王建 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

溫室多點(diǎn)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，溫濕度的測(cè)量更加要求精確。本次設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的多點(diǎn)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，主要針對(duì)于倉(cāng)庫(kù)、大棚這一類(lèi)的廣范圍的環(huán)境，進(jìn)行多點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控溫濕度變化并使環(huán)境溫濕度保持在一定范圍內(nèi)，最后經(jīng)過(guò)無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸。多點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)采集可以減少單個(gè)點(diǎn)采集所消耗的時(shí)間。

STC89C51 溫濕度傳感器DHT11 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

1 引言

隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，人們的生活發(fā)生了許多改變，一些困難都可以通過(guò)科技來(lái)得到改善。無(wú)線通信的發(fā)展是一個(gè)不得不提的話題，它極大地方便了人們的生活生產(chǎn)，這其中的一點(diǎn)應(yīng)用的極為普遍，那就是無(wú)線通信的溫濕度監(jiān)控。溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng)與普通的溫濕度采集系統(tǒng)相比多了一個(gè)監(jiān)控模塊，可以通過(guò)升、降溫設(shè)備進(jìn)行環(huán)境溫濕度的適度調(diào)節(jié)，使溫濕度保持在設(shè)定的閾值內(nèi)，這樣可以有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 總體原理框架結(jié)構(gòu)圖

溫濕度的監(jiān)控在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)生活中是應(yīng)用非常普遍的，基于無(wú)線傳感網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控不僅可以進(jìn)行溫濕度的監(jiān)控，同時(shí)還是無(wú)線傳輸?shù)模鋺?yīng)用前景應(yīng)該很廣泛，系統(tǒng)的總體原理框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 單片機(jī)的選擇

系統(tǒng)選用STC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)是增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。它是一種高性能低功率的微型計(jì)算機(jī)，它的抗干擾能力很強(qiáng)，影響單片機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要因素主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及元器件的選擇也會(huì)對(duì)其造成影響。STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊

系統(tǒng)選用nRF24L01無(wú)線通信收發(fā)器芯片，改芯片普遍運(yùn)用在ISM頻段，nRF24L01內(nèi)嵌基帶的傳輸協(xié)議。nRF241L01配置分為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式。

待機(jī)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(jī)模式2：則是在當(dāng)發(fā)射堆棧為空且CE=1時(shí)發(fā)生(用在PTX設(shè)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(dá)到最小損耗，而且保留配置寄存器里的數(shù)據(jù)。

2.3 傳感器工作電路

DHT11是數(shù)字型溫濕度傳感器，可直接以數(shù)字方式傳輸所采集的當(dāng)前環(huán)境溫濕度，DHT11采用的是單總線通信，因此只需將單片機(jī)的一個(gè)I／O端口與DHT11的通信接口連接就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳送，相對(duì)于其他電路來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。VCC電源引腳正電源輸入3V-5.5V；DATA引腳為單總線串行數(shù)據(jù)格式，用于實(shí)現(xiàn)與處理器通訊和同步，一次傳輸40位數(shù)據(jù)，高位優(yōu)先，然后才是低位傳輸；GND引腳接地，作為電源負(fù)極。

2.4 溫濕度控制模塊

用戶(hù)主機(jī)發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶(hù)可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。DHT11接收到開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào)。主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)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(tǒng)設(shè)計(jì)所用到的顯示電路是為了顯示出當(dāng)前的溫度，讓監(jiān)測(cè)人員可以直觀的了解到環(huán)境的溫度是否異常。LCD1602是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)使用較多的顯示器。每行可以顯示16個(gè)字符，共能顯示2行，為并行接口。LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口。通過(guò)對(duì)LCD1602引腳的功能分析，將其與單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)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(shè)置模塊

本設(shè)計(jì)可以通過(guò)按鍵對(duì)采集到的溫濕度進(jìn)行閾值設(shè)置，當(dāng)檢測(cè)到的溫濕度中任何一個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)或者低于手動(dòng)設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員。此外，手動(dòng)設(shè)置閾值功能可以讓本設(shè)計(jì)適用于不同的工作環(huán)境。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 接收主程序

接收模塊的主程序主要是通過(guò)無(wú)線模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)液晶顯示屏顯示，然后判斷是否超過(guò)閾值，如果超過(guò)繼電器將動(dòng)作，控制相應(yīng)的升、降溫設(shè)備工作，使得環(huán)境溫濕度控制在閾值內(nèi)。首先初始化所有的模塊程序，然后通過(guò)nRF24L01無(wú)線通信接收溫濕度采集數(shù)據(jù)，經(jīng)LCD1602液晶顯示屏顯示。如果超出閾值，蜂鳴器報(bào)警動(dòng)作，同時(shí)升、降溫繼電器根據(jù)不同情況動(dòng)作。升、降溫繼電器模擬接入升溫設(shè)備與降溫設(shè)備動(dòng)作，使得將溫濕度控制在設(shè)定的閾值內(nèi)。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(bào)警模塊程序首先判斷溫濕度是否在閾值之內(nèi)，超出則報(bào)警，接著由于報(bào)警觸發(fā)了繼電器動(dòng)作，繼電器控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行溫濕度的調(diào)控達(dá)到閾值。除此之外，為了適應(yīng)不同的工作環(huán)境與要求，該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)具體所需要的閾值范圍，提高了該系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性。通過(guò)按鍵K1、K2、K3、K4可以調(diào)節(jié)所需要的閾值范圍，滿足不同情況下的需求。

具體實(shí)現(xiàn)程序如下：

3.2 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

作為發(fā)送端，它的重要任務(wù)就是收集溫濕度數(shù)據(jù)，并且及時(shí)的通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)浇邮斩?，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源。由A、B、C三點(diǎn)延時(shí)讀取溫濕度數(shù)據(jù)后，通過(guò)無(wú)線通信芯片nRF24L01進(jìn)行傳輸，傳送到接收模塊上的無(wú)線通信芯片上，使得顯示在液晶屏上的相應(yīng)位置。溫濕度傳感器運(yùn)行需要一個(gè)延時(shí)函數(shù)來(lái)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，然后初始化程序，按部就班的讀取一個(gè)字節(jié)，最后讀取溫濕度。

4 總結(jié)

溫濕度的采集與監(jiān)控是人們生產(chǎn)生活中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，不僅影響工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，同時(shí)也會(huì)影響人們的生活質(zhì)量。本文針對(duì)大棚、倉(cāng)庫(kù)等需要嚴(yán)格將溫濕度控制在某一范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。選用了STC89C51單片機(jī)使得系統(tǒng)的簡(jiǎn)化與穩(wěn)定性，方便了溫濕度的采集。采用無(wú)線傳輸模塊nRF24L01收發(fā)器件，該模塊耗能低，配置方便，應(yīng)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸不僅減少了人力、物力的花費(fèi)，同時(shí)也提高了溫濕度采集的效率。為了實(shí)現(xiàn)將溫濕度控制在設(shè)置的范圍內(nèi)，應(yīng)用繼電器控制相應(yīng)的升、降溫設(shè)備進(jìn)行溫濕度控制。使用了三個(gè)DHT11溫濕度傳感器，進(jìn)行三點(diǎn)的同時(shí)溫濕度采集，減少了單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間和成本。

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[4]潘偉,黃東.基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008,（9）：244-247