棚中的温度、湿度和光照强度都会对农作物的生长的产生影响，如果我们对大棚中的这三个参数进行监控和有效的调节，那么农作物的数量和质量都会得到上升，一旦我们的农作物的质量和数量有大幅度的提高，那么就标志着我们的农业生产水平上了一个大台阶，所以对生态园环境监测系统的研究是十分有必要的。选题的意义在于这个系统具有以下三个优点：1、可以实时采集周围的温度、湿度和光照强度，分别进行显示，可以人为的直观的观测到，了解生态园的现况。2、该监测系统具有自动设置上下限功能，并配有声光报警功能，一旦所监测的值不在自行设置的上限和下限的范围之内，报警部分就会让人们知道这一情况，工作人员可以作出相应的措施。3、该系统可以将数据传送到上位机上，一旦配置上无线发射模块，再在接收端配置上无线接收模块，这样可以实现远距离传输，接收端的上位机上可以显示出生态园的温度、湿度和光照强度。就以上三点可以充分地表达出这一选题是十分有意思的，一旦我们将这一系统研究到位，应用合理，那么会对我们的农业生产有很大的帮助。1.2 选题研究的基本内容 本课题根据生态园发展需要，设计一种蔬菜大棚种植环境检测系统，利用传感器对棚内作物生长情况进行监测，采集其在生长周期内温度、湿度和光强的数据，以便及时调整棚内环境达到作物生长的适宜条件，实现蔬菜大棚的优化种植。具体需要做的任务首先要按照实际应用背景完成主控电路的设计，然后要设计利用传感器采集生态园大气环境中的温度、湿度和光照强度的电路，将数据传送到单片机，设计的显示电路要将采集的数据显示，显示精度1，被监测温度范围10-35、被监测湿度范围50-90%RH，不在预置的上下限范围之内要进行声光报警。最后要设计通信电路，将采集完成的数据传送到上位机，并进行显示。 首先要对温度、湿度和光照强度进行采集，然后送入单片机，再经数码管进行显示，最后送入无线发射模块，将数据无线传输到远端的上位机上进行显示。主要需要研究以下两种器件： 传感器：温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类；湿度传感器类似，电容式、电阻式和湿涨式湿敏元器件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的；光强传感器一般都选用光敏电阻，是一种因光照强度的改变而导致其电阻值改变的器件。这三种传感器分别在三路信息的采集电路上起到了重要的作用。 下位机、上位机：上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据，一般为模拟量，转换成数字信号反馈给上位机。本系统是下位机将采集的温度、湿度和光照强度这三个量传输到上位机上进行显示。1.3 课题分析本课题主要是利用单片机对生态环境中的温度、湿度和光照强度进行采集和显示，并且无线传输到远端的监控地点再进行显示。基本思路是通过对这三个采集量感应的传感器同时采集这三种数据，将数据传送到单片机，单片机通过程序控制实现用数码管循环显示这三种数据的值，再将数据通过24L01无线发射模块发射，远端的24L01无线接收模块接收到数据，将数据传送到单片机，单片机通过程序控制实现远端数码管对这三个数据的显示。第2章 方案分析2.1 系统工作原理测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏元器件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。测量温度和光照强度的方式也很多，和湿度类似。测温元件主要有热电偶和热敏电阻，通过与电源构成测温电路，随着温度的变化导致输出的电压量变化，再经过ADC0809模数转换器，将电压这个模拟量的变化变成数字量的变化，这样再将变化的数字量传输到单片机中，通过程序控制，进行显示，这样就能读出此时的温度值了。感光元件主要就是光敏电阻和光敏二极管，随着光照强度的改变，光敏电阻的阻值会发生变化，通过光敏二极管的光电流则会发生变化，和温度类似，也将其通过外围电路转化为电压的改变，再经过模数转换器将数据数据送入单片机，从而控制数码管显示。AT89C51控制系统，常用的单片机的类型主要有AT89C51,AT89C52以及AT89C2051等等，本系统选用的单片机类型为AT89C51，相对其他同类产品而言，此芯片具有超强的抗干扰、高速、低功耗、指令代码完全兼容传统8951单片机、12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择等特点，综合本系统的诸多情况及设计要求，故选用单片机AT89C51。无线发射和接受部分，接受采集信号的单片机作为下位机，将采集后的数据通过无线发射模块进行发射。在远端的接收部分，通过无线接收模块将数据传送给上位机，同样上位机也是一个单片机，上位机再将接收的数据传送到数码管进行显示。2.2 方案设计本方案中的湿度采集和温度采集部分共同利用一种器件完成，DHT11是一种数字量输出的温度、湿度传感器，其内部采集工作原理是利用电阻式的湿敏元件和NTC感温元件分别对湿度和温度进行采集。电阻式湿敏元件主要使用高分子固体电解质材料作为感湿膜，由于膜中存在可动离子而产生导电性，随着湿度的增大，其电离作用增强，便可动离子的浓度增大，电极间的阻值减小，当湿度减小时，电离作用也相应减弱，可动离子的浓度也减小，电极间的电阻值增大，这样，湿敏元件对水分子的吸附和释放情况，可通过电极间电阻值的变化检测出来，从而得到相应的湿度值。NTC感温元件是一种热敏电阻，温度越高热敏电阻阻值越小，温度越低热敏电阻阻值越大，从而通过对电阻值得变化检测出响应的温度值。DHT11可以同时采集温度和湿度，其内部自带模数转换器和一个高性能的8位单片机，可以直接输出数字量给单片机，达到对温度和湿度的采集。一般的温湿度采集还可以采用热敏电阻和HS1101电容式的湿度传感器进行，温度改变，热敏电阻的阻值则改变，这样通过外围电路就可以转换为电压的变化，再接一个模数转换器，这样就可以完成温度的采集了。HS1101的电容值会根据湿度的变化而变化，这样外围用555芯片搭建一个多谐振荡电路，这样可以将湿度的变化转换为多谐振荡器输出信号频率的变化，这样单片机计频就可以采集出当时的湿度了。但是，与这种方法相比，DHT11温湿度传感器方便简洁，且能高效的同时采集出这两种量，所以在温湿度采集部分选用DHT11温湿度传感器。光照强度采集部分和温湿度类似，也采用数字量输出的传感器，BH1750FVI是一种高性能的数字量输出的光照强度传感器，其内部是一个光敏元件和一个模数转换器，其光敏元件为一个光敏二极管，当有光照时，光敏二极管会产生光电流，光照强度不同，这个电流就不同，而后再经过一个集成运放将电流转化为电压，再经过一个模数转换器，从而对光照强度感知后就可以直接输出数字量的光照强度值，单片机读取采集量的数值后进行显示。无线发射和接收部分，接受采集信号的单片机作为下位机，将采集后的数据通过无线发射模块进行发射。在远端的接收部分，通过无线接收模块将数据传送给上位机，同样上位机也是一个单片机，上位机再将接收的数据传送到数码管进行显示。此方案采用nrf24L01无线收发模块，该模块工作频率2.4GHz2.525GHz，可以将采集的数据进行无线发射和接受，从而达到无线发射和接受的要求。此外，本系统在发射部分还设计了键盘输入和声光报警部分，键控部分采用开关和按键的结合，声光报警部分的设计是在发射端的单片机上连接一个发光二极管和一个蜂鸣器。手动设置湿度、湿度和光强的上限和下限，首先选择需要设置的量，然后再选择设置上限或下限，最后分别设置每一位的值。当温度、湿度和光照强度的值不在所设定的上下限之内，则启动声光报警部分，这时二极管发光，蜂鸣器响，从而达到监控报警的作用，这样更能方便工作人员对生态园的检测和管理。这方案中直接使用DHT11和BH1750FVI这两个数字量输出的传感器，可以高效的对三个量进行采集并将采集的数据直接传送至单片机，完成对温度、湿度和光照强度这三个量的采集。集部分简单高效，硬件调试不易出错，可以按照预期完成数据采集和无线发射。图2.1是整个系统的发射部分的原理框图，图2.2是系统的接收部分的原理框图。时钟电路温湿度传感器DHT11键盘输入单 片 机显示电路光强传感器BH1750FVI无线发射模块声光报警复位电路图2.1 系统的发射部分原理框图显示电路无线接收模块上位机 图2.2 系统的接收部分原理框图第3章 硬件电路设计本章围绕整体设计方案进行设计分析，着重介绍硬件电路的设计原理，各部分的组成以及元器件的性能。本设计的硬件电路主要包括AT89C51单片机的时钟电路和复位电路的设计、温湿度采集电路的设计、光照强度采集电路的设计、显示电路的设计、无线发射电路的设计、无线接收电路的设计、发射端键控电路的设计以及声光报警电路的设计。3.1 单片机控制电路3.1.1 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1 主要性能本系统选用并设定的单片机采用12时钟/机器周期，工作电压5V。在AT89C51单片机的40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，两个16位定时器/计数器，中断口线与P3口线复用，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。2管脚说明 VCC：供电电压；VSS：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低8位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P0口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第8位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部