温室多点温湿度监控系统设计

王建 辽宁锦州渤海大学工学院

温室多点温湿度监控系统设计

王建 辽宁锦州渤海大学工学院

随着科技的进步与发展，温湿度的测量更加要求精确。本次设计是基于单片机的多点温湿度监控系统，主要针对于仓库、大棚这一类的广范围的环境，进行多点的温湿度数据采集，监控温湿度变化并使环境温湿度保持在一定范围内，最后经过无线模块进行传输。多点的温湿度数据采集可以减少单个点采集所消耗的时间。

STC89C51 温湿度传感器DHT11 无线传感网络

1 引言

随着科技的进步和发展，人们的生活发生了许多改变，一些困难都可以通过科技来得到改善。无线通信的发展是一个不得不提的话题，它极大地方便了人们的生活生产，这其中的一点应用的极为普遍，那就是无线通信的温湿度监控。温湿度的监控系统与普通的温湿度采集系统相比多了一个监控模块，可以通过升、降温设备进行环境温湿度的适度调节，使温湿度保持在设定的阈值内，这样可以有效的提高产品的质量。

2 系统硬件设计

图1 总体原理框架结构图

温湿度的监控在现实的生产生活中是应用非常普遍的，基于无线传感网的温湿度监控不仅可以进行温湿度的监控，同时还是无线传输的，其应用前景应该很广泛，系统的总体原理框架结构图如图1所示。

2.1 单片机的选择

系统选用STC89C51单片机，该单片机是增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。它是一种高性能低功率的微型计算机，它的抗干扰能力很强，影响单片机系统安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，同时系统结构设计以及元器件的选择也会对其造成影响。STC89C51单片机最小系统电路图如图2所示。

图2 STC89C51单片机最小系统电路图

2.2 无线收发模块

系统选用nRF24L01无线通信收发器芯片，改芯片普遍运用在ISM频段，nRF24L01内嵌基带的传输协议。nRF241L01配置分为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式。

待机模式1：在该模式下能够大幅度的地降低功耗（晶体振荡器仍然工作）。

待机模式2：则是在当发射堆栈为空且CE=1时发生(用在PTX设备)。

在空闲模式，配置字仍然保留，在掉电模式下芯片不工作因此达到最小损耗，而且保留配置寄存器里的数据。

2.3 传感器工作电路

DHT11是数字型温湿度传感器，可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度，DHT11采用的是单总线通信，因此只需将单片机的一个I／O端口与DHT11的通信接口连接就可以实现数据的采集和传送，相对于其他电路来说比较简单。VCC电源引脚正电源输入3V-5.5V；DATA引脚为单总线串行数据格式，用于实现与处理器通讯和同步，一次传输40位数据，高位优先，然后才是低位传输；GND引脚接地，作为电源负极。

2.4 温湿度控制模块

用户主机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。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。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。

2.5 LCD液晶1602显示电路

本系统设计所用到的显示电路是为了显示出当前的温度，让监测人员可以直观的了解到环境的温度是否异常。LCD1602是单片机应用系统使用较多的显示器。每行可以显示16个字符，共能显示2行，为并行接口。LCD1602采用标准的16脚接口。通过对LCD1602引脚的功能分析，将其与单片机对应端口进行连接，实现温湿度数据显示功能。具体LCD1602电路原理图各管脚连接如图3所示。

图3 LCD1602电路图

2.6 阈值设置模块

本设计可以通过按键对采集到的温湿度进行阈值设置，当检测到的温湿度中任何一个数据超过或者低于手动设定的阈值时，蜂鸣器会发出报警，提醒工作人员。此外，手动设置阈值功能可以让本设计适用于不同的工作环境。

3 软件设计

3.1 接收主程序

接收模块的主程序主要是通过无线模块接收温湿度数据，经液晶显示屏显示，然后判断是否超过阈值，如果超过继电器将动作，控制相应的升、降温设备工作，使得环境温湿度控制在阈值内。首先初始化所有的模块程序，然后通过nRF24L01无线通信接收温湿度采集数据，经LCD1602液晶显示屏显示。如果超出阈值，蜂鸣器报警动作，同时升、降温继电器根据不同情况动作。升、降温继电器模拟接入升温设备与降温设备动作，使得将温湿度控制在设定的阈值内。接收模块主流程序如图4所示：

图4 接收模块主流程图

蜂鸣器报警模块程序首先判断温湿度是否在阈值之内，超出则报警，接着由于报警触发了继电器动作，继电器控制相应的设备进行温湿度的调控达到阈值。除此之外，为了适应不同的工作环境与要求，该系统可以调节具体所需要的阈值范围，提高了该系统应用的广泛性。通过按键K1、K2、K3、K4可以调节所需要的阈值范围，满足不同情况下的需求。

具体实现程序如下：

3.2 发送模块设计

作为发送端，它的重要任务就是收集温湿度数据，并且及时的通过无线传输到接收端，是整个系统的数据来源。由A、B、C三点延时读取温湿度数据后，通过无线通信芯片nRF24L01进行传输，传送到接收模块上的无线通信芯片上，使得显示在液晶屏上的相应位置。温湿度传感器运行需要一个延时函数来进行读取数据，然后初始化程序，按部就班的读取一个字节，最后读取温湿度。

4 总结

温湿度的采集与监控是人们生产生活中非常重要的一个环节，不仅影响工农业的生产，同时也会影响人们的生活质量。本文针对大棚、仓库等需要严格将温湿度控制在某一范围内的环境进行了温湿度监控系统设计。选用了STC89C51单片机使得系统的简化与稳定性，方便了温湿度的采集。采用无线传输模块nRF24L01收发器件，该模块耗能低，配置方便，应用无线传感网络的形式进行温湿度数据的传输不仅减少了人力、物力的花费，同时也提高了温湿度采集的效率。为了实现将温湿度控制在设置的范围内，应用继电器控制相应的升、降温设备进行温湿度控制。使用了三个DHT11温湿度传感器，进行三点的同时温湿度采集，减少了单点采集数据的时间，节约了生产时间和成本。

[1]李晓维,徐勇军,任丰原.无线传感器网络技术.北京:北京理工大学出版社,2007

[2]牟连佳,无线传感网络及其在工业领域应用研究.工业控制计算机,2005

[3]唐杉林.温湿度传感器与温湿度的测量.电子测试,2016,(5):115-117

[4]潘伟,黄东.基于Zigbee技术的无线传感网络的研究.计算机技术与发展,2008,（9）：244-247