基于单片机的蔬菜大棚温湿度测量仪设计与分析.pdf

2024 年 6 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业基于单片机的蔬菜大棚温湿度测量仪设计与分析杨梦琦（黔南民族师范学院，贵州 都匀 558000）随着社会和经济的不断发展，生活质量逐步提高，人们对健康绿色食品的需求也越来越大，所以在粮食蔬菜种植和食品生产方面的要求也越来越高。种植者通过严格控制粮食蔬菜的生长环境来提高产值，温度和湿度的精确控制对良好的生长环境就显得尤为重要。同时随着科学技术的不断进步，单片机及相关的电子信息技术与产业的飞速发展，以及单片机具有的成本低、体积小、功能强和操作便捷等优点，使得单片机系统被广泛应用到各个不同的领域。使用单片机与相关的传感器实现对温度与湿度精确地检测和控制，不仅减少了人为检测监控带来的麻烦与人力消耗，还增加了数据的采集量与精确度，使数据更具备参考利用价值，从而对生产带来积极的影响。1系统总体设计方案1.1系统功能测量系统需要完成的功能是：淤实时采集蔬菜大棚内的温度和湿度，由单片机对采集到的数据进行数据处理、显示并传输记录下来，若检测到的温湿度超过规定范围，发出报警信号，实现智能化检测。于系统工作稳定，抗干扰能力强。温度测量范围控制在-10耀50益，误差小于依1益；湿度测量范围 20%耀100%，误差小于依5%。1.2系统组成以 STC89C52 单片机为核心，采用温湿度测量技术、通信技术、控制技术等。以 DHT11 温湿度一体传感器作为测量元件。两者结合构成自动化的温湿度检测系统。将由温湿度测量电路、数据采集显示电路、报警提醒电路等部分组成（具体模块如图 1 所示）。选用到的主要器件有：STC89C52 单片机、DHT11 温湿度传感器、LCD1602 液晶显示屏、蜂鸣器和 LED 小灯等。1.3系统工作原理本系统以 STC89C52 单片机为中央控制设备，所有关于数据的采集、传输、分析等都要通过单片机的控制作者简介：杨梦琦（1998-），女，硕士，讲师。研究方向为电子信息工程、电力系统及其自动化。摘要：温湿度测量仪在农业发展中是一个很关键的测量监控设备。将温湿度测量仪实际投入蔬菜大棚中使用，可以让种植者实时观测到室内精确的温度与湿度数据，有利于生产者控制室内生长条件，为蔬菜提供一个优良的生长环境，最终达到产值大幅度提高的目的，实现农业发展的高质量需求。该文设计一个基于 STC89C52 型号单片机的可行的温湿度测量系统。其中，将 DHT11 温湿度传感器、LCD1602 液晶显示屏、蜂鸣器等元件相组合，并且利用万用板及导线完成系统电路的连接。关键词：STC89C52 单片机；DHT11 温湿度传感器；温湿度测量仪；设计；蔬菜大棚环境中图分类号院TP273文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤06-0015-05Abstract:Temperature and humidity meter is a key measuring and monitoring equipment in the development of agriculture.Theactual use of the temperature and humidity meter in the vegetable greenhouse can enable growers to observe indoor accuratetemperature and humidity data in real time,which is helpful for growers to control indoor growth conditions and provide anexcellent growth environment for vegetables,so as to achieve the goal of greatly increasing the output value and realize the high-quality demand of agricultural development.This paper will design a feasible temperature and humidity measurement system basedon STC89C52 single-chip microcomputer.Among them,the DHT11 temperature and humidity sensor,LCD1602 liquid crystal displayscreen,buzzer and other components will be combined,and the universal board and wire will be used to complete the connectionof the system circuit.Keywords:STC89C52 MCU;DHT11 temperature and humidity sensor;temperature and humidity meter;design;vegetablegreenhouse environmentDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.06.00415-2024 年 6 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture来实现。由 DHT11 温湿度传感器对环境的温湿度数据进行采集，然后将采集到的数据传输给单片机，单片机进行数据处理与分析，再将处理好的数据显示在LCD1602 液晶屏上；当数据超过了先前设定好的正常范围时，蜂鸣器将会实时报警，报警的同时，红色的LED 警示小灯将会亮起。整个实验中，单片机将通过 C语言进行编程。图 1系统组成1.4系统功能详细阐述第一步：上电，启动电源键，将程序烧入单片机。电源灯会亮起，DHT11 传感器工作状态灯亮起，若温湿度数值处于设置的正常范围内，代表正常的 LED 小灯将会闪烁一次。第二步：未调节设置正常测量范围时，将保持上一次关机时设置的范围。若要重新设置，需要通过按下不同的按键进行调节设置。比如：按下靠左边的按键可选择移动光标到想要调节的数字位置上；按下中间的按键可调节数字减小；按下靠右边的按键可调节数字增加。第三步：STC89C52 单片机将会接收到来自 DHT11温湿度传感器实时采集的环境温湿度数据，单片机会对收到的数据进行分析处理，然后将数据通过LCD1602 液晶屏显示出来。第四步：程序判断采集到的数据是否在正常范围内，若温湿度都在正常范围内，则直接显示数据，LED 小灯不会亮起，蜂鸣器也不会报警；若都不在正常范围内，则显示数据，代表温度异常的黄色 LED 小灯和代表湿度异常的绿色 LED 小灯亮起，蜂鸣器报警提醒；若温度不在正常范围内，湿度在正常范围内，代表温度异常的黄色 LED 小灯亮起，蜂鸣器报警提醒；若湿度不在正常范围内，温度在正常范围内，代表湿度异常的绿色 LED小灯亮起，蜂鸣器报警提醒。第五步：记录与分析实时变化的数值。因为之后将通过对时钟的设置，实时数据采集将会按照规定的时间每 2 s 更新一次，每更新一次记录一次数据，至少记录下 10 组以上的数据。提前准备一只标准的水银温度计和湿度测量仪器，每一次记录下自制测量仪量到的数据时，同时也读取一次温湿度计上的一组数据。因为温湿度计在生产过程中都经过精准的校对，所以温湿度计的精确度都比自制测量仪的更高，所以温湿度计上的数据作为一组标准值，将同一时间段的自制测量仪测量数据与之相比较，观察 2 组数据的差异。10 组数据中，至少 8 组数据达到温度差异值小于 1 益，湿度差异值小于 5%这 2 个标准，才能得出传感器测量数据相对精准的结论。2硬件设备概述2.1DHT11 数字温湿度传感器该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1。因此该传感器可以同时检测到环境的温度和湿度。并且 DHT11 温湿度传感器具有许多优点，比如品质优良、工作状态稳定、响应速度快等。供电电压为直流电 3.3耀5.5 V，湿度测量范围为 2090 RH（Relative Humidity）温度测量范围为 050 益，不可读取负温度和小数位温度1。相比于 DS18B20 温度传感器和 HS1101 湿度传感器2，两者无论是在采集范围还是采集精度方面，都占据优势。但是，DHT11 能够实现同时测量环境的温度和湿度，简化了硬件设备的连接。2.2LCD1602 液晶显示屏若使用 LCD1602 液晶显示屏来显示温湿度数值虽然会使得程序编写变得比较复杂繁琐，但是该显示屏可显示的内容比较丰富完整，比如：完整地显示出温湿度的英文字母及符号，这样能更清楚地表示系统此刻的工作状态。考虑到本次设计中需要清晰地显示温度与湿度的数值、符号及单位，并且 LCD1602 液晶显示屏的可分行显示的优点能够让我们呈现出更多的内容，比如说显示出“DHT11 system”字样，让人能够一目了然地看出该系统是选用 DHT11 温湿度传感器来完成温度与湿度数据测量采集工作的。2.3按键板块要要要独立按键通过在电路中连接 3 个独立按键，实现温湿度测量范围的调节与控制。比如：按下按键 1，光标会移动，DHT11温湿度传感器LCD1602液晶显示报警系统判断STC89C52单片机16-2024 年 6 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业可选择想要调节数字的相应位置；按下按键 2，数字会增加；按下按键 3，数字会减小。这样设计的优点在于程序编程简单，操作快捷，容易上手，便于调节到需要的任意值，缺点在于浪费 IO 口。3硬件设计3.1硬件模块设计首先，电源模块将为整个系统供电，驱动每一个模块的正常运行；其次，单片机作为核心将联系起每一个单一的模块，并且单片机也将统筹管理操控每一个模块的工作；接着进入测量环节，温湿度检测模块实时采集环境下的温度和湿度数值，传送给单片机，进行分析处理，单片机又将控制 LCD 显示模块将数据清晰地显示出来。此时，用户可通过按键设置模块任意设置合理的范围值，然后通过测量值与标准值的数据对比判断，异常结果将通过 LED 灯警示模块和蜂鸣器报警模块呈现给用户，起到提醒作用，帮助用户及时实施温湿度调控措施（图 2）。图 2硬件模块框图3.2单片机的基本工作原理单片机的最小系统为单片机电源、晶振电路和复位电路。本课题将利用到 51 系列单片机。51 单片机是对所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。因为STC89C52 单片机在芯片上拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，所以 STC89C52 单片机为很多系统提供了合适高效的解决方案3。STC89C52 相关图片如图 3 所示。4软件设计4.1编写语言的选择渊C 语言冤C 语言是一门面向过程、抽象化的通用程序设计语言，广泛应用于底层开发。C 语言能以简易的方式编译、处理低级存储器。C 语言是仅产生少量的机器语言以及不需要任何运行环境支持便能运行的高效率程序设计语言。尽管 C 语言提供了许多低级处理的功能，但仍然保持着跨平台的特性，以一个标准规格写出的 C 语言程序可在包括一些类似嵌入式处理器以及超级计算机等作业平台的许多计算机平台上进行编译。图 3STC89C52 单片机原理图4.2编程软件的选择渊Keil冤Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（滋Vision）将这些部分组合在一起。运行 Keil 软件需要 WIN98、NT、WIN2000 和 WINXP 等操作系统4。对于 51 系列单片机，最常用到的语言有汇编语言和 C 语言。该软件利用 C 语言编写，操作简单，参考例程多，因此，很多高校学生的专业学习及开发人员的研究操作都选用该软件来完成。4.3程序烧录软件的选择渊STC-ISP冤STC-ISP 是一款单片机下载编程烧录软件，是针对 STC 系列单片机而设计的，可下载 STC89 系列、12C2052 系列和 12C5410 等系列的 STC 单片机，使用简便，现已被广泛使用。在操作过程中，首先要选择好单片机的型号以及连接的串口号；其次需要设置好波特率；然后选择项目程序中后缀为“hex”的文件；最后点击下载即可。4.4系统软件设计系统软件总体流程图如图 4 所示。电源供电模块温湿度检测模块LED 灯警示模块蜂鸣器报警模块按键设置模块LCD 显示模块STC89C52单片机17-2024 年 6 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture图 4系统总体流程图5测量精确度分析为了涉及较广的测量范围，前 2 组数据的测量将运用到家用冰箱的冷藏、冷冻层模拟秋冬较为寒冷的蔬菜大棚环境。将自制测量仪和温湿度计同一时间放入冰箱冷藏冷冻层，关上冰箱门大概 20 min，给 2 个仪器足够的时间适应环境，待示数稳定下来后再进行读取；后 3 组数据利用到家用蒸汽锅上方的蒸汽模拟春夏较为炎热的蔬菜大棚环境。蒸汽锅开始出气后，将测量仪和温湿度仪挂在蒸汽锅上方的同一高度，对 2 组温湿度数据进行观察记录；中间几组数据则是常温环境下的温湿度数据（表 1、表 2）。表 1温度标准值与测量值数据对比图由图 5 可观察到点线代表标准温度，实线代表测量温度，短划线代表温度差值。其中，点线与实线基本吻合；而短划线基本趋于一条平稳的直线，误差在依1 益内。说明自制测量仪和温湿度计的温度测量数据基本一致，符合测量精度标准。表 2湿度标准值与测量值数据对比图图 5温度标准值尧测量值及差值折线图同理，由图 6 可观察到点线代表标准湿度，实线代表测量湿度，短划线代表自制测量仪湿度数据和温湿度仪湿度数据差值。其中，点线与实线基本吻合；而短划线基本趋于一条平稳的直线。说明自制测量仪和温湿度计的湿度测量数据基本一致，也符合测量精度标准。图 6湿度标准值尧测量值及差值折线图6结束语本文主要研究设计温湿度测量仪，并将其有效应用于蔬菜大棚环境下的实时数据采集与监控。在理论分析的基础上，以 STC89C51 单片机为核心，加上分组 标准温度 测量温度 差值 一-7-8 1 二 10 12 2 三 23 23 0 四 24 23 1 五 26 25 1 六 28 26 2 七 30 30 0 八 38 38 0 九 45 44 1 十 50 49 1 分组 标准湿度 测量湿度 差值 一 58 61 3 二 60 64 4 三 68 68 0 四 70 69 1 五 74 72 2 六 76 75 1 七 80 79 1 八 85 88 3 九 90 91 1 十 100 96 4 向串行口发送数值开始初始化读取温湿度数值数据检测YESNO数据传输给单片机，并且存入寄存器数据分析处理显示温湿度数值报警提醒毅C豫6050403020100-10-20一二三四五六七八九十120100806040200标准湿度测量湿度差值一二三四五六七八九十分组渊下转 23 页冤标准温度测量温度差值分组18-2024 年 6 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业DHT11 温湿度传感器、LCD1602 液晶显示屏等元件进行组装连接，形成一个完整的系统；运用了 Keil 软件编写 C 语言代码来完成元件的采集、显示、传输和报警等功能，以及单片机对数据的分析处理。最终系统通过实验数据证明，可正常运用到普通的温室大棚环境下完成温湿度的测试，基本达到预期的精确度。但是如今这样的高效自动化系统仍然存在一些不足之处，系统元件本身会发生由于老化造成一系列问题，比如反应迟缓、工作状态不稳定、测量精度降低等；还有一个问题是系统的投入使用就意味着将长期暴露在不同条件的环境下工作，现在很难做到所有使用到的元件都能适应环境的大幅度变化，这也就加速了元件的老化，进而减短了元件的使用寿命，而且频繁地更换新设备，生产者的开销也将会有所提高。这样的问题可能就会造成很多生产者放弃选用温湿度测量系统，而是转用原始的测量方式，导致可利用率也就随之降低，发展趋势并不乐观。想要解决问题就需要研发人员去攻克硬件上的设计开发，创新出更多适应性强的产品，以及各个制作厂商也需要在工艺上有进一步的突破，在材质上也能促使产品达到更高的效果。同时在未来的科技发展中，进一步提高测量仪的精确度将成为努力的目标，这将给更多种类的粮食瓜果蔬菜提供更高、更精准的可控制生长环境。参考文献院1 陈绍勇.基于单片机的温湿度控制系统的设计J.科技资讯，2016，14（27）：22，24.2 闵天伦，韩静，冷丰汐.基于单片机的温湿度检测系统的设计J.四川水泥，2016（7）：99.3 张为.基于单片机的温湿度测量系统设计J.阴山学刊（自然科学），2010，24（3）：26-29.4 赵健，吴顺伟.基于单片机的温湿度测量系统的研制J.电子技术，2008（9）：39-41.学院优势开展涉农教育产教融合改革、教学资源建设、教学团队培养、产教平台构建等方面打造创新点，并从激励奖励制度、人才培养质量、平台运行成效和人才就业满意度等角度进行综合评价，形成涉农类高校产业学院运行及人才培养新模式。此外，在今后涉农高校产业学院建设中仍需考虑体制机制创新优化，切实落实政府、学校企业之间的多方合作以及共创共建共享机制。从学校办学特点及优势和社会人才需求的视角出发，探索具有鲜明农业特点和智慧农业背景下创新特色，打造生产型与应用型高校产教融合模式，为农业领域产业教育服务提供新的思路，从真正意义上推进涉农高校高等教育的高质量发展，促进农业领域教育研究更好地服务于国家战略。参考文献院1 赵博.产教融合下校企协同建立智能制造实训基地路径探索与实践J.华东科技，2023（7）：138-140.2 周步昆，许广举，冀宏，等.融合创新视角下应用型高校产业学院的特征、架构与评价J.黑龙江高教研究，2021（5）：35-40援3 姜长云，李俊茹，巩慧臻.全球农业强国的共同特征和经验启示J.学术界，2022（8）：127-144.4 朱妍，胡会欣.乡村振兴视阈下高职院校产业学院建设研究J.河南农业，2023（12）：17-18.5 中共中央 国务院印发 乡村振兴战略规划（20182022 年）EB/OL.（2018-09-26）.https:/ 石宁宁，赵宁.应用型本科高校产教融合协同育人模式探索以金陵科技学院电子竞技产业学院为例J.产业创新研究，2023（18）：196-198.7 孙振忠，黄辉宇.现代产业学院协同共建的新模式以东莞理工学院先进制造学院（长安）为例J.高等工程教育研究，2019（4）：40-45.8 杨丽芳，卢卫中.深化产教融合校企协同育人混合所有制二级学院的探索与实践J.中国高校科技 2019，6（2）：98-99.9 侯宪斌，李曦.农业领域产业学院建设特点与启示J.智慧农业导刊，2023，3（19）：69-73.10 傅琳琳，黄祖辉，朋文欢.农村产业融合经营主体“互利共生”的机理与推进路径J.南京农业大学学报（社会科学版），2022，22（6）：69-77.11 程瑞鹏.基于产业学院的职业院校实践教学改革探索J.科教导刊，2023（19）：37-39.12 付双桥.深化产教融合协同育人 助力大数据产业发展浙江科技学院探索产业特色学院育人模式J.中国科技产业，2021（11）：43-45.渊上接 18 页冤23-