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2系统方案设计

2.1 设计需求分析
传统的大棚温湿度控制系统具有很大的滞后性，且耗费大量的人力和物力。因此本设计将利用大学所学的模拟电路和数学电路以及C语言知识，以传感器技术为基础而设计一个基于物联网的大棚温湿度控制系统。该设计将利用单片机结合传感器技术结合设计而成。设计具有以下要求：
（1）设计的大棚温湿度控制可以实现温湿度的采集；
（2）按键可以设定温度以及湿度的阀值；
（3）温度和湿度的数据信息可以显示在液晶屏上；
（4）当采集的温度或者湿度超过设定的值时，启动LED灯报警；
（5）能实时把温度和湿度通过蓝牙传输到手机APP中显示；
（6）设计物联网的农业大棚温湿度控制系统硬件电路图；
（7）编写物联网的农业大棚温湿度控制系统软件电路图。
2.2主控制器设计方案
方案一：基于ARM 内核STM32单片机主控系统。STM32是基于ARM架构的标准32位处理器的高级MCU，具备32为数据传输控制口，基本时钟频率为36MHz，系统内置32K到128K闪存。STM32单片机控制系统的优点是数据存储空间大，处理数据速度快，具备高速运算功能[3]。与传统51单片机相比较，该系统控制程序相对要复杂，相对价格也高出许多。
方案二：STC89C52RC单片机主控系统。ATC89C52RC单片机是标准的8位微控器处理芯片。STC89C52RC使用系统架构已然是经典的MCS-51内核，具有512位RAM，和32位I/0口。还具有4个外部中断和3个16位定时计数器。最高运行频率高达35MHz。
方案三：STC12C5A60S2是基于51内核的51单片机它的内存空间，运行速度都有很大的提高，性价比高。因此，很适合系统的应用。
因此本设计选择STC12C5A60S2作为主控制器。
2.3温湿度传感器方案设计
目前温湿度的测量都使用集成一体式温湿度集成器件，市场是使用频率最高的温湿度传感器有SHT11系列和DHT11系列传感。
方案一： SHT11温湿度传感器测量精度高，器件性能稳定，但是价格较高，且参考资料较少，不利于软件编程。
方案二：DHT11温湿度传感器测量精度相对较低，但是价格相对便宜，且使用率高，参考资料多，对编程功底不是很好的初学者来说，是不错的选择。
本系统中的只是测量家庭的环境参数对温度和湿度的精度要求不高，因此选择价格低的DHT11作为温湿度传感器。
2.4无线传输模块方案设计
方案一：NFR24L01为2.4GHz高速无线传输器件，使用SPI通信协议和单片机进行通信，并且能同时6对1通信。该模块的工作电压为1.9伏到3.6伏，而单片机的工作电压为5伏，如果使用该无线传输模块需要设计额外的电压转换电路，增加电路设计的复杂度。
方案二：目前，蓝牙的主流设备是HC-05，与单片机之间通过串口通信协议来实现连接和控制。蓝牙的传输距离在10米左右，结构简单以控制，因此适合本设计使用。
因此本设计选择蓝牙作为本设计的无线传输模块。
2.5显示器方案设计
本设计的系统需要用到显示屏来显示测量的各项参数，目前主要的显示器件有LCD液晶屏，LED点阵和数数码管等。
方案一：LCD液晶屏的主要代表有LCD1602和LCD12864；LCD1602为字符型显示屏，能同时显示2行，每行显示16个字符。LCD12864是自带汉子库的显示屏，能用驱动函数简单的控制汉子的显示，LCD12864的价格比LCD1602的价格高5-6倍。
方案二：LED点阵是采用一个一个LED发光二级管组合而成，利用驱动电路和汉子的取模的方式来控制点阵显示需要的内容，该种方式，由于显示的每个字符和汉子都需要取模，因此，程序控制较复杂，但是点阵的显示屏亮度大，且面积大，比价时候公共场所的字体显示，比较适合本设计的大棚温湿度控制系统的温度湿度的显示。
2.6 系统设计方案
根据上面的研究，针对传统大棚温度和湿度的测量精确度不高，达不到智能性，本设计提出利用温湿度传感器DHT11实时检测温湿度，结合无线传输技术，设计一个基于物联网技术农业大棚温湿度监测系统设计。该系统将利用STC12C5A60S2作为主控制器，利用温湿度传感器DHT11来测量大棚的温度和湿度；利用3个按键来控制设定大棚温度和湿度的报警阀值，一个按键可以控制温湿度的光标闪烁，一个按键表示温湿度的增1，一个按键表示温湿度的减1；系统采集的温湿度值和设定的温湿阀值可以显示在液晶屏LCD1602上；同时通过无线传输技术利用蓝牙HC-05传输到蓝牙APP上显示，当系统测量的温湿度值超过设定的报警阀值时，系统启动LED来报警。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

3 系统硬件设计

3.1 单片机最小系统
3.1.1 单片机STC12C5A60S2介绍
STC12C5A60S2是由宏晶科技有限公司生产的基于51内核的增强型单片机，该单片机运行速度是传统51的运行速度的8到12倍运行速度带到1T，且自带有复位电路、PWM波电路和数模转换电路和掉电保护EPPROM电路，是一款经济且实用的单片机[6]。该单片机的其他特点如下：
（1）运行速度为1T，且其代码与传统单片机完全兼容。
（2）正常工作电压为3.3伏到5.5伏之间，且其工作频率为0到35兆赫兹。
（3）该单片机有两个时钟源，内部时钟和外部时钟，内部时钟由内部的振荡器提供，在正常温度下，频率和电压有关，当电压为5伏时，其频率为11兆赫兹到15.5兆赫兹，当电压为3伏时，频率为8兆赫兹到12兆赫兹[7]。
（4）具有7个中断口，其中断口分别为P3口的P3.0、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5和P1口的P1.3、P1.4。
（5）自带集成A\D转换电路，共有八个IO口P1.0到P1.7都是AD转换输出口，使用快捷方便，且精度高，转换速度高。
（6）与传统80C51单片机相比，该单片机自带两个串口通信，IO口分别为P3.0、P3.1和P1.2、P1.3，非常有利于多类型无线通信。
STC12C5A60S2引脚图如图2所示。

图2 STC12C5A60S2引脚
3.1.2 电源模块电路设计
电源电路包好一个电源座，一个自锁按键，一个LED指示灯和电阻为1K的电阻。电源座连接外部5伏电源，电源座一共有两个接地引脚一个正极引脚，正极引脚连接一个自锁按键。当按键按下后按键短路，外部电源利用“+5v”连接点给单片机系统供电。同时指示灯亮起。电阻R1是限流电阻，防止电流过大烧毁LED灯，起到保护LED灯的作用。电源模块电路图如图3所示。

图3 电源模块电路

4 系统软件设计

4.1 系统总体软件实现方案
本设计使用的是单片机微控电路控制系统功能实现，因此需要软件代码驱动电路运行，将使用C语言编程，并利用keil软件编译。
系统开始后先初始化，初始化包含液晶初始和定时器初始化以及蓝牙通信串口初始化，初始化完成后进主函数的循环中，然后判断设置温度湿度报警的参数按键是否按下，设置温度湿度报警的按键一共有3个，先判断这3个按键的是哪一个按键按下，然后在执行这按键的功能，然后并把这个按键的功能显示在液晶上，比如第一个按键是选择设置的坐标值，此时选中之后改位置的参数光标在闪动，第二个按键的功能是设置值加一，液晶上就会把该设置值显示增加一，第三个按键的功能是设置值减一，液晶上就会把该设置值显示增减一，最后在判断是否退出了设置，如果退出了则进入下次的检测，如果没有退出接着按键扫描，直到退出了参数设置为止。
根据前面的描述，本系统需要利用温湿度传感器来检测大棚温湿度，利用液晶屏来实时读取温度和湿度信息，利用按键设定温湿度值，同时LED报警同时具有蓝牙无线传输温度和湿度的功能，系统整体程序流程图如图15所示。

图15系统主程序流程图

5 系统调试

5.1 硬件调试
本系统利用PCB板来焊接实物，在焊接元件之前需要先绘制好电路硬件原理图，然后在根据原理图焊接程序。在焊接元件时一定要及时的检测焊接的电路是否有虚焊，电源引脚和接地引脚是否接反。检测工具一般使用普通的万用表既可以检测电路是否短路，断路等等。
5.2软硬结合调试
本系统控制软件采用keil uVision5编程软件，计算语言为C语言，程序编译成功之后，把程序下载至单片中联合调试。该系统程序较复杂，在编程时要灵活运用模块编程、调用函数、函数嵌套调用等等方法简化程序，增加程序的移植行，便于发现问题和查找问题。特别在联调过程中，如果发现某个功能无法实现，模块编程法就发挥着巨大的作用。某个功能无法实现就可以从实现该功能的程序模块入手检测。然后一点的一点的调试，直到实现该功能为止。
函数都编写完毕之后点击变压，查看是否能生产hex文件，如果有编程错误，将根据提示一一把错误解决之后才能生产hex文件，接着利用单片机程序烧录软件（一般是串口调试助手）把hex文件烧录到单片机中，烧录软件的界面的截图如图23所示。

图23 STC-ISP下载程序软件
Hex文件烧录成功后，然后根据设计的功能，一步一步的演示，查看此时的编程功能是否和预期的结果是否一致，如果不一致，则仔细的分析每项功能出错在哪里，找准出错的步骤，重新调试程序，直到程序能满足设计所有功能。
5.3成品展示
本设计的实物图和实体接通电源图如图24 25所示。

图24 系统整体实物图 图25 实体接通电源图

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