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温湿度采集模块 - 温湿度控制模块 单片机 无 线 通信模块 无 线 通信模块 上位机 报警电路 复位电路 显示模块 图1-1 硬件电路原理框图
首先充分考虑气候、环境因素对植物的影响，并根据温室大棚内植物保持正常状态所需的温度和湿度，设计出温湿度参考值预先存储于单片机中。系统的数据采集部分是将温湿度传感器置于温室内部，测出室内的温湿度值，经过放大、A/D转换为数字量之后送入STC89C52单片机中，然后LCD显示出温湿度测量值。单片机将预设的参考值与测量值进行比较，根据比较结果做出判断。
上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输入，在无线通信模块中构成多点无线温湿度采集模块，实现数据的统一管理和分析。该系统具有快速展开、稳定可靠、可维护性好等特点。从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过LCD液晶显示屏进行实时显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理，如果环境的实时参数超越上下限值，温湿度报警模块将进行报警，直到温湿度状态处于上下限值以内为止。如果有预置初值，且与当前状预设值相等为止。
本课题设计分为上位机和下位机，均采用单片机STC89C52 ，系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器DHT11对大棚内的温湿度进行采集处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后经过无线通信模块将数据送到上位机，此时，上位机接收到温湿度数据，如果温湿度在误差氛围内超过了预设的值，则蜂鸣报警器发出报警声。之后，经过温湿度控制系统使温湿度保态不相等时，系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与持在最适宜的氛围内。
3 系统单元模块硬件设计
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对于本次设计的系统而言，主要由温湿度采集模块、无线通信模块、单片机主控模块、显示模块、报警模块、控制单元和电源模块六部分组成。接收模块nRF24L01接收温湿度数据，通过SPI接口将数据传给单片机，进行LCD液晶显示，在温湿度数据超过一定值时蜂鸣器进行报警，同时将数据上传给上位机，实现远程控制的功能。
3．1 温湿度采集模块设计
温湿度采集模块的设计有以下几种方案。
方案一：采用AD590是美国ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。
方案二：采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。经济，方便。采用HS1101用作湿度的采集，湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，具有长时间饱和下快速脱湿、可以自动化焊接，包括波峰或水浸、高可靠性与长时间稳定性、专利的固态聚合物结构等特点。 方案三：采用温湿度一体化的传感器DHT11采集温湿度数据，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。 考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案三，即用DHT11作为本系统的温湿度采集模块。 3.1.1 DHT11数据传送格式
DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和。
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温
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度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据.从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式，或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。数据发送过程如图3-1所示。
图3-1 数据发送过程
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后,可以切换到输入模式，或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。数据接受过程如图3-2所示。
图3-2 数据接受过程
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了
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数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。 3.1.2 DHT11引脚说明 DHT11引脚说明如表3-1所示
表3-1 DHT11引脚说明
Pin 1 2 3 4 名称 VDD DATA NC GND 注释 供电 3－5.5VDC 串行数据，单总线 空脚，请悬空 接地，电源负极 3.1.3 温湿度采集模块设计
DHT11的硬件设计也极其简单，就只有4个引脚，其中还有一个空脚悬空的，引脚2与单片机的P3.2口相接。实际上其设计与DS18B20是一样的。DHT11的工作电流是0.2—1mA之间，漏极开路，内部没有拉高电路，当输出0是就是低电平，但输出1时实际上是悬空的，所以要接上拉电阻，满足电流需要，故选择上拉电阻为5K，电流为1mA ,具体的设计图，如图3-3所示。
图3-3 温湿度采集模块设计
3．2 主控模块设计
主控模块的设计有以下几种方案。
方案一：采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简
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便，低功耗，比较经济实惠。
方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。
方案三：采用宏晶科技有限公司的STC89C52增强型51单片机作为主控芯片。此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。而且价格适中。 考虑到此系统需要用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案三，即用STC89S52作为本系统的主控芯片。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器。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。单片机最小模块包括两部分：时钟电路和复位电路。
3.2.1 STC89C52单片机与外部电路的连接 VCC：STC89C52 电源正端输入，接+5V。
VSS：电源地端。
XTAL1：单芯片系统时钟的反向放大器输入端。
XTAL2：系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统皆可以工作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一30PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
RESET：STC89C52的重置引脚，高电平工作，当要对晶片重置时，只要对此引脚点评提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，STC89C52便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EA/Vpp：“EA”为英文“External Access”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当引脚为低电平后，系统会调用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果使用8751内部程序空间时，引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。