基于单片机的农业大棚环境监测系统设计

题 目 基于单片机的农业大棚环境监测系统设计 学生姓名 王 鹏 学号 1213024035 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1202 班 指导教师 刘 亚 锋 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室

2016 年 6 月 5日

陕西理工学院本科毕业设计任务书

院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程(通信1202) 学生姓名 王鹏 一、毕业设计题目 基于单片机的农业大棚环境监测系统设计 二、毕业设计工作自 2015 年 12 月 22 日 起至 2016 年 6 月 18 日止 三、毕业设计进行地点: 通信工程实验室A-1103 四、毕业设计应完成内容及相关要求：

温度、湿度以及光照等环境参数的测量和控制在日常生活和农业领域中具有广泛的应用。随着生活水平的大幅提高，人们对大棚蔬菜提出了更高的要求, 大棚中农作物在生长过程中，温湿度及光照对其影响较大。传统测试方法费时费力、效率低，且有时需要不间断监控，以达到实时监测的目的。针对以上问题，本设计是基于单片机的环境监测系统，该系统可实现温度、湿度及光照的实时

测量，通过需要设置测量参数的范围，超出设定范围可发出警报提醒外界进行干预控制。 五、毕业设计应收集资料及参考文献：

1、应收集与课题相关文献12篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为2010年至2016年； 2、除了文献之外，所参考的书目不能超过3篇；

3、所有的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导教师。 六、毕业设计的进度安排：

1、必须查阅大量资料（包括一定数量的外文资料），了解课题的研究背景、意义，熟悉设计中要用到的相关电路知识；完成开题报告；并完成一篇外文文献的全文翻译工作；（1月1日－3月18日） 2、进行系统的概要设计；（3月19日－4月10日） 3、熟悉设计软件，并提交中期报告；（4月10日－4月20日） 4、系统的设计与实现；准备作品的验收；完成论文第一稿；（4月21日－5月10日） 5、根据要求对对论文及作品进行完善，完成论文第二稿；（5月11日－5月20日） 6、制作答辩PPT，准备答辩材料，准备答辩，并完成后续工作；（5月21日－6月10日） 7、必须定期与指导老师见面，汇报进展情况，按时完成论文的撰写工作。 指导教师签名 刘 亚 锋 专业负责人签名 王 战 备 学院领导签名 熊 晓 军 批准日期 2016-01-10

基于单片机的农业大棚环境监测系统设计

王鹏

（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业1202班，陕西 汉中 723000）

指导教师：刘亚锋

[摘要] 温度、湿度和人类的生产有着密切的关系，同时也是农业生产中不可或缺的参数。随着科学技术的发

展，温室大棚的应用越来越广泛，为人们创造了更高的经济效益。本文阐述了一种基于单片机的温室大棚的环境监测系统的设计过程。该系统主要由单片机STC89C52、温湿度传感器DHT11、液晶显示LCD1602和光敏电阻等组成，实现了实时采集温湿度信息、温控报警等功能，具有精度高、功能强、体积小、简单灵活等优点，很好的满足了农业大棚环境监测要求。

[关键词] 农业大棚；环境监测；单片机； DHT11；LCD1602

The design of a gricultural greenhouse environmental

monitoring system based on MCU

WANG Peng

(Grade 12 Class 02,Major in Communication Engineering, School of Physics and Telecommunication

Engineering, Shannxi University of Technology, HanZhong 723000, Shannxi)

Tutor: LIU Yafeng

Abstract: Temperature, humidity, and human production is closely related, but also an integral part of agricultural

production parameters. With the development of science and technology, greenhouses used more widely for people to create a higher economic efficiency. This paper describes the design of a process SCM greenhouse environmental monitoring system is based. The system consists of microcontroller STC89C52, temperature and humidity sensors DHT11, LCD LCD1602 and photosensitive resistance, etc., to achieve a real-time acquisition of temperature and humidity information, temperature alarm and other functions, with high precision, powerful, small, simple and flexible, etc., good to meet the agricultural greenhouse environmental monitoring requirements.

Key words: Agricultural greenhouses; environmental monitoring; MCU; DHT11; LCD1602

目 录

引言 ............................................................................................................................................................. 1 1 方案论证及器件选择 ............................................................................................................... 3

1.1 方案论证................................................................................................................................. 3 1.2 主要元器件选择 ................................................................................................................. 4

1.2.1 单片机选型 .............................................................................................................. 4 1.2.2 传感器选择 .............................................................................................................. 4 1.2.3 显示器选择 .............................................................................................................. 4

2 系统硬件设计................................................................................................................................. 5

2.1 主控模块................................................................................................................................. 5

2.1.1 STC89C52 ................................................................................................................... 5 2.1.2主控模块电路 .......................................................................................................... 7 2.2 DHT11传感器模块 ............................................................................................................. 7

2.2.1 DHT11传感器 .......................................................................................................... 7 2.2.2 DHT11传感器模块电路 ................................................................................... 10 2.3 光传感器模块 .................................................................................................................... 10 2.4 1602液晶显示模块 ........................................................................................................ 11

2.4.1 1602液晶显示屏 ................................................................................................ 11 2.4.2 1602液晶显示模块电路 ................................................................................ 12 2.5 报警模块............................................................................................................................... 12

2.5.1 蜂鸣器 ....................................................................................................................... 12 2.5.2 三极管8550 ........................................................................................................... 13

3 系统的软件设计 ......................................................................................................................... 14

3.1 传感器模块设计 ............................................................................................................... 14 3.2 1602液晶显示模块设计 ............................................................................................. 15 3.3 软件调试............................................................................................................................... 16

4 系统的焊接与测试 ................................................................................................................... 17

4.1 系统硬件电路焊接 ......................................................................................................... 17 4.2 系统硬件电路调试 ......................................................................................................... 17 4.3 系统硬件电路结果分析 ............................................................................................... 17

结束语 ..................................................................................................................................................... 19 致谢 ........................................................................................................................................................... 20 附录A 英文文献原文 .................................................................................................................. 22 附录B 英文文献译文 .................................................................................................................. 29 附录C 源程序 ................................................................................................................................... 35 附录D 原理图 ................................................................................................................................... 44 附录E 元器件清单 ....................................................................................................................... 45

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引言

(1) 课题研究的背景

温室对于如今的生产生活的影响越来越大，利用温室技术的研究来提升生产效率，为植物提供适宜的环境。随着改革开放，特别是90年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主的植物栽培，在大江南北遍地开花，政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是21世纪最具活力的新产业之一。温室环境是一种更加利于植物生长，避免环境影

[2]

响其生长发育。在大棚里可以种植反季节作物，提高农业效率以及经济效益。国外在20世纪70年代就开始对温室大棚技术进行了研究，采用模拟式显示组合仪表，将采集的信息经过处理然后发出指令进行控制和记录。分布式控制系统在80年代出现，经过人们的不断研究，以及对温室控制技术迅速的发展，现在部分国家已经实现了自动化控制并向更先进、更自动化的方向发展。

在我国北方冬季寒冷而漫长，利用温室大棚种植蔬菜能更快的提高人民生活水平。温室大棚管理主要的因素是温度、湿度及光照的控制。温度管理一般把一天分为中午前、中午后、前半夜和后半夜四个时段来进行温度调控。中午之前是促进光合作用的最佳时间，增加有机物的累积为主，将棚温保持在25-30℃最为适宜。中午过后光合作用慢慢下降，温度要比中午之前降低3-8℃，适宜温度在22℃左右，避免养分过多的消耗，而降低了有机物的累积。天黑之后四小时内，温室的温度需降到12-18℃，以促进植物对有机物的累积。之后继续降温3℃左右，不可降得过低，这样容易导致

[2]

植物产生低温危害。阴雨天光照缺乏，光合作用进行缓慢，需降低温度5℃左右，以减少呼吸消耗。现在单片机发展迅速，通过单片机对环境进行监控日益广泛，其小体积、多功能、高性价比等。运用在自动监控系统中减少人们的劳动，提高生产效率。

(2) 温室研究现状

国外温室控制技术以美国最为先进，主要是因为其计算机的发展非常迅速，这也使得以计算机为主的温室环境控制技术迅速发展。温室大棚内控制包括室内温度、土壤温度、相对空气湿度、通风口状况、保温幕状况、pH调节、CO2浓度；室外控制包括光照强度、相对空气湿度、大气温度、风

[3]

向风速等。温室系统的应用为农业生产发展提供了很大的帮助，提高了工作效率，减少劳动量，收获了更多更好的农产品。荷兰从上个世纪八十年代就开始温室计算机自动控制系统的开发，并不断地研究模拟控制软件。并通过交互式界面显示必要的信息，设置参数并绘制曲线，修正值曲线和测量数据曲线可以从设定的时间数据库中调用。其方便的方式可以直接查询数据计算机的串行端口和完成上位机和下位机之间的信息交流。实现参数设置、信息显示和控制等功能，同时还能够进行数据调整，完成温室环境监控。

国内外温室控制技术的发展史可以分为三个发展阶段：

手动控制：在温室控制技术前期被广泛采用，其并没有真正意义的控制体系。种植者不仅要充当温室环境的传感器，又要充当温室作物管理的执行。温室种植户相当于环境控制核心。通过对气候条件和作物生长状况的观察，利用以往经验和直觉进行推测和判断，以手动方动式来调节温室环境，这样对作物状况的反应是最直接、最快速、最有效的方式。但这种控制方式局限性太大，不适合工业化农业生产的需要。

自动控制：此控制系统必须先输入植物所需的生长目标参数值，经计算机将实际测量的数值和预先设定的目标值进行比较，利用判断后的结果来调控温室环境因子，以控制相应的操作通风、制冷和加热等。计算机温室自动控制技术实现自动化生产，劳动生产率的提高，适合于大规模生产。温室环境设置改变目标值可以在温室环境内进行自动调整，此方法的缺点是改变作物生产响应的状态不及时，很难实现作物生长的最佳环境。

智能化控制：利用温度自动控制技术和生产实践为基础，经过总结，收集农业领域积累的知识、经验和数据，从而建立植物生长数学模型，实现各类植物生长的不同需求。从手动到全自动控制技术，控制温室生产过程向着更先进、更全面的方向发展。未来的温室环境控制，势必以植物生长模型、温室农业专家系统的自动信息采集、温室综合环境因素分析模型和智能控制为基础向着全自动化方向发展。

(3) 课题设计思路

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首先明确设计思路，通过查阅资料了解相关的设计方法以及主要的设计原理等，然后着手进行设计，搭建一个大体的设计框图，再根据设计要求完成相应的补充设计。热电偶形式是通过加热湿度传感器，该A/D变换器将单片机不能测量的温度和湿度信号转换成电信号从而实现测量，将湿度、温度值显示在液晶显示器，将温度、湿度传感器的温度和湿度信号转换成模拟电压信号，然后通过低通滤波器滤除干扰信号送入单片机，再经过单片机的采样，进一步提高测量精度，经过数字滤波单片机后将取样的温度信息与设定值进行比较，如果不匹配，利用控制触发音量控制量的PID控制方法调整程序，并通过设计控制程序执行，以LCD显示屏显示最终结果。

电路总体上分为采集模块、核心处理模块、报警模块和显示模块。STC89C52单片机为核心用于

[4]

控制电路、DHT11传感器、光敏电阻的采集转换、1602液晶屏的显示以及蜂鸣器的报警。具体显示的内容方式由软件来完成。温湿度传感器，不选择单独的器件，而是采用DHT11数字温湿度一体传感器进行温湿度的测量，一方面在简化设计流程的同时增加了系统的稳定性，另一方面是降低了设计的成本消耗。1602LCD液晶显示屏，能够实时、准确的显示采集温度值、湿度值及光照强度值，而且成本较低。并设计了三个输入按键能够根据环境在不同时间段内对温度、湿度及光照强度的不同要求，用户可人为的更改温度、湿度和光照强度上下限值，以满足用户在使用中的不同需求。当在使用中环境超出任意上下限值，经主控模块处理采集的温度值、湿度值及光照强度值与其标准值

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进行对比，如判断越线则及时的启动报警装置，蜂鸣器发出滴滴滴的报警声。

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1 方案论证及器件选择

1.1 方案论证

方案一：采用可编程逻辑器件设计 采用可编程逻辑器件设计，利用数字电路各功能模块相组合起来以达到其功能，可以利用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。结构设计比较清晰，各个模块从硬件上设计起来相对简单，比较方便的控制与显示模块间的连接。设计框图如图1.1所示。

数据显示模块PLD数据接收模块数据PLD数据采集模块按键温湿度传感器 图1.1 系统设计框图

方案二：基于单片机的设计

以单片机STC为控制核心，采用温湿度传感器和光敏电阻作为测量元件，构成智能温度、湿度

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和光照强度的测量系统。可分为温度、湿度测量电路、光照强度测量电路、主控电路、报警电路和显示电路。主器件：温湿度传感器DHT11、光敏电阻、单片机STC89C52、1602LCD显示器、LED灯和蜂鸣器。设计框图如图1.2 所示。

DHT11传感器模块1602显示模块STC89C52主控 模块报警模块光传感器模块 图1.2 系统总体设计框图

在方案设计中，遵循简洁至上的原则，因此所有的外围模块采用串行方式和微处理器模块链接。以STC89C52单片机为控制核心，控制温度、湿度和光照强度采集以及显示器的显示等功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传感器采集、单片机控制、1602液晶显示和蜂鸣器报警四大部分。

方案二可以利用单片机内部的控制只读存储器、随机存储器和其丰富的引脚资源，外接键盘输入，液晶显示器等实现数据的传输处理和显示功能。单片机可扩展性强、体积小、实用性强、功能齐全；设计起来也比较简单，硬件更加容易实现。方案一的好处是设计较为简单，但是如果结合本设计的特点，EDA在功能扩展上会受到约束，而且这样设计的电路有些繁杂，焊接的过程也比较复杂，成本较高，操作困难，因此不予采纳。经过综合分析，本次设计采用方案二。

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1.2 主要元器件选择 1.2.1 单片机选型

方案一：AT89C51是低电压，高性能的CMOS型8位微控制器，该设备采用MCS-51指令，片内通用的8位中央处理器和闪存单元，功能强劲，采用FLASH技术4K程序存储器，对设备开发要求低，从而缩短了开发周期。 AT89C51可构成最小的应用系统，缩小系统体积、提高系统可靠性、降低系统成本。只要程序长度小于4K，四个I/O端口提供给所有用户。提供5V的电压编程和擦除时间只需10毫秒。AT89C51芯片提供三个级别的程序存储器的加密，并提供了方便、灵活、可靠的硬件加密，可以保证程序或系统不被仿制。

方案二：STC89C52单片机和AT89C51系列的完全兼容，实际操作起来也方便很多。而AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口进行下载，下载软件可以到STC厂家网站下载。STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3~30倍，尽管达到了高速，但AT上的程序在STC上不一定好用，比如那些对时序有严格要求的模块。STC对工作环境的要求也比较低，3V~4V之间还可以正常工作，所以选用STC单片机会更合适。

经过比较两种方案，以及在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，最终选择用STC系列芯片。

1.2.2 传感器选择

方案一：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块，HS1101湿度传感器作为湿度采集模块。DS18B20是数字温度传感器，单线式接口方式，测量范围-10℃~85℃，误差范围±0.5℃，最高精度达0.0625℃。HS1101测量的相对湿度范围在0%~100%RH，误差±2%RH。

方案二：选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是集成型的一体数字温湿度传感器。DHT11采用数字温湿度传感技术，具有高可靠性和稳定性。传感器由电阻式测湿元件和NTC测温元件组成与单片机连接。产品具有品质高、响应快、抗干扰能力强等优点。测量范围湿度20%~90%RH，温度0℃~50℃。测温精度为±2℃，测湿精度为±5%RH。

通过以上分析，方案一虽然精度高，却稍显复杂。方案二即便不能实现方案一的高精度测量，却也能满足设计要求。且简便易行，可靠稳定，具有超高的性价比。故选择方案二。

光传感器方面则选择常用的光敏电阻。 1.2.3 显示器选择

方案一：LCD12864液晶显示屏，能够显示汉字和图形，是128×64点阵的汉字图形型液晶显示器，内置8192个中文汉字、显示RAM和128个字符，以8位并串行两种方式与微处理器直接连接。

方案二：采用HJ1602液晶显示屏。HJ1602是一种工业字符型液晶显示屏，能够同时显示16列2行。仅能显示字母、数字和符号，但寄存器不止32个。有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示。

在编程使用原理、写指令和写地址等都基本相同。当然12864液晶屏显示更全面，字符更多。相比于1602液晶屏，12864能更形象具体的实现显示功能。不过此次设计1602液晶屏也能够完全胜任，其显示简洁实用，价格实惠。经过综合考虑，1602是最好的选择。

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图2.8 数字1信号表示图

2.2.2 DHT11传感器模块电路

根据传感器的通信协议，首先由单片机通过I/O口主动产生要求激发的信号，然后将数据线的控制权交给传感器，接着单片机通过while语句不间断地检查I/O口的高低电平，从而达到对时序的正确把握，解析出正确的传输数据。单片机P1.5口为数据口，连接传感器Pin2口。此次设计测量电路范围小于20米，采用 5K上拉电阻即可，传感器Pin2口和电源之间接5K上拉电阻，而传感器的Pin1和Pin4分别连接单片机的VCC和GND端，传感器的第三引脚悬空。DHT11原理图如图2.9所示。

VCCR125KIC10DATANCVDDGNDDHT112314VCCC9100nF

图2.9 DHT11电路原理图

2.3 光传感器模块

光敏电阻也被称为光敏电阻器或光管，常用硫化物等材料构成。生产的成品具有在特定波长的光照射下的变化特性。因光照导致的载流子参与导电，在所施加的电场漂移运动时，向正电源的是电子，向着负电源的是空穴，使得光敏电阻值迅速下降。光敏电阻是利用光电效应，光束影响其改变的半导体。入射光越强电阻越低，入射光较弱，阻值增大。

VCCP22VCC23光GR1敏电阻R12K48765CSCH0CH1GNDAD0832GNDVCCCLKDODIP20P21

图2.10 光敏传感模块电路图

光敏电阻

在安装所述电极引线的半导体光敏材料时，将其封闭在带中透明窗口的管壳里构成光敏电阻并能提高灵敏度，通常由两个梳形电极构成。一般使用涂覆、烧结和喷涂等方法在绝缘基板上制作薄梳状欧姆电极，然后引线、封装在具有透明镜的密封壳内，以免受潮影响其灵敏度。当没有入射光时，光子激发的电子空穴对将复合恢复到原来的值。

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半导体ADC0832由8位分辨率产生的，双通道A / D转换芯片，最高分辨率可达256，可以适合于一般模拟转换的要求，内部电源的电压输入和参考电压复用，使得芯片的模拟电压根据数据输出0?5V转换仅需32μS。芯片转换时间之间输入可以减少数据误差，增加转换速度及稳定性。独立的芯片使能输入，使多台设备连接和处理器的控制变得更加方便。 DI为数据输入端口，可以方便地实现通道功能。在正常情况下ADC0832与单片机的接口应该是图2.15所示的四个数据线，分别为CS，CLK，DO，DI。但是，DI 和DO端并不同时有效，该电路可合并在一条数据线上使用。当ADC0832的CS输入为高电平，则芯片被禁用，CLK和DO / DI电平可以是任意的。当您要执行A / D转换，CS必须首先启用低电平，并保持低电平直到转换彻底完成。 2.4 1602液晶显示模块 2.4.1 1602液晶显示屏

HJ1602A是字符型液晶显示器，能够同时显示16列2行内容，主要显示数字、字符。单片机中使用液晶显示屏作为输出器件的优点，接口简单可靠、操作方便、功耗低、重量轻以及画质高不闪烁等特点

1602字符型液晶显示器实物如图2.11所示，接口信号说明如表2.2。

图2.11 液晶屏 表2.2 各接口信号说明表

编号 1 2 3 4 5 6 7 8

符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1

引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压信号 数据/命令选择端口（H/L） 读/写选择端口（H/L）

使能信号 Data I/O Data I/O

编号 9 10 11 12 13 14 15 16

符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK

引脚说明 Data I/O Data I/O Data I/O Data I/O Data I/O Data I/O 背光源正极 背光源负极

RAM地址映射图：

LCD1602液晶显示模块内部字符发生器的内存已经存储了160个不同的点阵字符，这些字符有字母的大小写、阿拉伯数字、常用的符号等，都有固定的代码，比如大写字母“A”的代码是01000001B（41H），该模块将显示在地址41H点阵字符图形显示出来，从而可看到该字母。

LCD1602读写、屏幕和光标操作都是通过指令编程来实现的（0为低电平，1为高电平）。 指令1：清除显示：指令代码01H。

指令2：光标复位：光标返回到地址00H。

指令3：光标和显示模式设置 I/D：高电平光标右移，低电平光标左移 。

指令4：显示开关控制。B：低电平不闪烁，高电平闪烁。C：低电平表示无光标，高电平表示有光标。D：低电平表示关显示，高电平表示开显示。

指令5：光标或显示移位 S/C：低电平时移动光标 ，高电平时移动显示的文字。

指令6：功能设置命令DL：低电平为8位总线，高电平为4位总线。N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示。F：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。

指令7：字符发生器RAM地址设置。

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指令8：DDRAM地址设置。

指令9：读出忙信号和光标地址。BF为低电平表示不忙，模块就能接收相应的命令或者数据如果，为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据。

指令10：写数据。 指令11：读数据。

LCD显示模块是慢显示器件，所以在每一个指令执行必须确认模块的忙标志为低，表示现在不忙，否则命令将失败。先输入地址来显示字符，告诉模块在什么位置显示字符。1602 内部显示地址如图2.12所示。

图2.12 1602内部显示地址

在LCD模块的初始化首先应设置其显示模式，液晶显示模块是字符光标自动向右。每个输入命令之前，应确定LCD模块是否忙。 2.4.2 1602液晶显示模块电路

液晶的物理特性是其显示原理的基础，通过其显示区域的电压控制，就可以在通电的情况下显示字符。具有厚度薄，适合LSI直接驱动，现已被广泛应用于移动通信、便携式计算机、摄像机等众多领域。

图2.13 1602显示模块

2.5 报警模块 2.5.1 蜂鸣器

蜂鸣器在电路中使用字母“HA”或“H”表示。直流电源供电，广泛应用于报警器、打印机、定时器和计算机等。蜂鸣器可分为两种类型电磁蜂鸣器和压电蜂鸣器。

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图2.14 蜂鸣器实物图

结构原理：

电磁式蜂鸣器由电磁线圈、振荡器、磁铁、振动膜片和外壳等组成。

本设计使用的是电磁式蜂鸣器。在接通电源后，振荡器产生音频信号，电流通过电磁线圈，使得电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。

图2.15 报警模块电路图

2.5.2 三极管8550

三极管8550是低电压、大电流、小信号的PNP型硅三极管。常见的三极管有9012、s8550、9013、s8050。三极管主要是作为开关和放大电路。

图2.16 三极管引脚图

三极管的引脚如图2.16所示。从基极B到发射极E的电流被称为基极电流Ib，从集电极到发射极E中的电流被称为集电极电流Ic。这两个是流出的发射器的电流的方向时，发射极E可以通过电流方向箭头来表示。放大晶体管是基极电流控制的集电极电流以及基极电流小的变化会引起集电极电流的巨大变化，并且满足一定比例关系。

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3 系统的软件设计

本系统使用的是Keil 软件，它是C52系列兼容单片机C语言软件开发系统，能够应用通俗易懂的高级C语言对单片机进行软件开发。在写程序之前要对系统的硬件电路有足够的了解，各个接口，还有系统各个芯片以及模块的时序，在编程过程中都要完全遵守，那样才能使所预设的功能一一实现，达到最终的要求。

在对我们所要设计的课题有了整体的了解之后，需要先建立程序框架的流程图，其主流程图如图3.1所示。

开始初始化延时温湿度测量1602显示数据判断是否越限YN蜂鸣器铃响结束

图 3.1 主程序流程图

3.1 传感器模块设计

温湿度模块采用数字温湿度传感器DHT11。随着科技的不断发展，各种家用电器如空调、冰箱、加湿器等进入人们的日常生活，其中许多都与环境因素分不开。新一代数字式传感器不再需要外部连接AD转换模块，具有标准接口，易于使用，因此使用越来越广泛。 DHT11传感器模块的软件流程图如图3.2所示。

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DHT11子程序给DHT11上电延时保持高电平检测记录信号输出低电平数据输出返回

图3.2 DHT11传感器模块程序流程图

3.2 1602液晶显示模块设计

液晶显示模块在执行每条指令前必须确认模块不忙（标志为低电平），则指令失效，显示字符时先输入显示字符地址，通知模块在什么位置显示字符。子程序流程图如图3.3所示。

下面给出LCD1602初始化代码： void init_1602() //lcd1602初始化 { write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); delay_uint(1000); write_string(1,0,\ GX:00% \ write_string(2,0,\ W: S: %RH \ write_zifu(2,6,0xdf); //显示度 }

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1602子程序LCD初始化延时设第一行显示位置显示第一行内容设第二行显示位置显示第二行内容返回 图3.3 1602液晶显示模块流程图

3.3 软件调试

本设计是在Keil C环境下开发的，Keil C软件支持C语言的编程及调试，运用方便，是做C语言毕业设计者的首选。设计的首要任务是安装和学习使用这个软件，在简单的学习和了解Keil C后，我们便可在此环境下开始对温室环境的设计工作。在编译完Keil C后，再运用STC_ISP_V480软件烧录到开发板上，实现实物与程序的连接。在烧录前要对STC_ISP_V480进行一些必要的设置。第一步：设置MCU Type为STC89C52RC；第二步：打开编写好并编译的程序文件，它是以.hex为后缀的文件；第三步：选择对应的COM端口（可在我的电脑的设备管理处查看COM选项）；第四步：点击Download/下载，等待提示。给MCU上电时，打开开发板上的开关，它就自行烧录了。

在完成对程序的调试和烧录之后，还需要对其进行演示，把开发板与电脑连上，设置好对应的接口，完成供电及下载。开始供电后、稍等几秒等到1602液晶屏能正常显示当前温度、湿度及光照强度之后。观察当前温度、湿度及光照强度的变化。并针对与设定的限值相比较。若当前温度没有超过限值。可以用热源靠近DHT11传感器，令其周围温度上升超限；对DHT11传感器哈气，令其相对湿度超限；用手电筒照射光敏电阻，令其光照强度值超限。观测是否报警，经测试超限后都发出报警信号。因而简单的实现了对温度、湿度及光照强度的监测。

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4 系统的焊接与测试

4.1 系统硬件电路焊接

系统硬件电路主要由采集模块、按键模块、报警模块和液晶显示模块组成。焊接各模块前需检查元器件，以及电容器的耐压正确与否，电容器的极性问题等，检查无误后，再次确定原理图，安装电路位置，检查极性是否正确，在安装过程中最好保证导线条理清晰，最后就是焊接。焊接时需保证元器件按照电路原理图安装正确，先找好电源和接地点，切不可正负极焊接错误或者管脚焊接错误。完成的硬件实物如图4.1所示。

图4.1 系统硬件实物图

图4.1中上半部分为信号采集模块，该模块作用是将DHT11温湿度传感器采集到的数据发送出去，并将采集到的温度和湿度信息传输到液晶显示模块LCD1602显示，第一行发送模块采集的光照信息，第二行温度和湿度信息。 4.2 系统硬件电路调试

经过前期的努力，系统软件和硬件设计已经完成，并且调试也已经结束。现在把软硬件设计结合起来完成系统整体的测试。首先是把硬件设计通过USB接线连接到电脑，然后通过下载器将程序烧录到单片机，最后就是进行硬件测试。构建系统模块电路时耐心细致必不可少，在搭建的过程中细心认真更是关键，遇到问题时，要冷静应对，液晶显示屏没有显示时首先要将涉及的线路进行一一排除，出现乱码时主要是软件程序部分出现了问题。如果液晶显示屏始终没有显示时，首先要排查温湿度传感器DHT11器件本身问题，若不是器件问题则要检查并证实程序部分是否正确，若不正确应及时修改，直到系统测试达到预期结果。 4.3 系统硬件电路结果分析

该温室大棚环境监测系统主要实现温度、湿度及光照采集，超出范围报警等功能。各部分具体功能的操作及结果如下。

（1）传感器模块如图4.2所示。

图4.2 传感器模块实物图

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温湿度传感器DHT11采集温度和湿度信息，光敏电阻采集光照强度信息，并将采集到的数据发送给单片机，并且通过转换处理发送到显示模块，由LCD1602显示屏显示数据。

（2）显示模块如图4.3所示。

图4.3 显示模块实物图

主机将采集到的信息传输到显示屏显示，并将接收到的数据与预先设定的上下限进行比较，超出设置的阈值范围则驱动蜂鸣器报警。

（3）设置上下限时显示屏显示如图4.4所示。

图4.4 设置上下限实物图

通过按键可以对温度、湿度及光照强度值的上下限进行设定，比如可以把湿度的上限SH设置为60%，下限SL设置为20%；温度的上限WH设置为30°，下限WL设置为20°；光照强度值的上限GH设置为70%，下限GL设置为20%，无论哪一项超过上下限，蜂鸣器发出报警信号。通过测试，当温度在外部干扰作用下超过预设温度时，蜂鸣器会立马报警；湿度的测试是通过外部给传感器哈气，增加湿度，超过上限后报警；光照的测量时通过用手电筒给光敏电阻照射，最后也达到了预设的结果。总体来说，本次设计还是比较成功的，达到了设计的基本要求。

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结束语

本此设计的是基于单片机的温室大棚的环境监测系统。该系统主要由单片机STC89C52、温湿度传感器DHT11、液晶显示LCD1602、光敏电阻和蜂鸣器组成。通过查阅大量的资料及文献，熟悉了系统设计核心，单片机的原理及应用。在老师的悉心指导下，完成了系统的整体设计，明确了系统所要实现的要求，首先分别设计软件和硬件，然后是对软件和硬件进行分别调试，在这个过程中不断发现问题并改进，最后是把软硬件结合进行总体测试，从而实现温度、湿度及光照强度的实时检测，超出设定范围发出警报。虽然系统还存在一些不足，比如温度、湿度及光照强度测量不够精确，特别是湿度，波动较大，尝试了各种改进方法，仍然不太理想，不过大体能反映出设计的目的和要求，与预期的结果相差不多。同时通过温室大棚环境检测系统的设计，对单片机有了很多的了解，对书本上的理论知识有了一个更理性的认识，在这个过程中学到了很多其他方面的知识。

在当今科技飞快发展的时代里，各国的温室控制技术飞速发展，先进的国家已经在自动化的基础上朝着完全自动化的方向发展。无论在生产还是生活中，温室与人类都是息息相关的，而智能化的控制温度、湿度及光照强度已经成为一种必然。由于知识储备有限，如果可以对这个系统做一些拓展。比如，把该系统得到的测量结果在计算机上显示，可利用计算机进行数据的保存和加工处理。另外，如果接入无线收发模块，还可以把这个装置适用于比较偏远不方便到达的地方，此时还可以在端口扩展针对温度、湿度及光照强度过限之后的控制模块，温度过高的时候启动降温系统，打开排气扇等；过低的时候启动加热器；湿度过高或者过低都相应启动加湿器或风干机，直到相应指标达到设定的允许的范围内，这样可以实现无人管理种植，又进一步节省了人力和财力。希望在以后的工作生活中可以把这个系统进一步优化，发展成为更加完美的系统。

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致谢

通过几个月的努力，本次设计圆满完成，首先感谢指导教师刘亚锋老师。经过刘老师的耐心讲解、悉心教诲，我慢慢学会了各种元器件的工作原理，比如蜂鸣器，数码管，LED灯等。并能自主的设计电路，完成本次设计。在做毕业设计的过程中，也是刘老师给予认真的指导，包括硬件采购，电路连接以及软件程序设计等给我提供了很大的帮助。其次感谢大学四年来授课的全部老师，是你们认真负责的教导，才奠定了现在顺利完成课程设计的基础。最后我要感谢一直陪我完成毕业设计和一起讨论问题的同学，是他们在我困惑时给予我精神上的鼓励，谢谢他们在平时对我的帮助和关心。我很高兴能生活在一个互助友爱和充满活力团结的集体中，在他们的身上有很多需要我学习的地方。再次，感谢老师、同学、朋友们的帮助。

2016

第 20 页 共 45 页致谢人：年 月 日

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参考文献

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[2]姚有峰,赵江东,郝诗平.基于单片机技术的环境状态监测系统的设计[J].测控技术,2012,01:15-18. [3]薛营,孙徽.基于单片机的大棚温湿度的检测系统的设计[J].读与写(教育教学刊),2014,04:93-94. [4]龚宗辉,朱鹏,李盼盼.AT89S52单片机在温室大棚温湿度监控系统的应用[J].才智,2013,36:37-38. [5]王金环.基于单片机的温室环境监控系统的设计[J].硅谷,2014,24:12-13. [6]吴卓葵.基于单片机和光照检测的开关控制装置设计[J].电子技术,2014,07:52-54.

[7]韩力英,杨宜菩,王杨,唐红梅,牛新环.基于单片机的温室大棚智能监控系统设计[J].中国农机化学报,2016,01:65-72.

[8]杨丽文,陈如清.基于单片机的温室大棚环境参数监测系统设计[J].科技视界,2015,25:170-210 [9]林宏.智能化温室大棚环境监控系统研究[J].河北农业大学学报,2014,05:130-134. [10]李红军,姜庆昌.大棚环境的检测调节系统设计[J].科技创新与生产力,2015,04:113-115.

[11]张铁山,任众.基于AT89C51的温室大棚环境参数自动控制系统的设计[J].机械工程师,2016,04:34-36. [12]何希才,薛永毅.传感器及其应用实例[M].北京：机械工业出版社,2014.

[13]王丽雅.大棚温湿度和光照度自动控制系统设计与实现[J].农业工程,2013,04:48-51. [14]邵婷婷,任瑞瑞,李平.基于单片机的环境监测系统设计[J].电子测试,2014,05:67-68.

[15]Meilan Jiang,Jonghyun Lee,Karpjoo Jeong,Zhenguo Cui,Bomchul Kim,Suntae Hwang,Young Jean Choi,Zhenhong Li.A Data Stream-Based, Integrative Approach to Reliable and Easily Manageable Real Time Environmental Monitoring[J].International Journal of Distributed Sensor Networks,2015.

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附录A 英文文献原文

An embedded design for monitoring and controlling

temperature

A Goswami, T Bezboruah and K C Sarma

1

1*2

1

2

Department of Instrumentation and USIC, Gauhati University, Guwahati-781 014, Assam, India Department of Electronics and Communication Technology, Gauhati University, Guwahati-781 014, Assam, India

E-mail : amarjyoti27@gmail.com

Received 26 June 2008, accepted 11 September 2009

Abstract:Each and every part of human life is somehow linked with the embedded products. Embedded systems are

product of hardware and software co design. It is becoming an integral part of engineering design process for efficient analysis of data acquisition. Data acquisition implies the gathering of information about a system or process. It is the process of collecting data in an automated way from analog and digital sources of measurement, such as sensors and devices under test. The present paper describes the design of an embedded system for the control of temperature and light intensity in a single system using sensors, microcontroller and Liquid Crystal Display (LCD). It describes the controlling action incorporated in the hardware to control any device connected when specific conditions are met.

Keywords:Embedded system, analog to digital converter, ,data logger, offline analysis.

PACS No:07.05.Hd.

1. Introduction

It is very much essential in industrial as well as experimental setup to monitor and control temperature continuously. The efficient solution for this problem is to develop a data logger. Earlier development of data logger had been done through manual measurements from analog instruments, such as thermometers and manometers. Unfortunately data logger of this type can’t fulfill the current requirements in terms of timing and accuracy. Since 1990, further development in data logging took place as people begin to create PC-based data logging systems [1,2]. In later stages of development it has been found that microcontrollers (integration of microprocessors and certain peripherals including memory) are more reliable as well as efficient [3]. Use ofmicrocontrollers in embedded design has not only been increased but brought a revolutionary change. At the same time competitive pressures require manufacturers to expand their product functionality and provide differentiation while maintaining or reducing the cost.

Monitoring and controlling physical parameters like temperature, pressure, humidity etc. using

microcontrollers are very much effective in industrial and research oriented requirements. As a parameter, nature of temperature is ever-changing. It is exposed to huge array of stimuli from its environment. Though temperature can be monitored through variety of sensors, one should adhere maximum cares in selecting sensors due to different levels of complexity associated with the calibration process. If calibration is not implemented properly output of the embedded system may vary from actual temperature measured through standard instruments.

The purpose of the present work is to explore the possibility of continuously monitoring temperature. The system is also equipped with necessary hardware to initiate control action for temperature as soon as temperature reaches higher than set value. The system developed enables it’s user to set the value of temperature as required and set transfer rate of data through RS-232. Necessary Keypad in the form of push-buttons is provided for setting desired temperature and transfer time. For the purpose of storing and some intelligent analysis of data, the system is connected to PC through RS-232. This setup can be effectively used in industries for single control end.

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2. Motivation

The purpose of the proposed work is its low cost and industrial demand. Such a design can effectively decrease the number of computers used in an industry, such as food processing, green house or a packing industry and thus in turn can save power which is the main feature of this work.

3. Experimental setup

The block diagram of the experiment is shown in Figure 1. The hardware and software description of the embedded system for monitoring and controlling temperature are described below :

3.1. Hardware description:

The whole circuit of the experiment can be divided into following sections :

(i) Power supply section : The regulated power supply section is design and fabricated with full wave rectifier using voltage regulator 7805 which provides a constant voltage of 5 V to the circuit.

(ii) Analog to digital conversion section : Since we have to sense analog parameters i.e. temperature and light, hence we have to use any analog to digital converter (ADC).

Figure 1. Block diagram of the experimetal setup.

We have opted for ADC 0809 as it has 8 channels and is microprocessor compatible ADC which is easily available [4]. It will convert the analog signal of the transducer to digital value with respect to the reference voltage which in our case is 2.5 V. This reference voltage is obtained using TL431, which is a programmable shunt voltage reference with output voltage range of 2.5 V to 36 V and works like zener diode [5]. For the conversion, ADC requires a reference frequency which is supplied from IC555 in the form of astable oscillator. Sensor used for temperature measurement is LM 35 which is calibrated in °C and is linear in +10 mV/°C scale factor with 0.5°C accuracy [6]. The calibration curve of the sensor is shown in Figure 2.

Figure 2. Voltage vs. temperature calibration curve.

(i) Controller section : The analog value is converted to digital value by ADC and is picked up by the microcontroller AT89S52 which is a low-power, high-performance Complementary Metal Oxide

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Silicon (CMOS) 8-bit microcomputer with 8 KB of Flash programmable and erasable read only memory (EPROM) [7].

(ii) Display section : Since it is essential to display the data received from the microcontroller, a liquid crystal display 44780 LCD is used which is a 2×16 line display [8,9].

(iii) Temperature control section : This section consists of a relay to control hardware to start cooling for maintaining temperature as set by the user and a buzzer to notify the change [10,11].

(iv) Hardware controlling : Simple push buttons are used to set temperature and give the time of data transfer to the PC. A 12 V relay is used to control an LED at the set temperature. The schematic diagram of the system is shown in Figure 3. The whole system that we are fabricating for the experiment on a single board is shown in Figure 4.

Figure 3. Embdeded control hardware circuit – schematic diagram.

3.2. Software description :

Software development for the present work consists of two main modules. One being the online monitoring and controlling, and the other being offline analysis based on data stored in computer. Present article limits its work on first module keeping second module for future development. Software is developed in both C and Assembly language.

Algorithm for online monitoring and controlling of temperature is given below :

(i) First step is to initialize keys, Interrupt vectors panel and LCD Define port P3 of microcontroller ATMEL 89S52 as output port

(ii) Get data through ADC0809 from two different channels of Temperature and Light Intensity continuously after a fixed interval

(iii) Value obtained from different channels converted to appropriate form of display

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串行数据传输进行离线分析LCDADC0809AT 89S52硬件控制传感器键盘 图1 实验装置的示意图

我们已经选择了ADC0809，因为它有8个通道，由微处理器兼容ADC的是容易获得的[4]。它将换能器的模拟信号转换成相对于该基准电压的数字值，在我们的情况下是2.5 V.这利用TL431，它是一个可编程并联电压获得的参考电压2.5 V至36 V的输出电压范围内引用，就像齐纳二极管[5]。用于转换，ADC需要是从IC555供给的基准频率在非稳态振荡器的形式。用于测量温度传感器是LM35这是在℃，校准，并在+10 mV的线性？°C标度因数为0.5°C的精度[6]。传感器的校准曲线如图2。

图2 电压与温度校准曲线

3) 控制器部分：模拟值由ADC转换成数字值，是拾取的AT89S52单片机是一种低功耗，高性

能互补金属氧化物半导体（CMOS）的8位微型计算机8 KB的闪存的可编程和可擦除只读存储器

[7]

（EPROM）。

4) 显示部分：由于它显示从接收到的数据是必要的微控制器，一个液晶显示器44780的LCD

[8,9]

使用其为2×16行显示。

5) 温度控制部分：这部分由继电器控制的硬件开始冷却由用户和蜂鸣器通知设置保持温度变[10,11]化。

6) 硬件控制：简单按钮用于设置温度和给数据传送到PC的时间。一个12V继电器用于控制在一个LED设定温度。该系统的原理图在图3中示出我们正在制造用于在单个板上的实验整个系统被示在图4中。

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图3 嵌入式控制硬件电路 - 示意图

3.2 软件简介

软件开发目前的工作包括两个主要模块。一个是基于数据的在线监测和控制，而另一个是离线分析存储在计算机中。本条款限制了它在第一个模块保持第二工作模块，用于未来的发展。软件使用C和汇编开发语言。

下面给出了在线监测和温度控制算法：

1) 第一步是初始化密钥，中断矢量面板和液晶

2) 定义微控制器ATMEL89S52的P3端口作为输出端口

3) 通过ADC0809的温度和光照的两个不同的渠道获取数据强度固定的时间间隔后连续 4) 从不同渠道获得的值转换为显示器的适当形式

图4 照片所制作的系统

5) 显示温度和光照强度液晶面板的相应值在循环的模式 6) 启动硬件设备，如果感觉温度高于设定温度时采取行动 7) 温度的新的价值可以通过四个按键进行如下设置：

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a) 先按键一次，显示设定温度的现在最高值（TH），然后按两次键可显示设定温度（TL）的现有最低值，并且光标定位在单元位置 b) 在单元位置增量第二个关键

c) 用于在一个时间内左移三关键位置 d) 设置新的温度值替换前一次四关键

8) 数据RS232传输速率的新值使用键盘设置如下：

a) 显示传输速率设置的现有值按第一键三次，空白光标在单元位置 b) 在单元位置增量第二个关键

c) 用于左移动一个位置三键在一个时间 d) 设置数据RS232的新的传输速率四关键 9) 返回到步骤3

用于监测和控制温度的流程图在图5中给出。

开始初始化按键，中断向量，液晶面板分配P3作为输出端口得到ADC0809数据要设置新的温度值传输时间更改为RS232如果数据来自临时通道如果数据来自LDR通道a)先按键一次，显示设定温度的现在最高值（TH），然后按两次键可显示设定温度（TL）的现有最低值，并且光标定位在单元位置b)在单元位置增量第二个关键c)用于在一个时间内左移三关键位置d)设置新的温度值替换前一次四关键转换成相应的数据a)显示传输速率设置的现有值按第一键三次，空白光标在单元位置b)在单元位置增量第二个关键c)用于左移动一个位置三键在一个时间d)设置数据RS232的新的传输速率四关键转换成相应的数据在LCD上显示在LCD上显示如果感知温度>设定温度启动硬件设备用于冷却如果感知温度<= 设定温度关闭硬件散热

图5 流程图

4 结论

在本系统中，温度测量和光强度从ADC信道进行。通道的性能进行区分的基础上的其精度。精度表示传感器可以如何紧密地测量实际或真实世界参数值。更准确的一个传感器，更好地将它执行。为了实现这一点，最好用标准数字温度计进行。既然是LM35所以校准过程线性置产生良好的结果（每度上涨，10毫伏是上升）。然后，在液晶显示的温度与标准相比，从数字温度计温度1小时和结果的间隔示于表1。

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表1 温度比较LCD与数字标准温度温度计 时间（小时：分钟）

6:00 am 7:00 am 8:00 am 9:00 am 10:00 am 11:00 am 12:00 noon 1:00 pm 2:00 pm 3:00 pm 4:00 pm 5:00 pm 6:00 pm 6:00 pm

显示的温度 (°C)

21.0 21.6 21.7 21.9 22.2 22.5 23.1 23.5 23.8 24.3 23.7 23.4 22.9 22.9

温度计温度(°C)

21.21 21.54 21.73 21.98 22.28 22.44 23.22 23.58 23.88 24.32 23.76 23.36 22.86 22.86

由于在微控制器的结果是单小数校准校正多达只有一个小数。继电器的上？断开状态是通过使两个循环设置值作为高温极限（TH = TSET）和低温极限（TL = TSENSE）。由周围的环境设定的设定条件中的滞后或环形式温度，它极大地减少周围的一组装置的波动温度。这里我们写的软件给控制器，以在设备上切换在TH和TL在关闭设备。再次达到TH时，设备被重新开机上。作为一个例子，我们设定的温度范围为TL =23℃和TH= 24℃，并观察结果示于表2中给出。

我们进行的实验验证了设定值的正确性和外部硬件的性能。表2的ON？OFF条件是在图6中图示。

表2 设定的温度范围当中观察到的结果TL =23℃和H =24℃

温度设定值(°C) TL = 23 °C TH = 24 °C

LED状态 ON OFF

时间（小时：分钟）

3:00 pm 6:00 pm

图6 ON / OFF硬件在设定值状态

通过RS-232是通过键盘控制的数据传输的速率，以及任何被声明为间隙，在该数据应被传送的时间以PC准确地实现。例如，如果我们有设置用于数据传输的时间如2小时，即在2小时的间隙，在该时刻的温度值将被转移到PC。随着传输时间设定值的不同的价值观，我们已经完成了实验和它工作正常。

该系统可以通过开发用于离线必要的软件可以进一步提高存储在PC anlysis.The数据将使系统，使历史与智能分析做出有效的决策。

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致谢

作者感谢“嵌入式学习TICO学院”，新德里的工作人员，工作期间时间咨询提供技术支持和时间。

参考文献

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[7] Atmel corporation, AT89S52 data sheet, 8-bit microcontroller with 8k bytes flash, Atmel Data book (2000) update

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_crystal_display

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2s5g.html