基于AVR单片机的蔬菜大棚恒温恒湿系统设计毕业设计

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1、本科生毕业设计本科生毕业设计基于基于 AVRAVR 单片机的蔬菜大棚恒温恒湿系统设计单片机的蔬菜大棚恒温恒湿系统设计Vegetable greenhouse at constant temperature and humidity system design based on the AVR Microcontroller毕业设计原创承诺书毕业设计原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文） 基于 AVR 单片机的蔬菜大棚恒温恒湿系统设计 ，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容

2、。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文） ，可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月日 长春理工大学毕业设计 I摘摘 要要目前我国农

3、业正处在从传统农业向优质，高产，高效益为目标的现代农业转化的新阶段。植物的生长环境也是农业现代化的重要标志。结合作物生长规律，控制环境条件，使作物在不适宜生长的反季节中，可获得比室外生长更优的环境条件，从而使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。本文提出了一种基于 AVR 单片机的蔬菜大棚恒温恒湿系统设计。下位机选用 ATmega16 单片机及数字式单总线温湿度一体传感器采集温湿度(如 DHT21 等)，利用无线传输模块 PTR8000 传输数据；上位机由单片机和液晶模块构成，键盘输入温湿度值控制下位机加热、加湿、通风设备的开启和关闭，液晶屏进行显示。在系统设计过程中选用价格低、性能稳定的元器件

4、，提高了性价比。该控制系统具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，不仅可以应用在农业大棚，也可以应用在恒温湿的机械加工厂、室内环境监测等方面，所以具有一定的推广和应用价值。关键词：单片机关键词：单片机 温湿度温湿度 无线传输无线传输 蔬菜大棚蔬菜大棚 长春理工大学毕业设计 IIAbstract At present , our country agriculture is in the new stage that transform from the traditional farming to the modern agriculture which aime the hi

5、gh quality, the high production, the high benefit at the goal .The growth environment of the plant is the important sign of agricultural modernization, too.With the growth rules controlling circumstance condition,it makes greenhouse better condition than outdoor in the unfit season,and more producti

6、ve and high quality.Greenhouse control technology is developing with the automated detection technology, process control technology and computer technology, etc. This issue uses micro-chip prices and many host control to make it more intelligent, more complete, more accurate. This thesis choose the

7、devices as full consideration of the ration between performance and cost as possible. After debugging, measuring result is in good agreement with anticipate.This controlling system is simple,reliable,stable and low coat.It can be applied in the agriculture-greenhouse , environment monitoring and con

8、stant hygrothermal factory,and it has much of value to apply and popularize in other fields.Key Word: MCU;mperature and Humidity;ireless Transmission;gricultural Greenhouse 长春理工大学毕业设计 III目目 录录摘 要.IABSTRACT.II目 录.III第 1 章 绪 论.11.1 本课题研究的目的及意义.11.2 蔬菜大棚温湿度控制技术的发展现状.11.3 温室控制主要存在的问题.11.4 主要研究内容及系统设计原则.

9、2第 2 章 系统总体方案设计.32.1 系统功能设计.32.2 系统组成及工作原理.3第 3 章 系统的硬件设计.43.1 单片机概述.43.1.1 单片机选型方案.43.1.2 单片机简介.43.2 温湿度采集模块.53.3 无线收发模块.63.4 液晶显示模块.83.5 键盘输入模块.93.6 调节部分.10第 4 章 系统的软件设计.124.1 温湿度采集子程序设计.134.1.1 DHT21 串行接口.134.1.2 温湿度采集子程序.134.2 无线数据收发子程序.144.2.1 PTR8000 的指令设置.144.2.2 无线数据收发子程序设计.154.3 液晶显示子程序.164

10、.3.1 12864 液晶指令设置.164.3.2 液晶显示子程序设计.18 长春理工大学毕业设计 IV4.4 键盘子程序设计.19第 5 章 系统总体调试.215.1 抗干扰性分析.215.2 联合调试.22结 论.23参考文献.24致 谢.25附录 1 上位机总体电路图.26附录 2 下位机总体电路图.27 长春理工大学毕业设计 1第第1 章章 绪绪 论论1.1 本本课课题题研研究究的的目目的的及及意意义义目前我国农业正处在从传统农业向优质，高产，高效益为目标的现代农业转化的新阶段。植物的生长环境也是农业现代化的重要标志。环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。因此必须对环境的

11、温度和湿度进行监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，但是我国农业大棚多为中、小规模乃至极小规模，虽然国内有一些蔬菜大棚恒温恒湿控制系统，但这些控制系统结构复杂价格偏贵，仅是在少数大规模的农场才使用，不适合我国农村的现状。所以设计一个相对廉价并系统结构简单，且能根据不同的环境天气变化进行远程监控的系统充满发展的前景。 1.2 蔬蔬菜菜大大棚棚温温湿湿度度控控制制技技术术的的发发展展现现状状 国外对温室环境控制的研究较早，开始与 20 世纪 70 年代，先是采用模拟式的组合仪表，采

12、集信息并进行指示，记录和控制。80 年代末出现了分布式的控制系统。90 年代，荷兰、日本、美国及以色列等发达国家温室控制技术己经相当先进，己经能达到对多因素综合控制的水平，到 2000 年，Tetsuo Morimoto 等综合了智能控制算法(模糊算法、人工神经网络、遗传算法)以达到对温室的环境控制，目前，英国的温室大量采用计算机管理，现在正开发和研制计算机数据采集和控制系统。说明国外对于问世环境的控制已经达到相当高的水平。相对于国外我国的在蔬菜大棚控制方面的研究起步较晚，始于 20 世纪 80年代。在吸收国外技术的基础之上才掌握了人工微机控制技术，而且仅限于各种因子单项控制。虽说也有了一定的

13、发展，但还有很多不足。我国整体上正从消化吸收，简单应用阶段向实用化，综合性应用阶段过渡和发展。与发达国家相比，存在较大差距。生产实际中仍然存在着许多问题，如装备配套能力差，产业化程度地，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。尽管如此，随着计算机技术，传感器智能化技术，机械电子一体化技术和计算机网络技术的发展，温室环境控制系统已经成为各个国家为合理利用农业资源，减低生产成本，保护生态环境在国际市场竞争力的前沿性研究领域。1.3 温温室室控控制制主主要要存存在在的的问问题题 首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。其 长春理工大学毕业设计 2次是采集数据的束缚

14、，温室控制技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。同时，将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。1.4主主要要研研究究内内容容及及系系统统设设计计原原则则一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行硬件电路和软件系统的设计；三是通信接口电路及软件的设计；四是对单片机的上位机的管理软件的设计，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据。系统设计应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。可以使用可靠性高的元器件；设

15、计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施;进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。在系统的软硬件设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位。 长春理工大学毕业设计 3第第2 章章 系系统统总总体体方方案案 设设计计2.1 系系统统功功能能设设计计1、下位机通过温湿度传感器对温湿度参数采集，间隔 5 分钟把采集到的数据发送给上位机。上位机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。2、下位机温湿度参数采集设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并

16、具有存储、远程无线通信功能。3、无线通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。4、上位机具有数据记录功能:可以根据需要设置数据记录时间间隔，把数据存入数据存储器。 2.2 系系统统组组成成及及工工作作原原理理系统框图如下：上位机键盘液晶显示 下位机驱动电路加热设备加湿设备通风设备温湿度传感器图 2-1 系统总体框图系统工作的过程是：系统工作时,布置在大棚各处的下位机温湿度参数采集设备，采集温湿度参数后通过无线模块 PTR8000 传输给上位机，上位机经由无线模块 PTR8000 接收到数据后显示到 12864 液晶上。操作人员可以通过上位机的键盘设定温度和湿度范围，经 PTR8

17、000 发射到下位机，下位机采集到温湿度数据与设定的温湿度范围值进行比较，当温室大棚内的温度或湿度超出所设定的范围时，下位机输出指令控制继电器接通相应的设备，当温度和湿度都在设定的范围内时就切断执行设备。 长春理工大学毕业设计 4第第3 章章 系系统统的的硬硬件件设设计计3.1 单单片片机机概概述述3.1.1 单单片片机机选选型型方方案案方案一 ：采用 AT89C51 单片机，其主要特点：4kbytes 程序存储器(ROM) ，256bytes 的数据存储器(RAM) ，外部数据存储器寻址空间为 64kB，外部程序存储器寻址空间为 64kB，四个 8 位并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作

18、输出；五个中断源的中断控制系统；一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为 12M，系统时钟是外部时钟的 12 分频。方案二：采用 ATmega16 单片机,其特点为，16K 字节的系统内可编程Flash，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，四个 8 位并行 I/O 口，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，可编程串行 USART，8 路 10 位的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，系统时钟是外

19、部时钟不经过分频直接输入。在本系统中，采用的方案二，ATmega16 单片机，因为 ATmega16 时钟频率是 AT89C51 单片机的 8-10 倍，而且成本低，并且芯片有 SPI 接口方便和PTR8000 无线通信模块连接，因此采用 ATmega16 单片机。3.1.2 单单片片机机简简介介ATmega16 是一种低功耗、高性能 AVR 微控制器，具有 16K 在系统可编程Flash 存储器。AT89S52 具有以下标准功能：16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用

20、工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，

21、允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振 长春理工大学毕业设计 5荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允振荡器和异步定时器继续工作。引脚如下图图 3-1 单片机引脚图3.2 温温湿湿度度采采集集模模块块温湿度传感器的种类很多，数字式温湿度传感器摒弃了传统的模拟方式。检测温湿度的模拟量到数字量的转换在传感器内直接完成。DHT21 数字式温

22、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，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，它品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高。每个 DHT21 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。数据格式：8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验和。温湿度传感器的特点如下：相对湿度和温度测量；全部校准，数字输出；卓越的长期稳定性；无需额外部件；超长的信号传输距离；超低能耗；引脚安装，完全互换；分辨率分别为 8bit(温度)、8bit(湿度)。DATA 用于微处理器与 DH

23、T21 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，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。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+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据”所得结果的末 8 位。DHT21 采用单总线网络，主要由 VDD、DATA、GND 三条线组成。其中其通讯所用的数据线 DATA 为双向总线，所有数据的收发，均通过这条总线来完成。DHT21 的供电电压位 3-5.5v。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD 与 GND）之间可增

24、加一个 长春理工大学毕业设计 6100nF 的电容，用于去耦滤波。关于接口，当连接线长度短于 20 米时用 5k 的上拉电阻，大于 20 米时根据实际情况使用合适的上拉电阻，典型应用电路如下，DHT21 的 2 脚与 MCU 的 PC0 相连。电路中用 SENSOR1 网络标号连接。 123JP2DHT21GND5V0.1uFC6SENSOR15.1KR4图 3-2 DHT21 典型应用电路3.3 无无线线收收发发模模块块PTR8000 是以挪威 Nordic 公司的 nRF905 芯片为核心的无线收发模块，优点突出的无线数传芯片。PTR8000 专为点对多点无线通信设计，内置数据协议和 CR

25、C 检错，无乱码输出，载波检测输出，点对多点通信硬件控制，是全面升级替代 PTR8000 系列的无线模块。PTR8000 模块工作在 433/868/915MHz 无线频段,属于国际开放的 ISM 频段,无需向专业部门申请使用许可。PTR8000 内置环形天线,最大发射功率为+10dBm,采用高抗干扰的 GFSK 调制,数据传输速率为 50Kbps,具备独特的载波检测输出 CD、地址匹配输出 AD、数据就绪输出 DR,自动产生前导码和 CRC,使用 SPI 接口与 MCU 通信。PTR8000 工作电压为 1.93.6V,功率很低,发射电流11mA,接收电流为 12.5mA,待机电流 2.5A

26、。适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。PTR8000 有四种工作模式。在待机和掉电模式下 PTR8000 均不能接收、发送数据,只有 SPI 接口工作。发送数据时,在待机模式下,MCU 将接收机的地址和有效数据通过 SPI 接口传送给 PTR8000,MCU 设置 TRX_CE,TX_EN 为高,启动PTR8000 发送,PTR8000 自动加载前导码和 CRC 校验码将数据打包,以曼彻斯特编码方式完成数据包的发送。数据传输结束后 MCU 将 TRX_CE 设置为低,PTR8000 进入待机模式。接收数据时,MCU 设 PTR8000 的 T

27、RX_CE 为高,TX_EN 为低,选择接收模式,PTR8000 监测空中信息,当接收到一个有效数据包后,PTR8000 自动去掉前导码、地址和 CRC 位,并将 DR 引脚置高,通知 MCU 数据传输已经完成,MCU 设置 TRX_CE 为低,使 PTR8000 进入待机模式,MCU 以设置的速率通过 SPI 接口读出有效数据。 长春理工大学毕业设计 7为了提高测试精度，本设计选用了专为点对点无线通信设计，内置数据协议和 CRC 检错，无乱码输出，载波监测输出，硬件控制全面升级的 PTR8000无线数据收发模块。其基本电气特性及引脚说明如下：表 1-1 基本电气特性及引脚说明参数数值单位工作

28、电压1.9-3.6V最大发射功率10dBm最大数据传输率（曼彻施特编码）100kbps输出功率为-10dBm 时工作电流11mA接收模式时工作电流12.5mA温度范围-40-+85C典型灵敏度-100dBm掉电模式时工作电流2.5A其管脚及其功能如下：表 1-2 管脚及其功能管脚功能方向备注Pin1VCC正电源 1.9-3.6v 输入IPin2TX_ENTX_EN=1 发射模式；TX_EN=0，接收模式IPin3TRX_CE使能发射/接收模式（区别于配置模式）IPin4PWRPower down 模式IPin5UCLK时钟分频输出OPin6CD载波检测输出OPin7AM地址匹配输出OPin8D

29、R数据就绪输出OPin9MISOSPI 输出OPin10MOSISPI 输入IPin11SCKSPI 时钟IPin12CSNSPI 使能 低有效IPin13GND电源地Pin14GND电源地 长春理工大学毕业设计 8硬件接口电路如图： VCC1TX_EN2TRX_CE3PWR4UCLK5CD6AM7DR8MISO9MOSI10SCK11CSN12GND13GND14U3PTR8000SDISDOCSSCKCDAMDRTX_ENTRX_CEVCCGNDGNDPWRUCLK 图 3-3 PTR8000 硬件接口电路模式控制:表 1-3 PTR8000 无线收发模式选择PWRTRX_CETX_EN工

30、作模式0XX掉电和 SPI 编程模式10X待机和 SPI 编程模式110接收111发射（1）待机模式下功耗约为 40 微安，此时发射/接收电路均关闭，只有 SPI接口工作.（2）掉电模式下功耗约为 2.5 微安，此时所有电路关闭，进入最省电状态。（3）在待机和掉电模式下均不能接收、发射数据，可以进行配置SPI 接口SPI 接口由 SCK、MIOS、MOSI 以及 CSN 组成：（）在配置模式下，单片机通过 SPI 接口陪住 PTR8000 的工作参数；（）在发射接收模式下，单片机 SPI 接口发送和接收数据。状态输出接口 提供载波监测输出 CD，地址匹配输出 AM，数据就绪输出 DR。 长春理

31、工大学毕业设计 93.4 液液晶晶显显示示模模块块HS12864-15 系列中文图形液晶模块的特性主要由其控制器 ST7920 决定。ST7920 同时作为控制器和驱动器，它可提供 33 路 com 输出和 64 路 seg输出。在驱动器 ST7921 的配合下，最多可以驱动 25632 点阵液晶。具有：提供8 位，4 位并行接口及串行接口可选，并行接口适配 M6800 时序，自动电源启动复位功能，内部自建振荡源，6416 位字符显示 RAM（DDRAM 最多 16 字符4 行，LCD 显示范围 162 行） ，2M 位中文字型 ROM（CGROM） ，总共提供 8192 个中文字型（1616

32、 点阵） ，16K 位半宽字型 ROM(HCGROM)，总共提供 126 个西文字型（168 点阵） ，6416 位字符产生 RAM（CGRAM） 。 接口如下： 名称型态电平 功能描述并口 串口VCCI- -模块电源输入（未注明为 5v）GNDI- -电源地V0I- -对比度调节端VEEI- -液晶驱动电压输出端（或名 Vout）PSBIH/L并口/串口选择：H 并口； L 串口RSTIH/L复位信号，低有效RS(CS)IH/L寄存器选择端 H 数据； L 指令 片选，低有效R/W(SID)IH/L读/写选择端 H 读；L 写 串行数据线E(SCLK)IH/L使能信号 串行时钟输入DB0-D

33、B3I/OH/L数据总线低四位 空接DB4-DB7I/OH/L数据总线高四位 4 位并口时空接 空接LEDAI- -背光正LEDKI- -背光负串口接线图如图 3-4 所示：5VRSRWEND0D1D2D3D4D5D6D712345678910111213141516JP6LCD128645V图 3-4 12864 液晶的硬件接口电路 长春理工大学毕业设计 103.5 键键盘盘输输入入模模块块工作原理：按键设置在行列线交点上，行列线分别连接按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V 上。无按键按下时，行线处于高电平状态，当有按键按下时，行线电平状态将由与此相连的列线的电平决定。这一点是识别行列

34、式键盘是否按下的关键所在。其中按键过程中会出现键抖动，即当某按键按下时，其输出电平并非立刻降为零，而是有一个抖动过程。当按键松开时，在这段过程中信号也会出现抖动，抖动的时间视键盘的机械特性和操作者不同而不同，一般为 510ms，而 CPU 的操作很快，因此这种抖动就容易对按键的识别产生影响，为了防止因按键抖动而导致系统的误操作，需要采取某种手段实现键盘的“去抖动”功能。去抖动的方法有多种，如采用软件延时查询的方法或采用硬件处理的方法，本文选用软件延时的方法去除按键抖动。接口电路如下：K1K2K3K4K5K6K7K8K9K10K11K12KEY1KEY2KEY3KEY4COL1COL2COL3图

35、 3-5 键盘接口电路3.6 调调节节部部分分温湿度调节采用固态继电器进行控制。在单片机应用系统中，由于输出设备需大电压或者电流来控制，而单片机系统输出的开关量多为 TTL 电平，这种电平一般不能直接驱动外部设备开启或关闭。另一方面，许多外部设备，如大功率电机，接触器等在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如果不隔离，可能会使微机控制系统造成误动作或损坏。因此，在接口设计处理时，一要放大，二要隔离。本系统采用的是光电藕合器进行隔离。它共模抑制比很高，输出呈线性关系，光电耦合器可作为线性耦合器使用。具体工作过程：本电路由光电耦合器，基本放大电路及一些保护电路等组成。单片机输出低电平的时候，发光二

36、极管导通，光电耦合器工作，产生光信 长春理工大学毕业设计 11号，而输出引脚将光信号又转化为电信号，经过三个三极管基本共射放大电路控制继电器的开启和关闭，如加热、加湿、通风等。其中继电器并联的二极管和电容起到保护作用。当输入为高电平时，三极管截止，继电器停止工作。 硬件电路设计如下： 330KR1330KR2330KR3VCCU1U2U34.7KR44.7KR54.7KR64.7KR74.7KR84.7KR9Q 1Q 2Q 3D 10.1UFC40.1UFC50.1UFC6K1D 2D 3K2K3加加加加加加加加加加加加CTR1CTR2CTR3+12V+12V+12V+12V图 3-7 调节部

37、分硬件电路 长春理工大学毕业设计 12 第第4 章章 系系统统的的软软件件设设计计系统的软件部分是控制系统运行的核心部分，包括温湿度数据采集模块、无线数据收发模块、键盘输入模块、液晶显示模块。软件编写得合理得当，也能有效提高系统的运行速度。采用 c 语言编程及模块化设计也大大提高了系统的运行效率,可读性强。在 KEILC 下编写完成并测试通过。下位机和上位机软件流程图：开开始始初初始始化化调调用用温温湿湿度度采采集集子子程程序序PTR8000发发射射采采集集到到的的数数据据PTR8000等等待待上上位位机机键键盘盘设设定定值值采采集集到到的的数数据据与与设设定定值值比比较较是是否否满满足足条条

38、件件开开始始调调节节延延时时Y图 4-1 下位机软件流程图 长春理工大学毕业设计 13开开始始初初始始化化接接收收温温湿湿度度数数据据键键入入设设定定值值发发射射设设定定值值延延时时液液晶晶显显示示图 4-2 上位机软件流程图4.1 温温湿湿度度采采集集子子程程序序设设计计4.1.1 DHT21 串串行行接接口口 用户 MCU 发送一次开始信号后,DHT21 从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT21 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,DHT21 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,D

39、HT21 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 DHT21 响应,主机把总线拉低必须大于 18 毫秒,保证 DHT21 能检测到起始信号。DHT21 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 DHT21 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。总线为低电平,说明 DHT21 发送响应信号,DHT21 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

40、 低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是 0 还是 1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则 DHT21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，DHT21 拉低总线 50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。 4.1.2 温温湿湿度度采采集集子子程程序序温湿度采集程序流程如图： 长春理工大学毕业设计 14开开始始主主机机开开始始发发送送判判断断是是否否发发送送响响应应信信号号开开始始采采集集温温湿湿度度数数据据数数据据校校验验数数据据接接收收完完毕毕延延时时YN图4-3 温湿度采集程序流程图4.2 无无线线数数据据收收发发子子程程序序4.2.1 PTR

41、8000 的的指指令令设设置置用于 SPI 接口的有用指令见下表。当 CSN 为低时，SPI 接口开始等待一条指令，任何一条新指令，CSN 的由高到低的转换开始。PTR8000 提供一个 SPI 接口，AT89S52 利用数据口模拟 SPI 通信，单片机即可通过 SPI 读取接收的数据。四种模式转换应遵守的时序：(1)TX 与 RX 之间的切换，至少需要 550us。(2)RX 到 TX 之间的切换, 至少需要 550us。(3)St_by 与 RX 之间的切换, 至少需要 650us。(4)St_by 与 TX 之间的切换，至少需要 650us。(5)PWR_DWN 到 St_by 之间的切

42、换, 至少需要 3ms。SPI 串行接口指令如下： 指令名称指令格式 操作W_CONFIG(WC)0000AAAA写配置寄存器，AAAA 指出写操作的开始字节，字节数量取决于 AAAA 的开始地址R_CONFIG(RC)0001AAAA读配置寄存器，AAAA 指出读操作的开始字节，字节数量取决于 AAAA 的开始地址 长春理工大学毕业设计 15W_TX_PAYLOAD(WTP)00100000写 TX 有效数据，1-32 字节，写操作全部从字节 0 开始R_TX_PAYLOAD(RTP)00100001读 TX 有效数据，1-32 字节，读操作全部从字节 0 开始W_TX_ADDRESS(WT

43、A)00100010写 TX 地址，1-4 字节，写操作全部从字节 0 开始R_TX_ADDRESS(RTA)00100011读 TX 地址，1-4 字节，读操作全部从字节 0 开始R_RX_PAYLOAD(RRP)00100100读 RX 有效数据，1-32 字节，读操作全部从字节 0 开始CHANNEL_CONFIG(CC)1000pphccccccccc快速设置配置寄存器中CH_NO,HFREQ_PLL 和 PA_PER 的专用命令CH_NO=cccccccc,HFREQ_PLL=H,PA_PER=PP 所有寄存器的长度都是固定的，用在 RX/TX 模式TX_PAYLOAD，RX_PAY

44、LOAD，TX_ADDRESS，RX_ADRESS 中的字节数在配置寄存器中设置。寄存器中的内容在进入任何一种节电模式时均不丢失。必须的工作时序如下：PTR8000 重要时序最大值PWR_DWN ST_BY 模式3msST_BY TX 模式650usST_BY RX 模式 650usRX TX 模式550usTX RX 模式550us4.2.2 无无线线数数据据收收发发子子程程序序设设计计（1）发射程序设计在 NRF905 的发射过程中，单片机首先将 NRF905 模块的 TXEN 端置高，TRX_CE 端置低，使 NRF905 处于发射模式，接着通过 SPI 发送写入发送地址命令 WTA，写

45、入发送数据包的地址，然后写 WTP 命令后通过 SPI 写入发送数据，当 NRF905 发送完毕后，DR 位将被置高，单片机检测到 DR 变为高电位后，结束发送程序。程序流程如左图所示。（2）接受程序设计 长春理工大学毕业设计 16开开始始配配置置PTR模模块块写写入入有有效效数数据据进进入入发发送送模模式式延延时时Y是是否否发发送送发发送送结结束束YN 开开始始TX_EN=0,PWR_UP=1延延时时，接接受受Y读读数数据据TRX_CE=1?DR=1?TRX_CE=0Y 图 4-4 发射程序流程图 图 4-5 接收程序流程图 PTR8000 在接收状态下,不断监测载波。当检测到同一频段的载波

46、时,CD 置为高电平。当检测到一个匹配的地址时,AM 置为高电平。PTR8000 内部的nRF905 芯片进行 CRC 校验操作,若 CRC 检验通过,则说明接收到的是一个正确的数据包,DR 即被置高电平。MCU 检测到 DR 高电平后,将 PTR8000 置为待机模式,MCU 通过 SPI 接口读取接收到的数据, 并将数据存入数组，所有数据接收完毕后，结束该接收程序。程序流程如上图所示。4.3 液液晶晶显显示示子子程程序序4.3.1 12864 液液晶晶指指令令设设置置带中文字库的 12864 液晶每屏可显示 4 行 8 列共 32 个 1616 点阵的汉字，每个显示 RAM 可显示 1 个

47、中文字符或 2 个 168 点阵全高 ASCII 码字符，即每屏最多可实现 32 个中文字符或 64 个 ASCII 码字符的显示。带中文字库的128X64 内部提供 1282 字节的字符显示 RAM 缓冲区（DDRAM） 。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示 RAM 实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示 CGROM（中文字库） 、HCGROM（ASCII 码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为：00000006H（其代码分别是 0000、0002、0004、0006 共 4 个）显示自定义字型，02H7FH 显示半宽 ASCII 码字

48、符，A1A0HF7FFH 显示 8192 种 GB2312中文字库字形。字符显示 RAM 在液晶模块中的地址 80H9FH。字符显示 长春理工大学毕业设计 17RAM 在液晶模块中的地址 80H9FH。字符显示的 RAM 的地址与 32 个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如表所示。 80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH基本指令集：指 指 令 码功 能 令RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0清除显示00000

49、00001将DDRAM填满20H,并且设定DDRAM的地址计数器 (AC)到00H地址归位000000001X设定DDRAM的地址计数器 (AC)到00H,并且将游标移到开头原点位置;这个指令不改变 DDRAM 的内容显示状态开/关0000001DCBD=1: 整体显示 ONC=1: 游标 ON B=1:游标位置反白允许进入点设定00000001I/D S指定在数据的读取与写入时,设定游标的移动方向及指定显示的移位游标或显示移位控制000001S/C R/L XX设定游标的移动与显示的移位控制位;这个指令不改变 DDRAM 的内容功能设定00001DL XRE XXDL=0/1：4/8 位数据

50、RE=1: 扩充指令操作RE=0: 基本指令操作设定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定 CGRAM 地址设定DDRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定 DDRAM 地址（显示位址）第一行：80H87H第二行：90H97H读取忙标志和地址01BF AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读取忙标志(BF)可以确认内部动作是否完成,同时可以读出地址计数器(AC)的值写数据到 RAM 1 0数据将数据 D7D0 写入到内部的 RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)读出RAM 的值 1 1数据从内部 RAM 读取数据 D7D0(DDRA

51、M/CGRAM/IRAM/GRAM) 长春理工大学毕业设计 18备注：当 ST7920 在接受指令前，MCU 必须先确认 ST7920 处于非忙状态。即读取 BF0，才能接受新的指令；如果在送出一条指令前不检查 BF 状态，则需要延时一段时间，以确保上一条指令执行完毕，具体指令执行时间参照指令表。 “RE”是基本指令集与扩充指令集的选择控制位，当变更 “RE”的状态后，以后的指令维持在最后的状态。除非再次变更“RE”的状态，否则使用相同的指令集时，不需要重新设置“RE” 。初始化流程：开开电电源源延延时时40ms，XRESET由由高高到到低低功功能能设设定定，控控制制字字30H延延时时100u

52、s功功能能设设定定，控控制制字字30H延延时时37us显显示示开开/关关，控控制制字字0c0h延延时时100us清清除除屏屏幕幕，控控制制字字01H延延时时10ms进进入入设设定定点点，控控制制字字06H初初始始化化完完成成图4-6 液晶初始化程序流程图4.3.2 液液晶晶显显示示子子程程序序设设计计本系统液晶采用串行通信方式。在接收到 RW(SID)和 RS(CS)的信号后，每一八位数据的指令将被分为两部分进行接收，高 4 位元(DB7-DB4)的指令将被放在第一个位元的 LSB 部分，而低 4 位元(DB3-DB0)的指令则被放在第二个位元的 LSB 部分，另四位元则都为 0。即当字符编码

53、为 2 字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。显示 ASCII 字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加 1 指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空 ASCII 字符位置。欲在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。917123456781011121314151618 19202122232411111RWRSD7D6D5D4D3D2D1D000000000CSSCLKSIDSynchronizingBit stringHigherdataLowerdata1st byte2n

54、d byte0 长春理工大学毕业设计 19图 4-7 液晶的时序图下面为液晶的初始化程序框图：图4-8 液晶的初始化程序流程图4.4 键键盘盘子子程程序序设设计计 键盘输入子程序如下，通过 4 次按按键可实现两位湿度和两位温度值的输入。void KeyScan(void) /按键扫描子程序 PORTA=0 xff; temp = PINA; /读取 PA 口的值 temp&=0 xf0; if(temp !=0 xf0) /表示高四位有变化 delay_nms(5); temp=PINA; temp&=0 xf0; if(temp !=0 xf0) temp=PINA; for(i=0;i4;

55、i+) /从键盘获得键值数据 长春理工大学毕业设计 20 switch(temp) case 0 x7e:inkeyi=0;break; case 0 x7d:inkeyi=1;break; case 0 x7b:inkeyi=2;break; case 0 xbe:inkeyi=3;break; case 0 xbd:inkeyi=4;break; case 0 xbb:inkeyi=5;break; case 0 xde:inkeyi=6;break; case 0 xdd:inkeyi=7;break; case 0 xdb:inkeyi=8;break; case 0 xee:inke

56、yi=9;break; case 0 xed:inkeyi=A;break; case 0 xeb:inkeyi=B;break; delay_nms(5); 长春理工大学毕业设计 21第第5 章章 系系统统总总体体调调试试5.1 抗抗干干扰扰性性分分析析系统的硬件和软件设计完成之后就应该进行系统的总体调试，但在总体调试之前，应该先采取一些抗干扰的措施以达到更好的效果。硬件方面是设计系统时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。只要合理地布置与选择参数，硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。本系统采用的硬件抗干扰措施主要有：光电隔离,布线隔离，加去耦电容的去耦技术；软件抗干

57、扰措施主要有：看门狗自动恢复技术和指令冗余。（1）光电隔离：隔离的目的是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。典型的信号隔离是光电隔离器。使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，一方面使干扰信号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本身的噪声也不会以传导的方式传播出去。用光电隔离器将电信号转变成光，光信号传送到接收边，在转换成电信号。由于光的传送不需要共地，故可以将光电隔离器两边的地加以隔离。光电耦合器可用于较远距离的信号隔离传送。一方面光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一

58、方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环路是低阻抗电路，它对噪声的敏感度低，因此提高 长春理工大学毕业设计 22了通讯系统的抗干扰能力。（2）布线隔离：对于布线设计，除了力求美观、经济便于维修等要求外，还应满足抗干扰技术的要求，合理布线.在放置器件时，将互相有关的器件尽量放得靠近一些。如时钟发生器、晶振、CPU 的时钟输入端都易产生噪声，所以在放置的时候应把它们靠近些。应用地线将时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路和开关电路等，使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路(ROM、ARM)，如果可能的话，将这些

59、电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰，提高电路的工作可靠性。（3）去耦技术：本系统为了抑制干扰，在每块芯片的电源线端和地线端之间分别安装了去藕电容，而且这些电容应充分靠近集成芯片的电源端，而不应集中在电路板上的一端。具体的做法是的电源引进端与地线端之间也分别加上了 0.1F 和 100F 的去藕电容。（4）自动恢复技术：采用软件看门狗对系统进行自动恢复，其是利用单片机片内闲置的定时器/计数器作为看门狗单元，在单片机中适当的插入监控指令，当程序运行出现异常或进入死循环时，利用软件将程序计数器 PC 赋予初始值，强制性的使程序重新开始运行。（5）指令冗余：在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两

60、个空操作指令 NOP 语句，以保证跑飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。PTR8000 的软件设计已采用指令冗余来抗干扰。5.2 联联合合调调试试硬件电路设计以 ATmega16 为主，自行完成了电路板元器件的焊接及硬件电路调试。本系统采用 ICCAVR 开发环境，是目前使用广泛的单片机开发软件，它集成了源程序编辑和程序调试于一体，支持汇编和 C 等语言。在软件和硬件都调试通过后，进行两者的联合调试。夏季的调节以湿度为主，键盘输入温湿度值，当湿度过大的时候，启动通风加热装置，对于键盘输入的温度值，当温度过底时，关闭通风装置，当温度过高的时候，关闭加热装置。当湿度过小的时候，启动加湿降温（通风）装置

61、，对于键盘输入的温度值，当温度过高时，由于已处于降温工作，不执行操作，当温度过低时，则开启加热装置。 长春理工大学毕业设计 23结结 论论蔬菜大棚的温湿度控制在现代农业生产中是至关重要的。本文就是基于智能元件及软件控制而完成了对温湿度的控制及调节。本系统采用数字温湿度传感器、无线传输、液晶显示及键盘输入。在温湿度采集方面采用数字量输出的温湿度传感器 DHT21，避免了模拟信号因长距离传输引起的损耗，简化了系统的布线。液晶显示增强了数据的显示效果。键盘输入模块方便上位机调节，方便远程控制，减少不良天气变化带来的影响，进而也给农户带来了更多的方便。为了实现远程控制，采用无线通信方式实现。但本文还存

62、在许多不足之处，如应该按照北方和南方气候差异来设计相应的控制机构和控制规则；环境的控制也应不仅仅局限于温湿度的监测，应该各种因素共同控制来调节环境，使其更适合各种蔬菜的生长。在现代农业中不仅仅限制于对温湿度的控制，影响作物生长的因素还有很多，如光照，二氧化碳，PH 值等，开发出能够综合控制这些因素的系统，不仅能够为作物生长提供更好的生长环境，而且大大提高了工作人员的工作效率，是农业现代化的重要标志。此系统的作用： （1）对环境的温湿度进行检测并与上位机进行无线通讯，可以在不亲临现场的情况下对环境温湿度进行控制。（2）此系统有报警功能，可以在环境温湿度出现问题的时候即使提醒操作人员，具有很好的安

63、全性。（3）对于长期监控温湿度的地方有着很好的实用性，运行效率也很高。系统还有待于改进解决的问题：本系统的报警系统只是局限于液晶上显示，现在蜂鸣器的应用也十分广泛，要是加入蜂鸣器的使用，能够及时提醒操作人员出现的问题，安全性就会大大提高，也可以避免因为疏忽液晶上面显示的内容提醒而产生的问题。由于各地气候差异，应该设计不同的控制系统来控制，此系统的设计有些单一，有待进一步改进。 长春理工大学毕业设计 24参参考考文文献献1朱旭光, 刘建辉 .农业大棚的温湿度控制系统.工业控制与应用，2005,(24):22李光忠.基于单片机的温湿度检测系统的设计.硕士毕业设计论文3张钰玲.农业大棚智能控制系统设

64、计与研究.嵌入式系统应用,2009,(25):3-24刘攀，俞杰，张海明.基于单片机的温度测控系统.兰州交通大学学报，2005,(24):65张明洋.基于51单片机的温室大棚温湿度测控系统.单片机开发与应用,2007,(23):1-26唐述宏.单片机构成的环境温湿度实时测控装置设计.应用与设计，20047何世钧，徐军峰，张路.可编程控制器在智能化温室系统中的应用J.基础自动化.2004，7(4):53-54.8张敏.基于单片机的多通道温湿度检测系统设计.机电产品开发与应用，20089马莉丽，钟斌，李庆东等.智能温室控制系统的实现J.山东农机.2004，(2):11-1210余朝刚.温室气候环境

65、微机测控系统与控制方法的研究D.杭州:浙江人学，2005.11李善军.温室温湿度两级优化监控系统的研究D.武汉:华中农业大学，200512周德泽，袁南儿，应英.计算机智能监测控制系统的设计及应用M.北京:清华大学出版社，2001.13刘建翔,董浩斌.基于 PTR8000 的无线数据传输系统设计J.科技情报开发与经济,2006,(6):232233.14张友鹏.提高单片机应用系统可靠性的措施J.电测与仪表，1997,(5):33-35 15 FerreiraP，M.，FariaE.A.，Eruano A. Neural network models in greenhouse air tempe

66、rature predietion. NeuroeomputingJ ，2002，43:51 一 75.16李俊，张晓东.基于单片机的温湿度检测与控制系统研究.单片机开发与应用，2008,（24）：6-217刘建业，张峰.现代农业大棚环境调节与管理的仿人控制系统.河北科技大学学报，2004， （25）：318W.P.GABRIELA,B.Sc,R.A.MORRIS,B,Sc AND R.W.ROBOTHAM.New System for the Digital Setting of Temperature and Humidity Controllers,1996,383:697.9319Andrew Mason,Navid Yazdi,Khalil Najafi,and Kensall D.Wise.A low-power wireless microinstrumentation system for environmental monitoring,MI, 1995,6:25-29 长春理工大学毕业设计 25致致 谢谢在这篇论文成稿之际，我内心充满喜悦和激动。几年的刻苦学习在今天