基于單片機的土壤溫濕度控制系統設計

李鵬

（貴州電子信息職業技術學院，貴州凱里，556000）

0 引言

農業生產中，土壤溫濕度是直接影響植物生長的關鍵因素，在土壤中各類的微生物和各種化學成分都受到土壤溫濕度的影響。如果使用人力對土壤的水分含量和土壤溫度進行檢測，會耗費大量的人力物力，且檢測的數據不具備時效性，因此需要利用更高效的辦法實現土壤情況的是實時監測。

隨著傳感器的不斷發展和應用，當前，傳感器的綜合性能和智能化程度非常高，應用領域很廣泛，技術已經相當成熟。所以，本本就利用單片機與傳感器技術，設計一款基于單片機的土壤溫濕度檢測系統，來提高農業生產效率和節約生產成本。

1 系統方案設計

本系統采用STC89C51RC單片機，此裝置需要兩塊控制芯片進行整體系統的設計，系統的主要設計包括兩個部分：發射裝置和接收裝置。發射裝置主要由一塊STC89C51RC單片機、DHT11溫濕度傳感器、NRF24L01無線模塊構成；接收裝置主要由另一塊STC89C51RC單片機、1602液晶屏、蜂鳴器報警模塊和NRF24L01無線收發模塊構成。

發射裝置和接收裝置的具體工作過程：首先是給裝置進行供電，啟動發射裝置和接收裝置，然后，發射裝置和接收裝置分別進行初始化操作，發射裝置主控中心發出控制信號，DHT11溫濕度傳感器接收到控制信號后開始工作，實現土壤溫濕度的采集，將采集的信號反饋給發射裝置主控中心，主控中心利用NRF24L01無線模塊進行采集信號的傳輸，將信號傳輸給接收裝置的NRF24L01無線模塊，接收裝置接收的信號反饋給主控中心，最后接收裝置將接收的信號進行顯示，如果超出設定的溫濕度范圍，報警信號進行相應的報警。其系統原理圖如圖1所示。

圖1 土壤溫濕度監測裝置系統原理圖

2 系統硬件設計

■2.1 發射裝置和接收裝置主控制模塊

本設計使用的主控芯片為STC89C51RC，發射和接收都采用此芯片，最小系統的設計主要包括：芯片的供電、復位按鍵、系統的晶振和外圍電路的設計。

圖2 主控制芯片最小系統設計原理圖

本設計的主控芯片選取的是STC89C51RC，其相應的芯片引腳圖如圖3所示。

圖3中芯片的內核是采取的8051為中心，對其進行相應的外接晶振可以實現最高能夠達到80MHz的工作頻率，在控制中心的片內具有4K的電可擦除的只讀存儲器，其處理數據的位數為八位，而且可編程。

■2.2 溫濕度檢測模塊設計

本設計的溫濕度檢測模塊設計是采用溫濕度檢測一體化的芯片DHT11傳感器。該傳感器的溫度、濕度測量范圍比較廣，溫度的測量范圍為0-50℃，濕度量程為20-90%RH。在測量外界溫濕度時，該傳感器不需要其他的外圍器件即可完成相應的工作。在進行信號傳輸時，能夠實現長距離的信號傳輸，功耗也非常的低。

圖3 STC89C51RC引腳功能圖

■2.3 無線收發模塊

本設計無線收發模塊選用的是nRF24L01。此芯片的體積非常小，工作電壓范圍寬，能最大承受5V電壓；工作頻率范圍是：2.4GHz-2.525GHz，可通過不同的發射功率決定發射的距離；數據傳輸速度為1Mbps或者2Nbps；芯片內部具有多個通訊通道和六個數據通道，能夠實現多點通訊和調頻。

對于此芯片中CSN為芯片的片選端口，控制芯片是否工作，在此引腳為低電平時芯片能夠正常工作；SCK為芯片的時鐘控制線；MISO和MOSI為芯片數據控制線；IRQ為相應的中斷信號，在進行相應的無線通信時主控芯片通過此管腳進行實時通信；CE為芯片工作模式的選擇端，此端口在片選端口工作的情況下兩個端口共同決定了芯片的工作狀態。

■2.4 液晶顯示模塊

本設計的顯示模塊選取1602液晶屏幕，此款顯示裝置是為工業字符型的液晶顯示，在屏幕中最多能夠顯示32個字符。

這款液晶顯示屏幕功耗低，而且其體積相對比較小，顯示的內容比較豐富。電路連接圖如圖4所示。

■2.5 報警模塊

本設計選用蜂鳴器進行報警模塊設計，其設計電路如圖5所示。

圖4 1602電路連接圖

圖5 報警電路設計原理圖

■2.6 溫濕度設定模塊

本設計能夠對溫濕度報警范圍進行設定。對于溫濕度的設定只需要使用三個按鍵即可完成相應的操作。電路圖如圖6所示。

圖6 溫濕度報警范圍設定

3 系統軟件設計

本設計使用Keil4軟件進行C語言程序的開發。此軟件能夠實現軟件語言的編程和下載文件的生產，通過相應控制算法進行編程從而實現整體系統的設計。

土壤溫濕度監測控制系統的工作流程圖如圖7所示。

具體的流程為：首先，給系統上電，給系統正常的供電電壓，上電后單片機可以實現相應的初始化工作；然后，由接收裝置端通過按鍵輸入進行溫濕度值的范圍，設置好溫濕度的范圍后，通過無線模塊進行接收裝置和發射裝置的通信，發射裝置控制溫濕度傳感器實現土壤溫濕度值的采集，將采集的結果反饋給發射裝置控制中心，經過發射裝置進行轉換后通過無線裝置將數據傳輸給接收裝置，接收裝置接收到相應的信號后對接受的數據進行相應的判斷，判斷是否在設定的溫濕度范圍內，如果在設定的范圍內，系統進行接收發射裝置的數據，如果接收到的數據超出了設定的范圍，則進行報警，再由具體的操作人員進行相應的處理。

圖7 系統工作流程圖

4 結論

本設計利用STC89C51RC為控制核心設計了土壤溫濕度監測系統。此系統主要由兩個部分組成：發射裝置和接收裝置，發射和接收裝置的主控中心采用STC89C51RC進行控制，數據收發模塊采用nRF24L01無線模塊下實現發射裝置和接收裝置間的通信，在接收端采用按鍵來實現溫濕度檢測范圍的設置，并通過液晶顯示模塊LCD1602進行溫濕度的實時顯示，并利用蜂鳴器實現溫濕度異常的報警工作。在發射裝置端，采用DHT11溫濕度傳感器實現系統溫濕度的檢測，通過nRF24L01實現采集數據的傳輸。并利用Keil軟件實現單片機的編程操作，并實現了相應的功能，對本設計使用的電子元器件進行相應的設計安裝調試，實現了相應土壤溫濕度檢測的功能。

本設計通過設計電路和軟件程序基本實現了土壤溫濕度監測的功能，通過本設計的實踐，使本人對于電子電路設計和軟件程序的編寫有了更加深入的了解和認識，能夠利用相應的單片機進行相關電路的開發，充分掌握了電子電路設計的相應規則，使本人能夠更加熟練使用智能控制系統。