论文总字数：21566字

目 录

1 绪论 1

1.1研究目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3论文安排 2

2系统设计方案与方案选择 2

2.1 总体设计方案 2

2.2系统各模块设计方案 3

2.2.1 主控单片机的选择 3

2.2.2 显示模块的选择 4

2.2.3 温度传感器的选择 5

2.2.4 光强传感器的选择 6

2.2.5 二氧化碳传感器的选择 7

2.2.6 湿度传感器的选择 7

2.2.7 语音播报模块 8

2.2.8 实时时钟模块 8

3 硬件设计 9

3.1电源电路设计 9

3.2 主控单片机电路设计 10

3.3 TFT触摸屏电路设计 10

3.4 DS18B20温度传感器电路设计 14

3.5 GY-30光强传感器电路设计 14

3.6 YL-69湿度传感器电路设计 15

3.7 MG811二氧化碳气体传感器电路设计 16

3.8 AD转换电路 16

3.9 SYN6288语音合成电路 17

3.10 DS1302时钟模块电路 17

4 软件设计 18

4.1 开发环境 18

4.2 主程序设计 19

4.3 显示与输入程序的设计 20

4.4 温度测量程序 21

4.5 光强检测程序 21

4.6 模数转换程序 22

4.7 DS1302时钟程序 22

4.8 语音播报程序 23

5系统调试 23

5.1系统实物图 24

5.2 操作流程 24

6总结 26

参考文献： 27

致谢 28

附录 29

1 绪论

1.1研究目的与意义

在实验中对STM32单片机的相关理论能得到更深入地理解及综合运用，对实验过程中涉及到的多种传感器的性能以及原理有进一步地了解。利用平时课程中学到的知识设计并制作出一种以STM32单片机为载体的大棚智能监测系统，用于对大棚中的温度，土壤湿度，光强以及对农作物生长有影响的二氧化碳气体浓度的监测。温室大棚技术，在现代社会的农业体系发展中所占比重越来越大，地位日益提升。为了更好地达到作物生长所需求的最佳环境条件,依此来提高作物的出产量并提升作物的品质,这就要求对温室棚内的各种环境条件参数(如温度、湿度、光强及CO2浓度等)必须进行严加管控和调节,依此发展产生了温室环境监测系统。从最先开始发展的模拟控制器系统、数字控制器系统,到当代社会农业领域被广泛采用的建立在现场总线技术上的分布式温室环境控制系统,大棚温室系统的技术理论日益渐趋成熟完善。尤其是由于当代传感器技术和过程控制技术还有通讯技术以及计算机技术的飞速发展,现代的温室参数自动采集和智能监测系统的技术开发已得到当代社会的高度重视,并已形成了一个具有重要发展前景的技术研究方向，本系统试验结果能够很好地达到最初的设计要求,而且具有一定的社会和经济效益^[1]。

1.2 国内外研究现状

改革开放以来，我国经济的迅速增长，其中农业领域的技术研究和理论应用技术日趋普及，受到了社会越来越多的关注与重视，特别是温室大棚技术已经成为农业领域高产高质的一个代名词。当代农业生产中的过程十分重要的组成部分便是对农业生产需求条件中的一些重要参数进行监测和管控^[2-4]。例如：空气的温度、土壤湿度、CO2含量等。在现代化农业生产中，以输菜大蓬为代表的现代农业设施在当代农业领域中起着不可替代的重大作用。大棚内的温度、湿度与CO2含量等参数，与蔬果的生长有着密切的关系。国外的温室设施的技术及理论研究已经相当完善成熟，且已有了一定的标准，然而价格却相当昂贵，且不能与我国的气候环境特点很好地契合，缺乏契合度高的测控软件。当代社会大部分对大蓬温度、湿度、CO2含量的监测与管控都是由人自主地进行管理，因此，难免对测控精度有较大的影响，使得测控精度大大地降低了，且劳动强度相对而言较高及测控响应度不高有滞后性等问题，容易造成不可挽回的损失，这样的话，成本很大程度上增加了，浪费了劳动力资源，但是却很难达到所预想的效果。以达到农业生产领域的高效化、科学化为目的并提高农业研究理论数据的准确性，加快我国农业产业的进步，必须下大力气发展农业科技设施与相应的农业工程理论^[5-6]，以理论数据为依托，对大棚内温度、湿度以及CO2的浓度进行科学合理地调节，使大棚内的各项环境因素指标达到最有适宜蔬果生长的要求。目前，蔬菜大棚的普及度日益提升，人们对其性能要求日益提高，尤其是为了达到更高的生产效率，对大棚的自动化程度要求也日趋提升。

1.3论文安排

本文旨在介绍一种基于STM32F103单片机的大棚监测系统，文章以系统的方案选择、软硬件设计与制作、系统实物的测试与数据分析为主体，具体的章节安排及各章的主体内容如下。

第一章介绍本论文的选题意义与背景，简单介绍本系统研究对象与发展现状，确定本文所做的主要工作。

第二章详细介绍了大棚监测系统的方案设计，给出系统所用到的各个模块的参数特点。

第三章为硬件设计部分，详细介绍了系大棚监测系统所用各个模块的硬件电路设计。

第四章位软件设计部分，介绍了系统各个模块的程序设计流程以及用到的一些指令。

第五章给出系统设计的实物图，说明设计实物的操作流程，并对本系统做出分析与展望。

第六章对本次毕业设计做一个简单的总结。

2系统设计方案与方案选择

2.1 总体设计方案

本系统设计主要是一种基于STM32F103单片机的大棚监测系统，系统由以下几个模块构成：

• STM32F103单片机
• 3.2寸TFT液晶屏
• DS1302时钟芯片
• AT24C02存储芯片
• DS18B20温度采集模块
• 土壤湿度传感器
• 二氧化碳传感器
• ADS1115AD采集模块
• GY-30光强度传感器
• SYN6288语音模块
• HC-SR501红外感应模块

系统初始上电后，首先需要用户输入开机密码，密码校验通过后系统能够对环境中的温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度进行检测，并与用户设定的参考值进行比较，当检到环境变量测数据超出用户设定的上下限之后，系统能够发出警报，提醒用户注意当前大棚环境是否有异常。另外，系统还具备红外感应功能，在实际应用过程中能够检测到是否有人进入大棚，整个操作过程中系统还能够通过SYN6288语言模块对监测值进行语音播报，使系统更加人性化。

系统通过DS18B20温度传感器对大棚环境的温度进行检测，检测温度值直接以数字量的形式传送给单片机；光强度的采集采用GY-30数字光强传感器，检测值同样以数字信号的形式传送给单片机。对土壤湿度、二氧化碳浓度的检测分别采用YL-69土壤湿度传感器、MG811二氧化碳传感器，检测值为模拟电压量，系统通过ADS1115 16位高精度AD转换模块对电压值进行转换，并将转换结果送入单片机，经数据修正后即可达到土壤的湿度值与二氧化碳浓度值。系统可通过AT24C02存储芯片对用户设定的开机密码与大棚各环境参数进行存储，系统每次重新上电后用户无须重复设定。

为了增加系统的易用性，系统还设有SYN6288语言模块，能够语音播报系统当前状态的各个参数值，使整个系统更加人性化^[7]。

系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框架图

2.2系统各模块设计方案

2.2.1 主控单片机的选择

本设计使用意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机作为系统的核心处理器，STM32F103系列单片机是中等容量的增强型单片机，采用32位的Cortex-M3内核^[8]。

哈佛式的STM32F103单片机结构，也就是说拥有单片机拥有独立的指令总线和数据总线。单片机内置了128KB的Flash、20K的RAM、12位AD、4个116位定时器和3路USART通讯接口等多种资源，时钟最高频率能够达到72MHz。STM32F103RBT6单片机内嵌中断控制器有43个可屏蔽中断通道，支持数模转换、模数转换、SPI接口、IIC接口等外设，功能非常丰富^[9-10]。

芯片采用LQFP64封装，芯片引脚图如图2所示

图2 STM32F103RBT6芯片引脚图

2.2.2 显示模块的选择

本系统显示模块采用3.2寸TFT彩色液晶屏幕，该液晶屏不仅支持触摸功能， 屏幕还可以被直接应用于单片机 、ARM（如STM32）等微处理器，为240X320的屏幕显示分辨率，能够自由显示字符、汉字与图片，模块支持3.3V或5V电压供电，可由模组的液晶转接板进行设置。模块采用ILI9325作为驱动芯片，采用XPT2046作为触摸的AD转换芯片。

模块支持选择8位数据或16数据控制，采用8位控制时只需控制器提供8个IO口，此时数据锁存器74HC573将启用，16位控制时则需要控制器提供16个IO口，此时数据锁存器禁止^[11]。

模块主要参数如表1所示。

表1 DMTFT-32型触摸屏主要参数

屏幕实物图如图3所示。

图3 DMTFT-32型触摸屏实物图

2.2.3 温度传感器的选择

本文的温度传感器是采用了时DALLAS公司得意的DS18B20温度传感器，它是一种一线智能式的数字温度传感器，是世界上第一个支持单线总线接口型温度传感器，并且它具有的特点是体积不大、功耗不高、抗干扰能力不弱、精度不低、附加功能也不弱，因此到了大多数用户的喜爱。

DS18B20内部主要部件构成是温度传感器、配置寄存器、64位型ＲOM、高低报警触发器TH与TL 等，其中，光刻ＲOM是实现多点测温的关键。温度在结束测量转换后用16位带符号扩展型二进制补码形式输出，存储于DS18B20 2个8 bit的ＲAM之中。

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