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1 引 言
1．1 论文研究的背景和意义
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中、小规模,要在大棚内引人自动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，本次毕业设计将设计一套低成本的温室大棚环境报警系统。 温湿度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程，温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题，因此对温度的检测的意义很重要。同时在一些农业大棚中，大棚中的温度对植物的生长有些很大的影响，对大棚温度的采集和传输存在的一定的重要性。但是在很多场合使用都是有线传输方式，但是有线传输排线复杂而且在线路损坏时修复难。随着射频、集成电
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路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗干扰能力更强。无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点：一是成本低，省去大量布线；二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；三是适应性好，可应用于某些特殊环境；四是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接，在进行后期设备添加时不需太多的线路布置和软件配置。无线传输是一种将有效数据传输至远方的一种有效方法，所以使用无线传输的测温系统可以对生产环境的温度进行无线采集并且能够使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况。
1．2 研究现状
在现代的温度测量系统设计中,往往采用DS1820新型单总线数字温度传感器，
这种类型的温度传感器采用3脚(或8脚)封装，从DS1820读出或写入数据仅需要一根I/O口线，而且测量精度达到12位，最低精确到小数点后4位有效数字。用这种智能化数字式传感器的优胜显而易见。现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。
随着无线通信技术的发展，无线数据的采集与传输的应用领域在不断地扩大。在工业测控方面，有些测量点比较分散使得有线线路的铺设及维护均需较高的代价，或者对于运动构件上的传感器信号的采集，使得有线传输数据不可靠、甚至不可能，因此采用无线数据传送技术进行数据通信是现代测控数传系统的发展趋势。从点对点传输的红外技术，到短距离、点对多点个人局域网（如蓝牙和ZigBee），不同种类的技术随着需求的不同而不断发展完善，形成了巨大的市场潜力。随着无线通讯网络的不断成熟，加之其高效、快捷、准确、费用低廉、受环境影响小的特点，使得短消息逐渐被应用于工业控制，尤其是分布式远程数据采集和监控系统。通过无
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线通信模块，可以随时随地采用短消息的方式接受现场的终端设备状态，使采集控制更具有实时性，便于集中管理和远程管理。目前，大多数现代温室报警均采用工控系统，工控系统虽然能实现温室环境的实时监测与控制功能，但价格昂贵，难以满足设施农业对低成本的要求。同时，由于采用集中式管理，其可靠性和稳定性的要不能得到很好的保证。近年来，单片机在我国的许多领域均得到了广泛的应用，而温室的环境监测是以经济实效为核心的，单片机优良的性价比特别适合于温室是建设要求。
1．3 本文研究的主要内容
1.3.1 本系统所要完成的任务
(1)人性化的设计。界限温度值及湿度值能够由用户根据不同植被的各种生长需求由键盘输入并通过显示器显示。
(2) 能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。
(3)通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等）进行报警，并采取相应的方案。
(4)能够根据植被在不同时间段内对温湿度的不同要求，用户可随机更改温度及湿度值，以满足用户不同的需求。 1.3.2 总体方案
(1)温度监控：对温室温度进行测量，并通过升温或降温达到植被的最佳温度。 (2)湿度监控：对温室湿度进行测量，并通过喷雾或去湿达到植被的最佳湿度。 (3)控制处理：当温度、湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。
(4)显示：LCD就地显示输入值和相应的温湿度，数码管摆放在生产现场用于显示当前的温湿度。 1.3.3 实施措施
(1)实际环境温度与给定界限比较，执行加热/制冷措施。 (2)实际环境湿度与给定界限比较，执行加湿/去湿措施。 (3)越限报警：当温湿度越限时声光报警。
(4)键盘显示：负责用户的输入及相关数据的显示，其中包括LED和LCD显示。
本课题主要是进行无线大棚报警系统的设计，本系统由无线传输模块、单片机
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控制单元、液晶显示模块、蜂鸣器报警模块和上位机远程监测五部分组成。
本课题将新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场温度等指标数据的采集。
本课题提出了一种有效的数据采集分析方案，设计并实现了一种基于基于无线射频收发模块XL24L01跟STC89C52RC单片机为核心，以低功耗和模块化为设计原则的温度数据采集无线传输系统。设计出具有体积小，功耗低，数据传输稳定可靠及成本低的无线测温测湿系统。
(1)针对实际应用需求设计系统总体方案，完成了温度数据无线数据传输的结构设计。
(2)以低功耗和模块化为选择元器件的原则，选取了合适的单片机、无线收发模块。
(3)设计无线收发方案，并通过软件控制nRF24L01无线传输模块工作模式等方式实现系统的低功耗设计。
(4)完成无线数据发收模块调试及相关配置。主要包括无线射频模块的接口设计以及单片机与PC通信的接口设计。
本课题旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。对系统硬件的工作原理进行了分析描述，并进行系统硬件设计。具体实现数码管动态显示、STC89C52RC及nRF24L01等器件外接电路接口的软、硬件调试。
本系统是通过单片机控制无线传输来实现对温度数据的接受,利用可视化编程技术实现远程监控，是STC89C52RC单片机为控制单元，以nRF24L01无线传输模块为温度数据接受单元，实现温度的接受、显示、控制，同时用串口连接到PC机上实现温度的实时监控如可显示实时温度、历史温度，就是一套通过无线方式实现温度的接受显示系统。
基于无线收发芯片nRF24L01的温度测量系统主要由六个模块构成，分别为无线收发模块、单片机控制模块、掉电告警模块、蜂鸣器报警模块、液晶显示模块以及PC机监测模块。
2 系统总体方案设计
经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计，硬件
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系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据。
主机与主要部件的选择：
根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用STC89C52单片机为主机，满足上面的要求而且设计方便，不需要再存储扩展。
数据存储片内设有128B，外部有8279的256B，而由于存入的数据是随时更新的且不计小数位，存入 8个16进制数字，其总共需要的容量只有16B，已经够用。
温室温湿度控制系统是以STC89C52单片机作为中央控制装置，风扇，加热设备，加湿设备，排潮设备，键盘显示芯片等，其功能和原理如下：
一、STC89C52单片机作为中央控制装置，负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。
二、四路采样温度信号采样简单平均处理，温度保存为整数。 三、四路采样湿度信号采样简单平均处理，温度保存为整数。
四、键盘显示芯片：用8729识别键盘，负责用户的输入及相关的数据的LCD显示。
五、风扇：负责系统的降温工作。 六、加热设备：负责系统的加热工作。 七、喷雾设备：负责系统的加湿工作。 八、排潮设备：负责系统的去湿工作。
九、双色灯，音效模块：负责系统的报警功能。如果当前的温度超过用户设定的界限值时系统将自动报警，双色灯在74LS273的控制下有规律的闪烁，同时音效模块发出报警声，通知用户采取相应的措施。
温湿度报警系统能完成数据采集和处理、显示、无线通信、输出控制信号等多种功能。由数据采集、数据调理、单片机、控制等4个大的部分组成。该测控系统具有实时采集（检测温室大棚内的温湿度）、实时处理（对监测到的温湿度值进行比较分析，决定下一步控制进程）、实时控制（根据处理的结果发出控制指令，指挥被控对象动作）的功能。主要硬件包括温度传感器，湿度传感器，STC89C52单片机、数据采集电路、LCD液晶显示器、A/D转换器、无线通信模块等。其原理框图如图1-1所示。