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基于51单片机的温室大棚环境监测系统

空气温湿度监测，土壤温湿度监测，光照监测，无线传输数据

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文末尾附带源码

1.1 研究背景

    随着人们生活水平的不断提高，人们对自身的健康越来越关注，对各类食物的要求也越来越高，温室大棚作为培育瓜果蔬菜的生长基地，因此对温室大棚中植物的生长环境进行实时监测是尤为重要的，所以对温室大棚环境监测系统设计的研究是很有必要的。

1.2 设计要求
(1)选择合适的传感器，并设计传感器信号调理电路；
(2)用液晶显示器12864实时显示大棚环境参数；
(3)设计按键电路能够设置环境参数的上下限；
(4)设声光报警电路，通过按键设置阈值，在超限后报警；
（5）通过NRF24L01模块实现无线传输；
（6）屏幕显示实时时间，并可进行调整；

2.1 系统方案框图

在这里插入图片描述

2.2 方案分析
以GY-30光照模块，DS18B20土壤温度模块，YL-69土壤湿度模块和DHT11温湿度模块和STC89C52单片机为控制核心组成环境监测系统的发射板，实现对现场光照，土壤温湿度以及空气温湿度数据的采集。
以DS1302实时时钟模块，LCD12864显示模块以及蜂鸣器报警模块和STC89C52单片机为控制核心组成环境监测系统的接收板，实现对实时始终数据的采集和对发射板接收数据的显示，以及实现在超限后声光报警。
通过NRF24L01无线模块进而实现发射板和接收板之间的数据通信。
1. 单片机选择
单片机采用宏晶科技的单片机STC89C52。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash。
2. 光照模块电路
采用GY-30构成光照模块电路。GY-30是一款内置ROHM-BH1750FLV芯片的数字光照强度模块。芯片内置16bitAD转换器，可直接数字输出，测量光照强度范围为0-65535lx（精度可选）。除此之外，模块内置电平转换，支持3-5V供电，可与5V单片机IO直接连接；对外提供IIC接口，方便使用。
在e

3. 土壤温度模块电路
采用DS18B20构成土壤温度模块电路。DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。它的接线方便，封装成后可应用于多种场合。
在这里插入图片描述

4. 土壤湿度模块电路
土壤湿度模块电路采用YL-69。YL-69 是一个简单的土壤湿度传感器，是一种电容式传感器，主要使用的是湿敏电容。当环境的湿度发生改变时，会使得湿敏电容存在的环境中的介质发生改变，导致湿敏电容中的电容数值产生变化，电容的数值正比于湿度值 。由于湿敏电容的灵敏度高、响应速度快、滞后量小，此外微小的体积、极低的功耗，使得湿敏电容很容易小型化和集成化。YL-69 采用 CMOS 工艺，可以确保其低功耗，同时还具有很高的可靠性和稳定性。传感器内部含有一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料做成的温度传感器，在同一芯片上，与 A/D 转换器及串行接口电路实现连接。
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5. 空气温湿度模块电路
空气温湿度模块电路采用DHT11模块，DHT11数字温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，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。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。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
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6.无线模块电路
无线模块电路采用NRF24L01模块，NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
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7.LCD12864显示模块电路
带中文字库的128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192 个1616 点汉字，和128 个168 点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
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8.报警模块电路
本设计的报警电路采用了一个电磁式有源蜂鸣器来实现。报警电路连接在单片机的某一特定管脚，随时会根据输出信号控制报警电路的工作与否。设定一个温度界限，当采集到的温度超过界限的时候，蜂鸣器则会一直响;当温度在温度界限内时，蜂鸣器停止鸣叫。
9.实时时钟模块电路
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V~5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
在这里插入图片描述

4.1 主程序设计

整个软件部分分为发射板空气温湿度，土壤温湿度和光照数据的采集和数据的无线传输以及接收板数据的显示。
首先DHT11进行初始化，通过调用采集数据函数，分别采集空气的湿度信息，温度信息，返回数据，再通过内部AD转换将采集到的数据串行的存入发送缓冲器；
通过YL-69初始化函数初始化模块，再调用采集数据函数，读取当前传感器的探头湿度信息，为当前的探头电容值，对采集土壤湿度信息，因为模块没有AD转换电路，所以外接ADC0832芯片，通过对ADC0832芯片初始化，进行AD转换，返回数据，再将数据存入发送缓冲器中；
通过DS18B20初始化函数初始化模块的工作方式，调用采集土壤温度信息函数，内部采用减法计数器的原理，最终得到的当前温度数据，返回数据，将数据串行存入发送缓冲器中；
通过GY-30初始化初始化函数初始化工作方式，调用并采集光照信息的函数，采集到的信息分为8位，将数据按位取出来，分别×对应位置的倍数得到最终的数据，返回数据，将得到的数据存入发送缓冲器中；
通过最后通过设置NRF24L01初始化，将发送缓冲器的数组给到NRF24L01的数据发送函数，NRF24L01根据对应缓冲器中的数据长度，将发送缓冲器中的数据串行按位发送给接收板，发送给接收单片机。
将上述模块化的程序放入while大循环里，从而实现了对数据的实时采集，实时发送。实现了本次课设的基本要求，下图为发送板的主程序框图：
在这里插入图片描述

数据接受板，通过无线模块对数据进行接收，将发送缓冲器的数据存入接收缓冲器，再通过对接收缓冲器中的对应位置数据进行显示，分别读取对应索引的数值。
调用12864显示函数对数值数字化显示，在通过接收DS1302实时时钟芯片对应时、分、秒的引脚的数据，通过程序控制进位，调用对应日期和相应实时传输的数据的显示函数进行显示；
在程序中定义对应位置的按键，sbit定义按键对应单片机的引脚，设置按键的功能从S1-S5对应功能分别为：时间设置，阈值设置，加计数，减计数，确认。
按下时间设置可以对时间的秒进行设置，再次按下时可以对应光标为分位置，再按下可以进入时的位置，以此类推；
按下阈值设置按键可以分别进入空气温度，湿度设置，光照设置，土壤温度，土壤湿度阈值设置，从而实现对相应数据进行设置。
按下S5即最后一个按键，可以对设置的当前时间、阈值进行确认；之后程序进入对通过标志位flag判断为1超过阈值，对于温度，空气湿度，土壤温度，土壤湿度超过阈值的当前实时数据进行监测，超过阈值则蜂鸣器报警，否则flag判断为0，继续执行。
将上述程序放入大的循环中，从而实现了对发送板发送的数据进行实时采集的功能，下图分别为接收板程序设计图：
在这里插入图片描述

部分实物图，PCB展示

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
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需要实物pcb板的朋友请私信

部分程序源码

部分源码 采用keil4编写.

// 发射板源代码：
#include <stc89c52.h>
#include <intrins.h>
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int uint;
#define FOSC 11059200L      //System frequency
#define BAUD 2400           //UART baudrate
unsigned char flagcom=0;
//2401IO端口定义sbit 	MISO	=P0^2;
sbit 	MOSI	=P0^4;
sbit	SCK	    =P0^1;
sbit	CE	    =P0^0;
sbit	CSN		=P0^5;
sbit	IRQ		=P0^3;
unsigned char xdata TxBuf[32]=0;		//2401 发送寄存器
sbit     DQ=P2^7;        //DHT11
//bh1750
sbit	  SCL=P2^1;      //IIC时钟引脚定义
sbit  	  SDA=P2^2;      //IIC数据引脚定义
#define	  SlaveAddress   0x46 //定义器件在IIC总线中的从地址,根据ALT  ADDRESS地址引脚不同修改
                              //ALT  ADDRESS引脚接地时地址为0x46，接电源时地址为0x3A
typedef   unsigned char BYTE;
typedef   unsigned short WORD;
uchar   BUF[8];                         //接收数据缓存区  
unsigned char  xdata    ge,shi,bai,qian,wan;            //显示变量
uchar tem;  //温度
uchar  hum;  //湿度
uint guangzhao=0;		//光照
uint pm25=0;			//pm2.5
uint tw=0;  //土壤温度 
uint ts=0;  //土壤湿度 
uint flag1=0;
sbit 	LED1=P1^1;
sbit 	LED2=P1^4;
//*************************************ADC0832定义*****************/
//ADC0832 
sbit CS = P1^5;
sbit CLK = P1^6;
sbit DIO = P1^7; 
//*********************************************NRF24L01*************************************
#define TX_ADR_WIDTH    5   	// 5 uints TX address width
#define RX_ADR_WIDTH    5   	// 5 uints RX address width
#define TX_PLOAD_WIDTH  32  	// 20 uints TX payload
#define RX_PLOAD_WIDTH  32  	// 20 uints TX payload
uchar const TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10,0x10,0x01};	//本地地址
uchar const RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10,0x10,0x01};	//接收地址
//***************************************NRF24L01寄存器指令*******************************************************
#define READ_REG        0x00  	// 读寄存器指令
#define WRITE_REG       0x20 	// 写寄存器指令
#define RD_RX_PLOAD     0x61  	// 读取接收数据指令
#define WR_TX_PLOAD     0xA0  	// 写待发数据指令
#延时函数
void inerDelay_us(unsigned char n)
{
	for(;n>0;n--)
		_nop_();
}
void Delay5ms()
{
    WORD n = 560;
    while (n--);
}
void delay_nms(unsigned int k)	
{						
unsigned int i,j;				
for(i=0;i<k;i++)
{			
for(j=0;j<121;j++)			
{;}}						
}
void Delay5us()
{
    _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
    _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
	_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
	_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
//******************************复位ds18b20************/ 
void Init_ds18b20(void) {
	DQ = 1; 
	delay(1); 
	DQ = 0; 
	delay(250); 
	DQ = 1; 
	delay(100);
}

#NRF24L01初始化
void init_NRF24L01(void)
{
    inerDelay_us(100);
 	CE=0;    // chip enable
 	CSN=1;   // Spi disable 
 	SCK=0;   // Spi clock line init high
	SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);    // 写本地地址	
	SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); // 写接收端地址
	SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01);      //  频道0自动	ACK应答允许	
	SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01);  //  允许接收地址只有频道0，如果需要多频道可以参考Page21  
	SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 0);        //   设置信道工作为2.4GHZ，收发必须一致
	SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH); //设置接收数据长度，本次设置为32字节
	SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07);   		//设置发射速率为1MHZ，发射功率为最大值0dB	
	SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e);   		 // IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主发送

}
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