基于Arduino的温湿度系统标准设计.doc

摘 要

Arduino是比较常见于智能控制芯片，在智能仪器、工业检测和控制、机电一体等方面应用广泛。使用Arduino能够实现温湿度全程监测和控制，而且Arduino控制器使用还含有易于学习掌握，性价比高等优点。
基于Arduino温湿度控制系统采取一个含有已校准数字信号输出DHT11传感器来搜集环境中温湿度数据。经过Arduino进行数据处理，再将处理结果经过LCD显示器进行显示。当环境中参数达成预先设定临界值时，报警系统中无源蜂鸣器就会自动鸣响报警。
采取Arduino设计温湿度控制系统，能够正确反应环境温度和湿度改变情况。完成升温、降温等一列智能控制行为。在一定温度波动范围内保持恒温状态。将这么智能系统应用到现代温室种植当中，能够为农作物生长提供较为适宜生长环境。对于部分特殊农业生产诸如大棚种植和花卉种植等，必需使用温湿度装置对其进行监控使其保持恒定环境。本系统能够立即、正确反应和控制环境中温湿度改变。
关键词： Arduino；DHT11；传感器；液晶显示器；温湿度；

ABSTRACT

Arduino is relatively commonly used in the control chip, smart instrumentation, industrial inspection control; mechatronics achieved impressive results has been widely applied.also a lot of its strength as the temperature and humidity control system. Able to achieve automatic control of temperature and humidity throughout Arduino, the Arduino is easy to learn and master the high cost-effective.
This paper designs a temperature and humidity control system based on Arduino,,the system uses a containing composite sensor DHT11 digital temperature and humidity calibration of digital signal output to temperature and humidity data acquisition in the environment. . After Arduino treatment, and the treatment results through the LCD display display. When the parameters in the environment reaches the critical value, the alarm will sound the alarmsystem.
Use a Arduino-type micro-controller design temperature and humidity control system for, instant accurate reaction greenhouse temperature and moderate changes. Complete, such as the temperature was cooled to a specific temperature,raised to a specific temperature. Maintain constant temperature and other control in the volatility
temperature range, humidity control is also true. The application of this system to the greenhouse which is no doubt that provides a more suitable environment for vegetation growth. For greenhouse cultivation and flower garden, flower cultivation, you must install certain environmental temperature and humidity device monitor. This system can be timely, accurate reflection of the indoor temperature and humidity changes, able to meet the requirements of the temperature and humidity control.
Keywords: Arduino; DHT11; Sensor; LCD; Temperature and Humidity;

目 录

第一章 绪 论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究目标及意义 1
1.2.1 生活环境和温湿度关系 1
1.2.2 温湿度检测意义 2
1.3 中国外发展历程和情况 3
第二章 Arduino理论基础 5
2.1 单片机-Arduino关键器件 5
2.1.1 单片机概念 5
2.1.2 单片机作用 5
2.1.3 Arduino定义 6
2.1.4 Arduino优势 6
2.2 Arduino开发工具介绍 7
2.3 Arduino语言 8
2.4 本章总结 9
第三章 系统整体设计 10
3.1 方案论证 10
3.1.1 系统关键功效 10
3.1.2 系统工作原理介绍 10
3.1.3 总体设计介绍 11
3.2 系统硬件设计 12
3.2.1 主控模块 12
3.2.2 数据采集模块 14
3.2.3 数据显示模块 16
3.2.4 报警模块 18
3.2.5 原理总图及器件清单 19
3.3 系统软件设计 20
3.3.1 总体程序步骤图 20
3.3.2 液晶显示模块程序 20
3.3.3 传感器模块程序 22
3.4 本章小结 24
第四章 调试过程和注意问题 25
4.1 程序下载说明 25
4.2 硬件问题及处理 ……………………………………………27
4.3 软件问题及处理 27
第五章 总结和展望 29
5.1 全文总结 29
5.2 未来展望 29
致 谢 31
参考文件 32
附录一 34
附录二 35

第一章 绪 论
1.1 课题背景
农业科学技术和信息科学相互融合、渗透是现代农业生产显著特点。多种高新技术不停应用于农业生产，农业信息化总趋势就是：计算机技术，信息存放和数据处理技术和各类软件，网络通信，人工智能和智能控制系统等综合应用于现代智能机械化农业生产[1]。
很长一段时间，对温室环境监测通常采取人工方法，这种传统数据搜集方法浪费人力财力，正确性不是很高，而且轻易受其它外部原因影响，极难达成期望目标。尤其是在现代化蔬菜温室生产和管理过程中，环境温度和湿度改变对植物健康成长相关键影响。假如白天和夜里温湿度改变很大，则会对植物正常生长产生关键影响[2]。中国外温室种植业实践生产经验表明，提升温室环境管理水平和自动化控制水平能够有效发挥温室作物生产高效性，其中对作物生长环境温湿度数据采集是温室环境监测关键组成部分。所以，为了提升农作物产量，我们需要对植物生长环境中温湿度原因进行必不可少监测和控制，使其保持在有利于作物生长合理范围内波动，以提升农作物产量和质量。伴随通信网络技术，传感器数据采集技术及计算机控制技术等现代信息技术迅猛发展，现在设施农业一个研究热点就是数据自动采集及智能控制系统开发[3]。所以，设计一套能够实时对植物生长环境原因有效监测和控制智能系统对于提升农作物产量含有十分关键意义。
1.2 研究目标及意义
湿温度是工业领域内比较关键两个监测目标。不管是我们日常生活环境，还是生产领域全部需要对温湿度参数进行控制和监测。对温湿度测量和控制水平直接影响到人类全部活动。
1.2.1 生活环境和温湿度关系
伴随人类社会对生活环境质量要求不停提升，尤其是温度和湿度改变所带来不一样负面影响，比如温度改变全部直接影响到我们这个社会，而湿度波动也一样会影响着我们生活和其它物种生存条件。近代伴随工业革命而带来二氧化碳排放造成全球气候变暖，所以对我们生活带来了一系列巨大影响。伴随全球气候变暖，造成南北极冰山融化，进而造成海平面上升。所以造成全球有上亿人口收到海平面上升所带来威胁，类如海水倒灌，岛屿消失等。温度上升也影响着全球气候改变。最近几十年厄尔尼诺现象频繁发生，造成无数人生活受到影响。温度改变同时也会影响到环境湿度改变，因为当温度较高时会加剧地面水汽蒸发，使湿度上升，比如在南美地域温度较高同时也使湿度较高。不过当温度达成很高时也会是空气急剧干燥，比如在北非地域。
在国家安全、环境保护、生产制造、气象估计、科学研究等部门，常常需要对环境温度和湿度数据进行控制和监测。伴随科技不停进步，为了保持一起正确，现在越来越多紧密仪器需要在恒定环境下工作，对环境中温湿度要求越来越高。在食材成品加工、生物制药工程等相关国计民生工业制造领域对于正确监测温度和湿度改变更是有重大意义。为了生产出合格产品，有时我们必需正确控制和监测环境中温度和湿度改变。
1.2.2 温湿度检测意义
不管是在现代化工业生产、现代农业生产，还是在仓库保管、气象卫星等领域，对温度和湿度测量全部是随地全部能够看到。有效合理调解和控制湿温度参数，不仅能够减小资源浪费还更有利保障行业生产正常发展。
在工业生产领域，多种高科技自动化精密设备全部需要在特定环境下工作。电器设备是工业生产领域最常见也是使用频率最高设备。电器设计人员在设计电器设备时必需要考虑到问题之一就是考虑温度和湿度波动改变。电器工程师为了设计出合格设备，在设计时候必需要考虑设备使用过程中散热通风问题，使产品能适应特定工作环境中温度和湿度波动。在众多工业材料中选择性能优异材料而且对设备表面进行尤其封装能够大大有效提升设备运行年限。大型电器设备假如长久处于大电流、高电压和满负荷运行状态，将造成造成聚集大量热量而不能立即降低温度，因为电流热效应造成危害直接影响设备绝缘安全保护器件，对设备正常工作和职员人身安全产生严重安全隐患，所以对用电机器温度和湿度改变进行立即正确测量和控制是十分必需[4]。
温湿度对动植生长全部有很大影响，当温度达成了动植物生长所能承受最高值或最低值时，这些植物和动物就会慢慢从地球上消失，或适应环境而演变成其它部分物种。所以对特定环境下温湿度我们必需能正确有效测量。同时我们也要统计她们改变情况和改变规律，只有这么这么我们才有可能对我们目前所生活环境改变有个更为直观感性了解和认识。
传统温度计原理是利用水银遇热膨胀和遇冷收缩来实现，尽管物美价廉，不过它精度很低，而且需要很仔细才能读清测量值。干湿球显示测量法是传统湿度计普遍采取方法，但它不仅结构复杂而且测量正确实度也不是很高[5]。不过采取Arduino对温湿度进行测量控制，不仅控制简单，操作方便和应用灵活等一系列优点，而且能够大幅度提升温湿度控制技术指标。用LCD液晶显示器来显示温湿度数值，看起来愈加直观。
1.3 中国外发展历程和情况
现在国外优异大型室内环境监控系统大多是多个原因综合控制系统。这些优异控制系统提供了能够人机交互操作界面，不仅能够方便操作人员对环境参数进行设定和对参数进行显示，而且还可用计算机对多种环境因子进行远程监视和控制，包含到环境因子如二氧化碳浓度、温湿度改变、光照强度等，包含了农作物在各个生长阶段生命信息甚至包含开花时间控制等[6]。
在美国，摩托罗拉集团在80年代初就已经研制出了一套专门用于浇灌中央计算机控制系统，很快这套系统赢得了美国大部分地域广泛认可和应用[7]。GeenAir集团开发GHCl00型温室环境控制系统在满足低成本通风控制要求同时也可对温室进行全方位控制[8]，用户不仅能够经过显示器来进行实时监控和现场设置，还可进行远程数据统计、监测、控制。
荷兰含有世界领先温控技术水平，在全球市场上，其智能温室成套设施备受各国青睐。追溯到上世纪70年代荷兰就开发出了计算机控制系统CECS，而且集成了一系列计算机软、硬件，实现了温室内施肥、供水和环境自动控制等[9]。荷兰Priva企业是著名温室系统设备研发及生产企业[10]，她们所研制温室控制系统不仅能够协调控制多种环境因子而且也能对温室过程控制、浇水施肥作业进行智能控制。
以色列温室农业技术发展也很快速，它温室计算机环境控制系统采取比较优异温室控制结构和空气温湿度调控技术等，并配置了天窗、幕帘及遮阳网等，可依据光线强度不一样自动调整环境因子。另外，该系统在室内还设置了现代化滴灌和微喷灌智能控制系统，能够方便快捷地经过现场控制器和监控室内中央计算机之间通信对室内进行远程遥控浇灌和施肥，使水肥利用率达80%到90%[11]。
在英国，温室农业大部分全部采取远程计算机来控制二氧化碳、温湿度、营养液供给等[12]，英国自主研发远程计算机遥控技术能够监测并遥控50km以外温室内温湿度等环境情况改变。
在日本，其温室监控技术水平发展也很高，比如四国电力集团发明“Open PLANET”远程双向监测控制系统[13]，该系统包含检控专用LAN、服务器、数据搜集、分散控制等，也可对温室群进行管理。另外，ESE企业研发控制系统能够对温室内环境因子如温度、二氧化碳浓度等可进行全方面检测和控制[14]。
不过，中国在温室控制检测技术方面研究相对较晚。在80年代早期，外国高科技温室技术蓬勃发张也促进中国农业科技工作人员逐步对温度、C02浓度、湿度等单一环境因子方面展开了丰富研究[15]。
中国外在信息传输方法上还是有不小差距。对于通常数据传输(比如温度、烟火警报等)中国现在关键还是在利用走线布线方法，优异一点采取功率较大无线芯片进行星型网络数据传输，尽管这么节省了对于信号线布线，但其能量消耗比较大，而且还需要对电源线进行布线[16]。然而，基于低功耗无线自组网Zigbee传输模式在美国早已走进了千家万户，为大家生活生产提供便利。
总来说，中国在温室控制方面研究和开发和利用关键集中在环境控制算法、控制系统结构等方面取得数据，不过和国外相比，中国温室自动控制系统在可靠性、经济性、可扩展性、功效等方面还需深入改善。
鉴于Arduino控制器拥有较为稳定可靠性、可扩展性，而且在功效和经济性方面远远优于其它控制器，所以本文将采取DHT11数字复合温湿度传感器采集温湿度数据，以Arduino为控制器来控制数据处理，来设计一个高性价比基于Arduino温湿度控制系统。所以，此次毕业设计以DHT11传感器为例，介绍基于Arduino数字温湿度系统设计。

第二章 Arduino理论基础

本章作为Arduino理论概述部分，将介绍和Arduino相关知识原理为后续章节提供基础理论基础。本章文首先将讲述什么是Arduino，相关Arduino部分基础知识及相关Arduino编写语言C语言基础知识和开发工具。
2.1 单片机-Arduino关键器件
要了解Arduino就先要明白单片机作用，Arduino控制板是一块基于AVR命令集电子开发平台。Arduino关键元器件是一块微型处理器，它是基于Atmega328P-PU芯片开源开发平台[17]。
2.1.1 单片机概念
计算机通常包含包含以下多个部份：CPU、ROM、RAM、输入/输出设备I/O[18]。在个人计算机上这些部份被分割成若干块不一样芯片，安装在一个被叫做主板印刷线路板上。但在单片机平台中，各个部件会被全部一起做到一块集成芯片中，所以就被命名为单片机[19]，而且有部分单片机中除了上述组成部份外，还集成了其它部份如模/数转换和数/模转换等。
2.1.2 单片机作用
其实在我们实际工作中要依据不一样场所和应用来选择适宜处理器，选择应用处理器关键是看是否支持设备运行，是否有很高性价比等。单片机常常见在工业生产控制智能家居设备中。不过有些场所使用单片机就会使简单问题复杂化，因为在开发单片机资源时候需要了解寄存器，指针等资源，对于通常初学者极难掌握这些资源使用方法。所以为了找到一个廉价又好用控制器，Massimo Banzi和David Cuartielles设计一个基于Atmega328P-PU芯片开源控制平台，被命名为Arduino[20]。

图2-1 Atmega328P-PU单片机
Arduino能够使用 Arduino 语言和Processing、Macromedia Flash、Max/MSP和SuperCollider等软件，结合其它常见电子元件，比如传感器或LED发光灯、电动马达或其它电子器件，设计出很多含有艺术创意性互动作品[21]。图2-1就是一个Atmega328P-PU单片机。
2.1.3 Arduino定义
Arduino是一套能够感应和控制现实物理世界工具。 它由一个基于单片机而且代码开源硬件平台，和一套Arduino IDE开发环境组成[15]。
Arduino能够用来开发交互式智能产品，比如它能够读取大量开关和传感器数据，同时能够控制不一样种类电子元器件等其它多种物理设备。基于Arduino控制系统既能够独自进行，也能够在运行同时又和计算机中正在运行其它程序进行数据通讯。Arduino编程环境是基于处理多媒体，编程语言就像在类似物理平台上连线。
2.1.4 Arduino优势
很多单片机和单片机平台设计全部采取交互式系统。比如：Parallax Basic Stamp，Phidgets，MIT’s Handyboard等提[22]。对于这些工具，工程师全部不需要去关心那些单片机编程复杂细节，提供给编写人员是一套很轻易上手工具包。一样Arduino也很大程度简化了内部芯片工作次序，但Arduino和其它开发平台相比在部分方面更含有优越特点：
跨平台——Arduino编程环境能够完美兼容Macintosh OSX，Windows和Linux等应用系统。但很多其它单片机系统全部只能在Windows环境下运行。
廉价——Arduino控制板价格低廉，既可亲自组装，也能够购置完整成品。
软件开源且可扩展——Arduino软件是开源，专业程序员能够对其进行扩展。能够经过C++库对Arduino编程语言进行扩展[23]。
简易编程环境——Arduino编程环境和Processing 编程环境很相同，所以我们很轻易就能够学会怎样熟练使用Arduino开发环境。
硬件开源并可扩展——Arduino开发板是基于Atmel 企业ATMEGA8 和ATMEGA168/328 单片机，基于Creative Commons 许可协议[24]，所以我们能够依据需求设计模块，能够对其扩展或改善。
Arduino是基于AVR开发平台，而且对AVR库进行了二次编译封装，把全部端口全部进行了打包，基础不需要寄存器、地址指针等资源。不过Arduino是二次编译封装，所以编写代码没有直接使用AVR代码编写精练，代码实施效率和代码容量全部没有直接AVR编写好。

2.2 Arduino开发工具介绍
一、Arduino开发工具作用
Arduino开发工具（是一个用来编写Arduino程序软件，将程序编写好检测无误后，经过该软件下载到Arduino开发板中进行烧录。
二、获取和安装Arduino开发工具方法
1.下载Arduino 开发工具
下载地址 ：
图2-1所表示，在页面上找到以下内容：

图2-1 Arduino IDE下载界面
我们既能够下载windows installer 版本，也能够下载windows（ZIP file）版版本，windows（ZIP file）版本能够在直接解压后就使用。
2、Arduino开发工具功效介绍
安装成功后双击Arduino.exe即可打开Arduino，界面以下图2-2所表示：

图2-2 Arduino IDE开发界面
各按钮功效以下：
Verify（校验） ：在下载代码之前，对编好代码进行检验。
Stop（停止）：能够停止进行编译操作。
New(新建）：可新建一个程序文件。
Open（打开）：打开一个已经编写好后缀名为.pde程序文件。
Save（保留）：保留目前途序文件。
Upload（上传） ：在Arduino编程环境里编辑程序，还不能让Arduino运行出期望结果，还需要将编写代码下载到到Arduino控制板中。
Serial Monitor（串口监视窗）：可观察开发环境中所使用串口收发数据改变情况。
2.3 Arduino语言
Arduino语言也就是基础C语言，Arduino语言只不过把AVR单片机相关部分参数设置全部函数化，不需要我们去了解她底层设计,是她编写和设计愈加简单方便[25]。
常量：
LOW | HIGH 表示数字接口电平高低，LOW 代表低电平（0），HIGH 代表高电平（1）。
OUTPUT | INPUT 表示数字IO口方向，OUTPUT 表示输出，INPUT 表示输入（高阻态）。
true | false true 表示真（1），false表示假（0）。
程序结构：
申明变量及接口名称：
void setup() 放在在程序运行起始位置，含有初始化变量，定义管脚模式，调用库函数等一系列功效。
void loop() 放在在setup()函数以后，即初始化以后，loop() 让程序循环地被实施。
数字 I/O ：
pinMode(pin, mode) 定义数字IO端口输入输出模式函数，pin指向为0～13引脚， mode表示输出方向INPUT或OUTPUT。
digitalWrite(pin, value) 定义数字IO端口输出电平函数，pin指向为0～13引脚，value表示为电平高低HIGH或LOW。
int digitalRead(pin, value) 定义数字IO接口输入电平函数，pin指向为0～13引脚，value表示为电平高HIGH或LOW。
模拟 I/O :
int analogRead(pin) 定义模拟IO口读函数，pin指向为0～5引脚。
analogWrite(pin, value) - PWM 数字IO口PWM输出函数，Arduino数字IO口标注了PWMIO口可使用该函数，pin指向3, 5, 6, 9, 10, 11引脚，value表示为0～255。
2.4 本章总结
经过本章介绍，我们初步了解了什么是Arduino，和Arduino在现代社会电子设计中优势。了解了Arduino集成环境使用及其功效介绍，使我们对于Arduino控制板有了深入了解，为我们接下来设计提供了基础知识。下一章我们将进入系统具体设计。
第三章 系统整体设计
本章关键介绍是相关Arduino温湿度控制系统关键控制模块设计和分析。本系统软件设计以功效需求为根本目标，利用简单易懂C语言，采取模块化编程，对包含主控模块、数据处理模块、数据显示模块、报警模块等四个模块进行了具体设计，结构清楚，通俗易懂。为实现预期目标系统功效，将分析整个控制系统硬件物理设计和软件设计等。
3.1 方案论证
本节经过对基于Arduino温湿度控制系统整体方案论证让我们对于设计还系统有一个整体设计和方法，为后面具体设计设下铺垫。
3.1.1 系统关键功效
该系统期望实现目标功效是：
(1) 温湿度数据实时检测和显示。温湿度传感器DHT11检测到数值经过LCD1602液晶显示器实时地进行显示，而且以固定周期检测刷新显示一次。
(2) 对历史环境数据进行统计，方便以后任何时间全部能够分析处理数据，估计环境改变情况。
(3) 当温湿度超出设定阈值时能自动报警。蜂鸣器发出声音报警。
3.1.2 系统工作原理介绍
通常来说，此次系统设计关键包含包含温度和湿度测量、显示和实现方便控制。硬件方面有四个模块，即Arduino主控模块、传感器模块、LCD1602液晶显示模块和报警模。
关键使用DHT11数字温湿度传感器来进行数据采集工作。目前环境下温度和湿度数据经过DHT11传感器来检测出，将所测环境数据传送到Arduino主控模块中进行数据分析和处理等工作，并分别存入不一样数组中方便显示时候取用。为了获取稳定数据，本系统每间固定周期采集一次数据送Arduino控制板中。
温湿度检测值经过LCD1602液晶显示模块显示。上边一行英文字母及标题，下边一行显示湿度和温度值。
蜂鸣器报警模块实现了检测值超出阈值时鸣响报警功效。本系统采取是无源源蜂鸣器，所以只有湿度超出范围蜂鸣器时才进行报警提醒。当温度数据出现异常情况时，系统会提醒工作人员需立即调整，立即开启升温器、降温设备和喷雾器等设备来有效调整室内环境温湿度。
呼吸灯模块能够经过观察LED闪烁频率快慢来估测环境中湿度大小及改变，更能直观反应出空气中湿度大小，当LED灯闪烁频率较快时，说明此时环境湿度较大，能够连接到加湿器控制加湿器功率等。
3.1.3 总体设计介绍
1、总体设计框图
在确保实现其基础功效基础上，依据系统功效具体要求，标准之一要尽可能降低系统软硬件成本。设计总体方案围绕上述思想，初步确定系统方案图3-1所表示。

图3-1系统总体方案
从图中能够看出，系统由Arduino uno主控模块、DHT11数据采集模块、LCD1602液晶显示模块、报警模块，呼吸灯模块等组成。为了简化系统，提升控制精度，外围设备采取并行控制模式。该设计以Arduino uno为控制关键，实现温湿度采集及显示基础功效。
2 、总体设计工作进程
只要搞清两个部分模块工作原理，既能够很好完成此次系统设计。一个是DHT11数据采集模块，另一个是LCD1602液晶显示模块。DHT11传感器比较陌生，以前没有接触过，液晶相对而言我们比较了解。所以只要先攻克了液晶显示模块，然后再掌握数据采集部分就能够掌握整个系统工作原理。整个步骤以下图3-2所表示：

图3-2 整体设计步骤图
3.2 系统硬件设计
本节关键介绍基于Arduino温湿度控制系统主控模块设计。Arduino温湿度控制系统包含Arduino主控板，LCD1602液晶显示模块，温湿度数据采集模块，报警模块等组成。本章将关键介绍系统硬件设计及功效介绍。
3.2.1 主控模块
Arduino UNO是作为Arduino平台参考标准模板，是Arduino USB接口系列最新版本。UNO关键控制器件是ATmega328处理芯片，数字输入/输出口累计有14路：6路PWM输出端口，6路模拟输入端口，一路ICSP header，一个16MHz晶体振荡器，一个电源插口，一个USB接口和一个复位按钮[26]。Arduino Uno有三个版本，最新版本和老版相比有以下新特点：
在AREF处新添加了两个引脚：SCL和SDA，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，控制板能同时兼容5V和3.3V供给电压。 USB接口芯片由ATmega16U2替换了ATmega8U2[27] 。图3-3为改善后Arduino UNO。

图3-3 Arduino UNO控制板

1 、Arduino uno基础概要
l 处理器 ATmega328
l 工作电压 5V
l 输入电压（推荐） 7-12V
l 输入电压（范围） 6-20V
l 数字IO脚直流电流 40 mA
l 3.3V脚直流电流 50 mA
l 数字IO脚 累计14路
l 模拟输入脚 6路
l Flash Memory 32 KB
l SRAM 2 KB
l EEPROM 1 KB
l 工作时钟频率 16 MHz
2 、数据通信接口及引脚配置说明
l 串口：ATmega328处理芯片内置UART能够经过数字接口0和1和外部硬件完成串口数据通信[28]。
l TWI接口
l SPI 接口

图3-4 Arduino原理图

Arduino控制板上基础端口图3-4所表示
Digital I/O：数字输入/输出0—13。
Analog I/O：模拟输入/输出0-5。
支持ICSP下载，同时支持RX/TX。
输入电压：5-12V外部电源供电或USB接口供电。
输出电压：支持3.3V级5V 电源输出。
处理器：使用Atmel Atmega168 328微处理器。
AREF: 参考电压模拟输入。采取analogReference()指令调用。
VIN端口：外部电源输入引脚。
ICSP：是一个线上即时烧录引脚。
3.2.2 数据采集模块
1、DHT11产品概述
DHT11温湿度传感器是含有已校准数字信号输出一款温湿度复合传感器。为确保传感器含有卓越长久稳定性和极高可靠性，它采取了温湿度传感技术和专门制作数字集成模块数据采集技术[29]。

图3-5 DHT11传感器实物图
DHT11温湿度传感器均在严格校验试验室中经过正确湿度检验校准。校准系数结果采取程序数据形式存放在OTP中，DHT11内部在检测信号处理过程中要调用这些校准系数[30]。体积小和功耗低等优点使信号数据传输距离可超出20多米，使它成为多种应用场所最好选则甚至环境最为复杂应用场所。
（1）引脚介绍：
l Pin1：(VDD)，电源引脚，供电电压为3～5.5V。
l Pin2：（DATA），单总线，串行数据通信。
l Pin3:（NC），空脚，请悬浮。
l Pin4:（VDD），电源负极，接地端。
（2）接口说明 ：
当连接线长度在20米内时候要使用5000欧上拉电阻,当距离超出这个距离时则需要依据实际工作情况来选择适合电阻器件。

图3-6 DHT11经典应用电路
（3）数据帧描述：
DATA 通信接口用于 DHT11传感器和控制器之间采取单总线数据格式进行同时和通信，一次通信周期约4毫秒,数据分为两部分：整数和小数，目前小数部分用于扩展,现读出为零.实现次序以下：
一次完整数据传输为40位,高位先出。
数据格式8位湿度整数+8位湿度小数+8位温度整数+8位温度小数
假如数据没有发送错误，则所得到校验和数据等于所得结果最终8位数，即8位温度小数部分。
（4）电气特征：VDD=5V，T = 25摄氏度，
表3-1 DHT11电气特征
参数
条件
Min
typ
max
单位
供电电压
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
1.8
2.5
mA
平均
0.2
0.8
1
mA
待机
100
120
150
uA
采样周期
秒
1
3
5
次
注:采样周期间隔不得低于1秒钟。
2、DHT11传感器模块电路设计
DHT11温度和湿度传感器连接Arduino控制板相对而言还是比较简单。Arduino控制板数字I/O接口2作用是发收串行数据，即数据口。数字I/O接口2连接传感器Pin2。因为测量电路长度通常小于20米，所以需要额外增加一个5000欧上拉电阻，所以在电源和DHT11第二个脚之间接一个5000欧电阻[31]。而DHT11电源端口第一个脚和第四个脚分别接Arduino控制板电源接口和接地接口。DHT11第三脚不接任何原件，悬浮放置。DHT11温湿度传感器原理图以下图3-11所表示：

图3-11 DHT11电路原理图

3.2.3 数据显示模块
1、LCD1602液晶显示器
LCD1602液晶是一个能够同时显示32个字符（16列2行）工业字符型液晶。LCD显示模块在电子表、摄像机、手机及很多日常电子产品中全部能够监到，关键作用是显示图形、数字和专用符号等[32]。在基于微型处理器电子设备中，LCD1602很多常见输出方法比如作为显示器、发光器等使用。
（一）引脚说明

图3-12 LCD1602引脚功效图

VSS：电源地。
+5：电源正极，通常见+5V电压。
VCVOM：液晶显示对比度调整端，电压范围在0－5V之间。
RS：单片机写入指令或数据接口。
R/W：读写控制接口。
E：LCD模块使能信号控制接口。
DB0－DB7：8位数据总线，同时有三态双向特点。
BLA+： LED背光正极端。
BLA-： LED背光接地端。
（二）显示地址
LCD1602字符液晶显示分上行16字符下行16字符，不一样位置字符显示地址以下表所表示：
显示字符
1
2
3
4
5
6
7
第一行地址
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
第二行地址
40H
41H
42H
43H
44H
45H
46H
显示字符
8
9
10
11
12
···
第一行地址
07H
08H
09H
0AH
BH
···
第二行地址
47H
48H
49H
4AH
4BH
···

2、1602液晶显示原理
LCD液晶显示是利用液晶物理特征原理， 经过电压改变对其显示区域对比度进行控制，接通电源就能够正常显示，她不仅能够显示图形而且也可显示不一样符号等。

图3-13 1602显示模块原理图
液晶显示器适适用于大规模集成电路直接驱动、含有厚度薄、易于实现全彩色显示等众多优点，现在已经被广泛应用在工业领域比如数字摄像机、便携式电脑、移动通信工具等[33]。
为了方便调整液晶显示亮度使液晶显示在最好状态，在第三个引脚Vo脚加上一个10000欧滑动变阻器，经过调整滑动变阻器电阻阻值不停改变Vo脚电压值[34]。
3.2.4 报警模块
（一） 蜂鸣器介绍
1. 蜂鸣器是一个采取直流电压供电一体化结构电子讯响设备，被广泛应用于多种常见电子器件中作发声元件。
2. 蜂鸣器关键有两个类型：电磁式和压电式。
3. 蜂鸣器在电路中用字母“HA”或“H”表示。
（二） 蜂鸣器结构原理
1．压电式蜂鸣器原件关键包含多谐振荡器、阻抗匹配原件及音箱、外壳等。有些压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管[35]。
多谐振荡器由关键集成电路组成。当开启后,多谐振荡器就会起振,产生1.5～2.5kHZ音频波动信号，阻抗匹配器驱动压电蜂鸣片振动进而发出声音。
铌镁酸铅压电陶瓷材料是压电蜂鸣片关键材料。另外分别在陶瓷片正反面镀上银电极，然后经过老化和极化处理后，再同不锈钢片粘接在一起[36]。
2．磁式蜂鸣器组件关键包含磁铁、电磁线圈、振荡器、振动膜片及外壳等[37]。
（三）有源蜂鸣器和无源蜂鸣器
常见一个小型蜂鸣器因其比较小巧、结构牢靠，而被大量应用在部分需要发声鸣响电器设备、电子制作设计等电路中。常见蜂鸣器被分为无源蜂鸣器和有源蜂鸣器。有源蜂鸣器接通电源就可连续发出声音；而无源蜂鸣器则必需接在音频输出电路中才能发出声音。

图3-14 蜂鸣器原理图
本系统在设计时候采取是无源蜂鸣器，只要给蜂鸣器一定电流值，蜂鸣器就能够根据给定一定频率发声，不过Arduino控制器引脚