基于单片机的土壤温湿度控制系统设计

李鹏

（贵州电子信息职业技术学院，贵州凯里，556000）

0 引言

农业生产中，土壤温湿度是直接影响植物生长的关键因素，在土壤中各类的微生物和各种化学成分都受到土壤温湿度的影响。如果使用人力对土壤的水分含量和土壤温度进行检测，会耗费大量的人力物力，且检测的数据不具备时效性，因此需要利用更高效的办法实现土壤情况的是实时监测。

随着传感器的不断发展和应用，当前，传感器的综合性能和智能化程度非常高，应用领域很广泛，技术已经相当成熟。所以，本本就利用单片机与传感器技术，设计一款基于单片机的土壤温湿度检测系统，来提高农业生产效率和节约生产成本。

1 系统方案设计

本系统采用STC89C51RC单片机，此装置需要两块控制芯片进行整体系统的设计，系统的主要设计包括两个部分：发射装置和接收装置。发射装置主要由一块STC89C51RC单片机、DHT11温湿度传感器、NRF24L01无线模块构成；接收装置主要由另一块STC89C51RC单片机、1602液晶屏、蜂鸣器报警模块和NRF24L01无线收发模块构成。

发射装置和接收装置的具体工作过程：首先是给装置进行供电，启动发射装置和接收装置，然后，发射装置和接收装置分别进行初始化操作，发射装置主控中心发出控制信号，DHT11温湿度传感器接收到控制信号后开始工作，实现土壤温湿度的采集，将采集的信号反馈给发射装置主控中心，主控中心利用NRF24L01无线模块进行采集信号的传输，将信号传输给接收装置的NRF24L01无线模块，接收装置接收的信号反馈给主控中心，最后接收装置将接收的信号进行显示，如果超出设定的温湿度范围，报警信号进行相应的报警。其系统原理图如图1所示。

图1 土壤温湿度监测装置系统原理图

2 系统硬件设计

■2.1 发射装置和接收装置主控制模块

本设计使用的主控芯片为STC89C51RC，发射和接收都采用此芯片，最小系统的设计主要包括：芯片的供电、复位按键、系统的晶振和外围电路的设计。

图2 主控制芯片最小系统设计原理图

本设计的主控芯片选取的是STC89C51RC，其相应的芯片引脚图如图3所示。

图3中芯片的内核是采取的8051为中心，对其进行相应的外接晶振可以实现最高能够达到80MHz的工作频率，在控制中心的片内具有4K的电可擦除的只读存储器，其处理数据的位数为八位，而且可编程。

■2.2 温湿度检测模块设计

本设计的温湿度检测模块设计是采用温湿度检测一体化的芯片DHT11传感器。该传感器的温度、湿度测量范围比较广，温度的测量范围为0-50℃，湿度量程为20-90%RH。在测量外界温湿度时，该传感器不需要其他的外围器件即可完成相应的工作。在进行信号传输时，能够实现长距离的信号传输，功耗也非常的低。

图3 STC89C51RC引脚功能图

■2.3 无线收发模块

本设计无线收发模块选用的是nRF24L01。此芯片的体积非常小，工作电压范围宽，能最大承受5V电压；工作频率范围是：2.4GHz-2.525GHz，可通过不同的发射功率决定发射的距离；数据传输速度为1Mbps或者2Nbps；芯片内部具有多个通讯通道和六个数据通道，能够实现多点通讯和调频。

对于此芯片中CSN为芯片的片选端口，控制芯片是否工作，在此引脚为低电平时芯片能够正常工作；SCK为芯片的时钟控制线；MISO和MOSI为芯片数据控制线；IRQ为相应的中断信号，在进行相应的无线通信时主控芯片通过此管脚进行实时通信；CE为芯片工作模式的选择端，此端口在片选端口工作的情况下两个端口共同决定了芯片的工作状态。

■2.4 液晶显示模块

本设计的显示模块选取1602液晶屏幕，此款显示装置是为工业字符型的液晶显示，在屏幕中最多能够显示32个字符。

这款液晶显示屏幕功耗低，而且其体积相对比较小，显示的内容比较丰富。电路连接图如图4所示。

■2.5 报警模块

本设计选用蜂鸣器进行报警模块设计，其设计电路如图5所示。

图4 1602电路连接图

图5 报警电路设计原理图

■2.6 温湿度设定模块

本设计能够对温湿度报警范围进行设定。对于温湿度的设定只需要使用三个按键即可完成相应的操作。电路图如图6所示。

图6 温湿度报警范围设定

3 系统软件设计

本设计使用Keil4软件进行C语言程序的开发。此软件能够实现软件语言的编程和下载文件的生产，通过相应控制算法进行编程从而实现整体系统的设计。

土壤温湿度监测控制系统的工作流程图如图7所示。

具体的流程为：首先，给系统上电，给系统正常的供电电压，上电后单片机可以实现相应的初始化工作；然后，由接收装置端通过按键输入进行温湿度值的范围，设置好温湿度的范围后，通过无线模块进行接收装置和发射装置的通信，发射装置控制温湿度传感器实现土壤温湿度值的采集，将采集的结果反馈给发射装置控制中心，经过发射装置进行转换后通过无线装置将数据传输给接收装置，接收装置接收到相应的信号后对接受的数据进行相应的判断，判断是否在设定的温湿度范围内，如果在设定的范围内，系统进行接收发射装置的数据，如果接收到的数据超出了设定的范围，则进行报警，再由具体的操作人员进行相应的处理。

图7 系统工作流程图

4 结论

本设计利用STC89C51RC为控制核心设计了土壤温湿度监测系统。此系统主要由两个部分组成：发射装置和接收装置，发射和接收装置的主控中心采用STC89C51RC进行控制，数据收发模块采用nRF24L01无线模块下实现发射装置和接收装置间的通信，在接收端采用按键来实现温湿度检测范围的设置，并通过液晶显示模块LCD1602进行温湿度的实时显示，并利用蜂鸣器实现温湿度异常的报警工作。在发射装置端，采用DHT11温湿度传感器实现系统温湿度的检测，通过nRF24L01实现采集数据的传输。并利用Keil软件实现单片机的编程操作，并实现了相应的功能，对本设计使用的电子元器件进行相应的设计安装调试，实现了相应土壤温湿度检测的功能。

本设计通过设计电路和软件程序基本实现了土壤温湿度监测的功能，通过本设计的实践，使本人对于电子电路设计和软件程序的编写有了更加深入的了解和认识，能够利用相应的单片机进行相关电路的开发，充分掌握了电子电路设计的相应规则，使本人能够更加熟练使用智能控制系统。