基于51单片机的环境参数检测器的设计与实现

史东升 宗容

摘要：现在很多学科都对环境参数有特殊要求，比如在农业，制造业，汽车电子，生物技术等方，甚至在居家生活环境中都需要检测数据的环境参数。本设计为基于STC89C52单片机的环境参数检测器开发，接收端包括显示、按键、指示灯、无线通信、报警模块、主控制器。发送端包括土壤湿度检测、温湿度检测、光照检测、无线通信、显示模块。接收端和发送端的显示模块、无线模块、主控制器方案一致。发送端检测土壤湿度、温湿度、光照数据，将数据发送到接收端，接收端收到数据后，判断数据是否异常，控制指示灯和报警电路，接收端可以通过按键设置系统数据的报警值，后用USB串口采集，在PC端显示。

关键词：环境参数检测器设计；51单片机；参数控制

1 引言

在二十一世纪的今天，环境数据被人们广泛应用，由其在农业领域。在农业中作物生长环境的好坏决定着作物的生长，所以对于土壤以及周围环境的检测有着重要意义。

干湿球湿度计早在18世纪就被发明用来检测空气湿度，但是，但干湿球温度计的准确度取决于干湿球的两个温度计的准确度，且干湿球湿度计的准确度只有5%一7%RH，而电子式湿度传感器近年来，国内外在温湿度传感器研发领域取得了巨大进步。温湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展[1]。

虽然电子式温湿度计，电子式照度计已成市场主流，但由于其内部的传感器不同，其价格，性能参差不其，价格总地偏高且只检测一或二个参数，极少有商家把这四个参数同时检测，本设计以单片机为控制核心，不但降低了产品价格，体格，还减少了检测时间，人工费用，可以说是一举四得，所以本检测器的设计与实现是十分有用的。

2.系统的设计与实现

2.1系统方案

设计分为接收端、发送端。接收端包括显示、按键、指示灯、无线接收、报警模块、主控制器。发送端包括土壤湿度检测、温湿度检测、光照检测、无线发送、显示模块。接收端和发送端的显示模块、无线模块、主控制器方案一致。发送端检测土壤湿度、温湿度、光照数据，将数据发送到接收端，接收端收到数据后，判断数据是否异常，控制指示灯和报警电路，接收端可以通过按键设置检测数据的报警值。

2.2 接收端（发送端）主控制器方案

单片机是系统设计中最为重要的方案之一，所以系统使用STC89C52处理器。这款MCU设计了高集成化的存储时间很长的单片机设计方式去制造，此处理器可以使用MCS-51指令操作，并且在硬件接口上都是通用的。此MCU在功耗方面表现非常优秀，功耗很小，设计中使用的是CMOS的处理器，此处理器是8BIT的，MCU中具有8K比特的存储空间，此存储空间可以进行读写操作，读写次数高达上十万次，完全满足开发需要。STC家族的MCU在工厂制造出厂会对其进行加密设计，外接的任何技术手法都不会对STC家族的MCU完成解密工作，此处理器的运行速度非常快，处理器的最高速度能够上升到420兆赫兹，处理器在很多复杂环境下都可以正常运行，稳定性非常优秀，最为需要关注的一点是，该处理器的成本可观，价格很低，在电子市场中随处可见[2]。

2.3 接收端（发送端）显示方案

选用液晶LCD1602显示系统数据。液晶显示原理是以点阵设计的，通过点亮每一个点阵组成要显示的字符，为了方便使用，液晶都有自己的显示数据库，在软件上可以通过显示函数直接进行控制，有了显示数据库就方便很多了，液晶显示数据的范围很宽，可以显示很多字符串数据，液晶显示背光还调节，显示上更加美观。

2.4 接收端（发送端）无线方案

无线传输方案选择nRF24L01。此无线传输模块需要通过单片机的串口进行数据传输，开发简单。可以实现无线数据交互传输方案，在电子产品、汽车行业、电子农业等行业对于无线功能的使用有很多。此款产品就是一种具有无线传输功能的设计，此产品更改更新换代，已经越来越强大，运行非常稳定，无线传输距离很远，功耗小，消费成本低，在奥卡福设计上也很简单，生活中很多设计中都有无线传输功能的身影。

2.5 接收端（发送端）无线方案

系统需要进行报警设计，蜂鸣器可以发出响亮的蜂鸣声，所以选择蜂鸣器。系统在需要进行报警的时候，可以控制蜂鸣器蜂鸣。蜂鸣器的声调也可以进行控制，通过软件代码既可以完成。

2.6发送端温湿度检测方案

温湿度采集选用DHT11進行采集，此产品内部具有自动校准的功能。产品的采集方法就是数字式采集设计，此采集方案执行可靠、采集的数据精度高，而且产品的寿命长。产品带有电阻式实物采集技术，这种技术在和处理器进行结合设计时非常简单、方便。产品在使用前一定要在规定的环境中进行校准，这样才可以使用。此产品通过一条数据线就可以完成采集数据的传输，产品集成度很高，设计非常小巧[3]。

2.7发送端光照检测方案

光照检测方案选用TSL2561，此产品可以将光照数据转换为电信号，产品设计的通信接口是IIC，内部都设计有一个光敏二极管以及一个带有CMOS电路的光敏二极管，此集成电路可以给出20位宽的光响应的功能。数字信号就可以直接输入到处理器，处理器对其进行计算处理，获得光照数据，对光照完成采集，得到最终的光强数据。

2.8发送端土壤湿度检测方案

选择土壤湿度检测器件，由于土壤湿度检测的器件输出的数据是模拟信号，单片机不能直接识别模拟信号，因此必须通过模数转换。模数转换模块选用的是ADC0832，此产品的使用率非常高。土壤传感器检测到的数据是模拟数据，必须利用ADC0832转换为数字量后，单片机才能进行处理。利用ADC0832处理后就能够获取到所有湿度情况下的数据。

2.9 系统实现

此项目所有软件设计主要涵盖：系统通过无线模块发送土壤湿度、温湿度、光照强度数据，将所有数据显示在液晶屏上。STC处理器的开发工具是Keil，通过Keil进行软件代码编写，并进行编译，生成HEX文件，HEX文件是最终处理器需要的文件，将此文件烧录到处理器中，处理器就会按照软件运行起来。Keil还可以进行在线仿真，对代码进行逻辑性的验证，在烧录到处理器前进行初步的验证。在进行单片机系统开发的时候必然涉及到相关的硬件和软件，我们可以通过KeiluVision工具来对其进行调试。通过其所提供的工具来进行编码、翻译、编写以及调试等，最终完成对整个系统的调试。

3总结与展望

本文设计的环境参数检测器系统基本上实现了需求的功能。整个方案设计中，需要了解系统的功能需要，对于方案的选择要从器件的利用率、器件成本、应用场合等方面考虑，选择合适的，不是选择高端的。硬件电路设计中，电路一定要进行多次验证，只有硬件电路设计正确，才不会影响到后续软件程序的编写，电路的设计布局要结合实际使用情况，方便安装、方便调试等方面进行设计，器件布局要考虑离本功能越近越好，便于信号接收，信号处理。

综上所述，本文设计的系统具有成本低，使用效果较好的优势，但存在着精度方面欠缺的问题，这在后续的工作中将进行进一步的研究与改进。

参考文献：

[1]陈权昌，李兴富.单片机原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，2007.84-102.

[2]杨志忠.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2003.125-132.

[3]徐江海.单片机实用教程[M].北京：机械工业出版社，2006.128-156.