基于单片机的蔬菜大棚温湿度远程测报系统设计

基于单片机的蔬菜大棚温湿度远程测报系统设计

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系统概述

2.1 设计背景与应用意义

蔬菜大棚环境控制是现代设施农业中最重要的环节之一。温度与湿度作为影响作物生长的关键因素，对作物的光合作用、蒸腾作用、根系吸收、病虫害发生以及最终的产量和品质具有决定性作用。传统的大棚管理方式依赖人工巡查与经验调节，存在监测不连续、滞后性强、数据无法追溯等问题。一旦温湿度出现异常，往往不能在第一时间发现并处理，容易造成作物生长停滞、病害爆发甚至减产。

随着单片机技术与传感器技术的发展，使用嵌入式测控系统实现对大棚环境的自动采集、实时显示、远程通信与报警已成为一种高性价比且可靠的解决方案。本设计以 AT89S51（兼容 8051 内核）为核心，采用 DS18B20 温度传感器与 HS1101 湿度传感器采集大棚环境温湿度数据，并通过 RS485 接口与 PC 上位机通信，实现远程监测与报警。系统支持按键设置温湿度阈值上下限，单片机将实时测量值与预设标准值及误差范围进行比较，当超出范围时触发报警并可通过通信上报异常状态。现场端通过 LED 显示当前温湿度数值，使工作人员即使在没有上位机的情况下也能快速获取环境信息。

2.2 系统总体目标

系统围绕"大棚温湿度测量 + 远程监测 + 报警阈值可设定"实现以下目标：

1）使用 DS18B20 采集温度、使用 HS1101 采集湿度，实现稳定可靠的数据采集；

2）将传感器数据输入 AT89S51 单片机处理，进行滤波、换算与阈值比较；

3）通过 LED 显示温湿度数值，实现现场可视化；

4）通过 RS485 接口与 PC 上位机通信，实现远程监测、数据记录与报警提示；

5）支持温湿度阈值上限/下限设置，并保存参数，断电后不丢失（可选）；

6）当温湿度超过阈值或误差范围时，触发现场报警并将报警信息通过 485 上传。

2.3 系统工作流程概览

系统运行流程可概括为：

传感器采集：DS18B20 读取温度，HS1101 读取湿度信号；
数据处理：单片机对采集值进行换算、校准、滤波；
本地显示：将温湿度数值实时显示在 LED 数码管或 LED 显示模块上；
阈值判断：比较温湿度与设定上下限，判断是否超限；
报警输出：超限时触发声光报警（可选）并形成报警标志；
远程通信：通过 RS485 将实时数据与报警状态发送给 PC，上位机显示并记录。

系统功能设计

3.1 温度采集功能（DS18B20）

DS18B20 是常用的数字温度传感器，采用 1-Wire 总线通信，仅需一根数据线即可完成数据读写。其优点包括：

数字输出，抗干扰能力强，适合大棚现场布线
温度范围宽，分辨率可配置（9~12 位）
每个器件具有唯一 64 位 ROM，便于多点扩展
无需外置 ADC，减少模拟误差
系统定时读取 DS18B20 温度值，并转换为摄氏温度数据用于显示与通信。

3.2 湿度采集功能（HS1101）

HS1101 是电容式湿度传感器，其电容量随相对湿度变化而变化。由于其输出不是直接的数字量，需要配合振荡电路或电容测量电路，将电容变化转换为频率或时间参数，再由单片机测量并换算成湿度值。HS1101 具有：

稳定性较好、适合长期监测
线性度较高但仍需要校准与温漂补偿
输出为电容变化，抗干扰设计需加强
本系统通过构建 RC 振荡或 555 振荡电路，将湿度变化转换成频率信号，单片机通过定时器计数测频或测周期，并根据标定曲线转换为湿度百分比。

3.3 数据处理与阈值比较功能

单片机对温湿度数据进行：

数字滤波（平均滤波、滑动平均、中值滤波）减少抖动
数据校准（零点与增益校正）提高准确性
阈值判断：与用户设定的上限/下限比较
系统还引入"误差范围"概念，即标准值±误差，超出则报警。例如：
温度标准 25℃，允许误差 ±2℃，则 23~27℃ 正常
湿度标准 70%RH，允许误差 ±5%RH，65~75%RH 正常
也可用上下限直接定义允许范围，误差范围用于辅助设置或显示。

3.4 LED 实时显示功能

系统通过 LED 显示模块显示当前温湿度数值。显示形式可为：

4 位或 6 位数码管动态扫描显示
LED 点阵或 LED 数码显示模块
典型显示方案：
数码管循环显示温度与湿度
或分区显示：前两位温度，后两位湿度（需要更多位数）
显示模块必须具备：
动态扫描刷新稳定，避免闪烁
数值显示与单位提示（例如温度显示 "℃"，湿度显示 "%" 可用小数点或指示灯辅助）

3.5 RS485 远程通信功能（与 PC 上位机）

RS485 是工业现场常用的差分通信方式，具有：

抗干扰强，适合长距离传输
支持多点总线（一个主站多个从站）
成本低，兼容性好
系统通过 MAX485 等收发器与单片机 UART 相连，组成 RS485 通信链路。单片机周期性发送温湿度数据，上位机接收并显示；当超限报警时，单片机立即发送报警帧，上位机弹窗提示或发出声音报警，并可记录数据到文件。

3.6 报警功能（超限触发）

报警逻辑包括：

温度超上限或低于下限 → 温度报警
湿度超上限或低于下限 → 湿度报警
报警方式可以包括：
本地蜂鸣器/LED 指示灯
RS485 上传报警状态到上位机
为了防止报警抖动（临界点附近频繁报警），应引入：
回差（Hysteresis）
报警延时确认（连续超限 N 次才报警）
恢复延时（恢复到正常范围后延时解除报警）

3.7 按键阈值设置功能（上下限设定）

系统提供按键用于设置：

温度上限/下限
湿度上限/下限
误差范围（可选）
按键可采用：
独立按键（UP、DOWN、SET、OK）
矩阵键盘（功能扩展更方便）
设置流程建议：
SET 进入设置模式
选择参数（温度上限→温度下限→湿度上限→湿度下限）
UP/DOWN 调整数值
OK 保存并退出
参数可存储到 EEPROM（如 24C02）或单片机内部 Flash（若支持），断电后保持。

系统电路设计

4.1 硬件总体结构与模块划分

系统电路由以下模块组成：

1）AT89S51 单片机最小系统模块

2）DS18B20 温度采集模块

3）HS1101 湿度采集与振荡/测频模块

4）LED 显示模块（数码管驱动）

5）RS485 通信模块（MAX485 收发器）

6）按键输入模块

7）报警输出模块（蜂鸣器/报警灯，可选）

8）电源模块（稳压、滤波、保护）

9）抗干扰与隔离保护模块（ESD、防雷、终端电阻等）

4.2 AT89S51 单片机最小系统模块

4.2.1 核心组成

AT89S51 属于经典 8051 单片机，具备：

4 组 I/O 口
2 个定时器/计数器
1 路串口 UART
中断系统
其最小系统包括：
晶振电路（常用 11.0592MHz，便于串口波特率精确）
复位电路（RC 上电复位 + 复位按键）
电源去耦（0.1uF + 10uF）

4.2.2 接口资源规划

由于系统模块较多，应合理规划 IO：

DS18B20：1 根数据线（任意 IO，建议可配置为准双向）
HS1101：输入测频信号到 T0/T1 或外部中断 INT0/INT1
LED 数码管：段选/位选需要较多 IO，可用 74HC595 扩展
RS485：串口 TXD/RXD + DE/RE 控制脚
按键：4 个左右 IO
报警：蜂鸣器/LED 1~2 IO
合理的 IO 扩展能降低布线复杂度并提升系统可维护性。

4.2.3 抗干扰设计要点

大棚现场可能存在电机、水泵、风机等大功率设备，电磁干扰强。单片机系统需：

复位电路加可靠性设计（防抖与滤波）
关键输入加 RC 滤波
软件看门狗（外置或定时器模拟）防止程序跑飞
电源分区与单点接地避免数字噪声影响模拟测量

4.3 DS18B20 温度采集模块

4.3.1 连接与上拉电阻

DS18B20 采用 1-Wire 总线，数据线需外接上拉电阻（通常 4.7k）到 VCC。工作模式可为：

外部供电模式（推荐）：VDD 接电源，稳定可靠
寄生供电模式：省线但对时序要求更高
大棚远距离布线建议使用外部供电模式，并在传感器附近增加去耦电容抑制干扰。

4.3.2 总线布线与抗干扰

1-Wire 总线对布线质量敏感，建议：

使用屏蔽线或双绞线
数据线与电源线并行时避免靠近强电线
适当降低总线速度
必要时增加 TVS 或串联电阻保护（抑制浪涌）

4.3.3 温度精度与校准

DS18B20 典型精度可满足大棚监测需求，但实际系统中可通过软件校准：

标准温度点校准偏差
多次采样平均减少抖动
当读取异常值（如 85℃默认值）时做错误处理

4.4 HS1101 湿度采集模块

4.4.1 HS1101 输出特性

HS1101 的输出为电容值变化，不能直接由单片机 ADC 采集（AT89S51 无内置 ADC）。因此必须转换成单片机可测量的频率/脉冲宽度信号。常见方案：

RC 振荡器（施密特触发器或反相器构成）
555 定时器振荡器
CMOS 振荡器（如 CD4069 反相器）
振荡频率与电容 C 成反比，因此湿度变化可映射为频率变化。

4.4.2 振荡电路设计思路

以 555 无稳态振荡为例：

HS1101 作为定时电容
频率 f 与 C 相关：f ≈ 1 / (0.693*(R1+2R2)*C)
随着湿度升高，HS1101 电容增大，频率降低。
单片机测频得到 f 后通过查表或拟合曲线转换为湿度值 RH。

4.4.3 测频输入与信号整形

由于振荡输出可能边沿不够陡峭或带噪声，建议：

通过施密特触发器整形（74HC14）
加限幅与滤波
输入到单片机计数器脚（T0/T1）或外部中断脚计数
这样可以提高测频稳定性与湿度换算准确性。

4.4.4 湿度标定与温度补偿

HS1101 的输出与温度相关，实际湿度测量通常需要温度补偿：

先用 DS18B20 得到温度 T
根据厂家提供的温度系数对湿度值进行补偿（简化可忽略或用线性修正）
在教学或基础设计中可以采用：
两点校准（低湿点与高湿点）
查表校准（存储多点频率---湿度对应关系）
以提升整体准确度。

4.5 LED 显示模块（数码管动态扫描）

4.5.1 动态扫描原理

多位数码管常采用动态扫描：

段选输出对应的段码
位选逐位使能
以较高频率循环刷新（>100Hz）使人眼看到稳定显示
动态扫描的优势是节省 IO，但需要定时器周期刷新，并注意电流驱动能力。

4.5.2 驱动电路与扩展方案

由于单片机 IO 驱动能力有限，建议：

段选使用 74HC595 扩展 + 三极管驱动
位选使用三极管或 ULN2803 驱动
这样既减少 IO，又能提供足够电流，显示更亮更稳定。
若仅使用 LED 显示温湿度数值，可以采用 8 位数码管显示：
前 4 位显示温度（含小数点）
后 4 位显示湿度（含小数点）
或采用轮显方式减少位数。

4.5.3 显示内容与切换逻辑

考虑数码管位数有限，可采用轮显：

3 秒显示温度
3 秒显示湿度
并用指示灯或小数点区分当前显示内容，提高可读性。

4.6 RS485 通信模块

4.6.1 MAX485 收发器功能

MAX485 作为 RS485 收发器，完成 TTL 串口与差分总线的转换。其关键引脚：

DI：发送数据输入（接 MCU TXD）
RO：接收数据输出（接 MCU RXD）
DE：驱动使能（发送时置 1）
/RE：接收使能（接收时置 0）
系统通过控制 DE 与 /RE 实现半双工通信：
平时处于接收状态
发送数据前切换为发送状态
发送完成后切回接收状态

4.6.2 总线终端电阻与偏置电阻

RS485 长距离通信需要：

总线两端加 120Ω 终端电阻匹配阻抗
总线偏置电阻（上拉/下拉）保证空闲状态稳定
在大棚环境中线缆长、干扰强，终端与偏置配置能显著提高通信可靠性。

4.6.3 通信协议设计

为便于上位机解析，建议采用简单帧格式：

帧头：0xAA 0x55
地址：设备 ID（便于多节点扩展）
数据：温度、湿度、报警标志
校验：和校验或 CRC8
帧尾：0x0D 0x0A（可选）
上位机按协议解析并显示曲线、记录日志、报警提示。

4.7 按键设置模块

4.7.1 硬件结构与消抖

按键采用上拉输入，按下接地。建议：

外部上拉电阻或内部上拉
RC 滤波（可选）
软件实现 10~20ms 去抖，避免误触发。

4.7.2 参数存储与掉电保持（可选）

设定阈值后若希望掉电不丢失，可增加 EEPROM（24C02），通过 I2C 存储：

温度上限/下限
湿度上限/下限
误差范围或报警延时参数
开机读取参数并加载，实现真正可用的现场系统。

4.8 报警模块（声光报警，可选但建议）

4.8.1 报警输出形式

蜂鸣器：提示异常
LED 报警灯：直观指示
蜂鸣器可用 NPN 三极管驱动，避免直接由 IO 拉大电流。

4.8.2 报警策略优化

为避免频繁报警，可加入：

回差：例如温度上限 30℃，恢复阈值 29℃
延时确认：超限持续 5 秒才报警
报警锁定：报警后保持一段时间或人工确认解除
这些策略可显著提升系统在复杂环境下的稳定性。

4.9 电源模块与系统可靠性设计

4.9.1 供电方案

系统通常使用 5V 供电，可来自适配器或集中供电。若大棚供电不稳定，建议：

加 TVS + 滤波电感 + 大电容缓冲
使用稳压芯片（7805 或 DC-DC）
对 RS485 与传感器供电进行分区滤波

4.9.2 防雷与浪涌保护

大棚布线长，雷击感应与浪涌风险较高，建议：

RS485 A/B 线加 TVS 管
电源输入加 MOV/TVS
传感器线加串联电阻与 TVS
可显著提高系统长期稳定性。

程序设计

5.1 软件总体架构

5.1.1 模块划分

系统软件可划分为：

1）系统初始化模块（时钟、IO、串口、定时器）

2）DS18B20 驱动模块（复位、读写、温度转换）

3）HS1101 测频与湿度换算模块

4）滤波与校准模块（平均、查表、补偿）

5）LED 显示驱动模块（动态扫描）

6）阈值设置与按键处理模块

7）报警逻辑模块（比较、回差、延时）

8）RS485 通信模块（发送、接收、协议解析）

9）参数存储模块（EEPROM，可选）

10）主循环与任务调度模块（定时执行）

5.1.2 任务调度策略

建议使用"定时器中断节拍 + 主循环状态机"结构：

1ms 中断：数码管扫描
10ms 任务：按键扫描去抖
200ms 任务：刷新传感器读数（或温度 1s 更新一次）
1s 任务：发送数据到上位机、更新报警状态
这样可保证显示稳定、采集可靠、通信有序。

5.2 DS18B20 驱动模块

5.2.1 基本通信时序

DS18B20 1-Wire 通信包括：

总线复位（Reset）
存在脉冲检测（Presence）
写时隙/读时隙
发送命令：Convert T、Read Scratchpad 等
温度读取流程：
1）发送 Convert T 命令启动转换
2）等待转换完成（典型 750ms@12bit）
3）读取 Scratchpad 得到温度寄存器
4）转换为摄氏温度值

5.2.2 异常处理

DS18B20 常见异常包括：

读回 85℃（上电默认值）
CRC 校验失败（可选）
总线无响应
系统应在异常时：
重试读取
若连续失败则标记传感器故障并上报

5.3 HS1101 测频与湿度换算模块

5.3.1 测频方法

常用方法有两种：

计数法：在固定时间窗（如 1s）内计数脉冲个数，得到频率 f
测周期法 ：测量一个周期的时间，得到 f=1/T
计数法稳定但更新慢；测周期法更新快但易受抖动影响。
本系统建议采用：
200ms 窗口计数并做平均，提高响应速度与稳定性。

5.3.2 湿度换算（查表/线性拟合）

HS1101 电容变化与湿度呈近似线性，但振荡电路的频率与电容是反比关系，因此换算曲线并非严格线性。工程上常用：

查表：存储多个 f→RH 对应点，插值计算
线性拟合：在工作范围内用 a·f+b 或 a/f+b 近似
为简化实现可采用分段线性或查表方案，保证在 30%~90%RH 范围内误差可控。

5.3.3 温度补偿（可选）

湿度传感器受温度影响，可使用 DS18B20 温度进行补偿：

RH_corr = RH_raw + k·(T-25)

其中 k 为经验系数或厂家提供系数。该补偿可显著改善不同季节与昼夜温差下的湿度准确性。

5.4 LED 显示驱动模块

5.4.1 动态扫描实现

定时器 1ms 中断刷新一位：

输出段码
选择位码
下一次中断刷新下一位
显示缓存区保存当前要显示的数字与小数点状态，主程序只需更新缓存即可。

5.4.2 显示内容组织

可设计显示模式：

MODE0：显示温度（例如 25.6）
MODE1：显示湿度（例如 72.3）
每隔 2~3 秒自动切换，或者按键切换。
显示状态还可加入：
报警时闪烁显示
传感器故障显示 ----

5.5 阈值设置与按键处理模块

5.5.1 设置参数结构

参数包括：

T_high、T_low
H_high、H_low
报警回差（可选）
报警延时（可选）
按键流程采用状态机实现，避免混乱：
NORMAL：正常显示
SET_SEL：选择设置项
SET_EDIT：编辑数值
SAVE：保存并退出

5.5.2 数值调整与范围限制

为了避免用户设置不合理阈值，应限制范围：

温度阈值：-20~60℃（大棚常见范围）
湿度阈值：0~100%RH
同时确保：上限 > 下限，否则拒绝保存并提示错误。

5.6 报警逻辑模块

5.6.1 超限判断与回差

判断条件：

T > T_high 或 T < T_low → 温度异常
H > H_high 或 H < H_low → 湿度异常
加入回差：
超限触发报警
恢复必须回到阈值内并跨过回差区才解除报警
避免临界点反复报警。

5.6.2 延时确认与解除

例如：

连续 5 次（5 秒）超限才报警
连续 5 次恢复正常才解除
这种机制能有效防止瞬时干扰导致的误报警，提高系统可信度。

5.7 RS485 通信模块与协议实现

5.7.1 发送流程（半双工控制）

切换 DE=1（发送模式），/RE=1（关闭接收）
发送帧头、数据、校验
等待发送完成（TI 置位）
切回接收模式 DE=0，/RE=0

5.7.2 接收与上位机命令

上位机可下发命令：

读取当前数据
设置阈值
清除报警
查询历史（若设备端存储）
单片机解析命令并返回应答帧，形成交互式远程监控系统。

程序示例代码（AT89S51 + DS18B20 + 测频 + RS485 + LED 显示）

c 复制代码

#include <reg52.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

/* =========================
   硬件接口定义（按实际修改）
   ========================= */
// DS18B20 数据线
sbit DQ = P3^7;

// RS485 控制
sbit RS485_DE = P2^7;   // 1=发送
sbit RS485_RE = P2^6;   // 1=禁止接收（与/RE逻辑相反时注意）

// 按键（低电平按下）
sbit KEY_SET  = P3^2;
sbit KEY_UP   = P3^3;
sbit KEY_DOWN = P3^4;
sbit KEY_OK   = P3^5;

// 报警输出
sbit ALARM_LED = P1^0;

/* =========================
   变量与参数
   ========================= */
typedef struct {
    int16_t t_low;   // 温度下限，单位0.1℃
    int16_t t_high;  // 温度上限
    int16_t h_low;   // 湿度下限，单位0.1%RH
    int16_t h_high;  // 湿度上限
} limit_t;

static limit_t g_lim = { 180, 300, 600, 850 }; // 18.0~30.0℃, 60.0~85.0%RH

static int16_t g_temp = 0;  // 0.1℃
static int16_t g_humi = 0;  // 0.1%RH
static bit g_alarm = 0;

/* =========================
   延时函数（简化）
   ========================= */
void delay_us(uint16_t us)
{
    while(us--) _nop_();
}
void delay_ms(uint16_t ms)
{
    uint16_t i, j;
    for(i=0;i<ms;i++)
        for(j=0;j<120;j++);
}

/* =========================
   DS18B20 低层驱动（简化，不含CRC）
   ========================= */
static void ds18b20_reset(void)
{
    DQ = 1;
    delay_us(5);
    DQ = 0;
    delay_us(480);
    DQ = 1;
    delay_us(70);
    // presence pulse 忽略判断也可
    delay_us(410);
}

static void ds18b20_write_bit(uint8_t b)
{
    DQ = 0;
    if(b) {
        delay_us(5);
        DQ = 1;
        delay_us(60);
    } else {
        delay_us(65);
        DQ = 1;
        delay_us(5);
    }
}

static uint8_t ds18b20_read_bit(void)
{
    uint8_t b;
    DQ = 0;
    delay_us(2);
    DQ = 1;
    delay_us(10);
    b = DQ;
    delay_us(55);
    return b;
}

static void ds18b20_write_byte(uint8_t dat)
{
    for(uint8_t i=0;i<8;i++) {
        ds18b20_write_bit(dat & 0x01);
        dat >>= 1;
    }
}

static uint8_t ds18b20_read_byte(void)
{
    uint8_t dat = 0;
    for(uint8_t i=0;i<8;i++) {
        dat >>= 1;
        if(ds18b20_read_bit()) dat |= 0x80;
    }
    return dat;
}

/* 读取温度，返回0.1℃ */
int16_t ds18b20_read_temp_x10(void)
{
    uint8_t tl, th;
    int16_t raw;

    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC); // SKIP ROM
    ds18b20_write_byte(0x44); // CONVERT T
    delay_ms(750);            // 12bit转换时间

    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);
    ds18b20_write_byte(0xBE); // READ SCRATCHPAD
    tl = ds18b20_read_byte();
    th = ds18b20_read_byte();

    raw = (int16_t)((th << 8) | tl);
    // DS18B20默认 1/16℃
    // 转成0.1℃： raw * 0.0625 * 10 = raw * 0.625
    // 使用近似： (raw * 625) / 1000
    return (int16_t)((int32_t)raw * 625 / 1000);
}

/* =========================
   HS1101 测频（示意：使用T0计数器）
   ========================= */
// 假设湿度振荡整形输出接到 T0 (P3.4) 或外部计数脚
// 这里示意：在固定窗口计数脉冲数得到频率
uint16_t hs1101_measure_freq_200ms(void)
{
    uint16_t cnt;

    TMOD &= 0xF0;
    TMOD |= 0x05;  // T0 16位计数器，外部计数
    TH0 = 0;
    TL0 = 0;
    TR0 = 1;

    delay_ms(200);

    TR0 = 0;
    cnt = ((uint16_t)TH0 << 8) | TL0;
    return cnt * 5; // 200ms窗口 -> *5 得到Hz近似
}

/* 湿度换算：示例线性拟合（实际需查表/标定）
   假设 f 在 3000~8000Hz 对应 30~90%RH（仅示例）
*/
int16_t hs1101_freq_to_rh_x10(uint16_t f_hz)
{
    // 线性近似：RH = a*f + b
    // 设 f=8000 -> 30, f=3000 -> 90
    // a = (30-90)/(8000-3000) = -60/5000 = -0.012
    // b = 90 - a*3000 = 90 + 36 = 126
    // RH = -0.012*f + 126
    int32_t rh = (int32_t)(-12) * (int32_t)f_hz / 1000 + 126;
    if(rh < 0) rh = 0;
    if(rh > 100) rh = 100;
    return (int16_t)(rh * 10);
}

/* =========================
   RS485 通信（简化发送）
   ========================= */
void uart_init_9600(void)
{
    SCON = 0x50;  // 8位UART，可变波特率
    TMOD |= 0x20; // T1方式2
    TH1 = 0xFD;   // 11.0592MHz -> 9600
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;
    ES = 0;
}

void uart_send_byte(uint8_t b)
{
    SBUF = b;
    while(TI == 0);
    TI = 0;
}

uint8_t checksum_sum(const uint8_t *buf, uint8_t len)
{
    uint8_t s = 0;
    for(uint8_t i=0;i<len;i++) s += buf[i];
    return s;
}

void rs485_send_frame(uint8_t addr, int16_t t_x10, int16_t h_x10, uint8_t alarm)
{
    uint8_t frame[12];
    frame[0] = 0xAA;
    frame[1] = 0x55;
    frame[2] = addr;
    frame[3] = (uint8_t)(t_x10 >> 8);
    frame[4] = (uint8_t)(t_x10 & 0xFF);
    frame[5] = (uint8_t)(h_x10 >> 8);
    frame[6] = (uint8_t)(h_x10 & 0xFF);
    frame[7] = alarm;
    frame[8] = checksum_sum(frame, 8);
    frame[9] = 0x0D;
    frame[10]= 0x0A;
    frame[11]= 0x00;

    // 切换发送
    RS485_RE = 1;
    RS485_DE = 1;
    delay_us(10);

    for(uint8_t i=0;i<11;i++) uart_send_byte(frame[i]);

    delay_us(50);
    // 切回接收
    RS485_DE = 0;
    RS485_RE = 0;
}

/* =========================
   报警判断
   ========================= */
void check_alarm(void)
{
    bit ta = 0, ha = 0;

    if(g_temp > g_lim.t_high || g_temp < g_lim.t_low) ta = 1;
    if(g_humi > g_lim.h_high || g_humi < g_lim.h_low) ha = 1;

    g_alarm = (ta || ha) ? 1 : 0;
    ALARM_LED = g_alarm ? 1 : 0;
}

c 复制代码

/* =========================
   显示模块（这里用伪函数表示）
   实际项目中可用数码管动态扫描缓存实现
   ========================= */
extern void LED_ShowTempHumi(int16_t t_x10, int16_t h_x10);

void main(void)
{
    uart_init_9600();
    RS485_DE = 0;
    RS485_RE = 0;
    ALARM_LED = 0;

    while(1)
    {
        // 1) 采集温度
        g_temp = ds18b20_read_temp_x10();

        // 2) 采集湿度（测频 + 换算）
        uint16_t f = hs1101_measure_freq_200ms();
        g_humi = hs1101_freq_to_rh_x10(f);

        // 3) 报警判断
        check_alarm();

        // 4) LED显示
        LED_ShowTempHumi(g_temp, g_humi);

        // 5) 发送到上位机
        rs485_send_frame(0x01, g_temp, g_humi, g_alarm);

        // 6) 周期延时
        delay_ms(800);
    }
}

系统可靠性与工程实现要点分析

7.1 传感器布线与防水防潮措施

大棚环境湿度高且可能有水汽凝结，传感器与接线必须具备：

防水封装（尤其 DS18B20 可选防水探头）
接线端子防腐蚀
线缆使用耐湿材料
接头处使用热缩管或防水胶
否则长期运行会出现接触不良、读数异常或传感器损坏。

7.2 485 通信可靠性保障

RS485 线缆长、干扰强时，必须确保：

双绞线布线，远离强电线
合理终端电阻与偏置电阻
TVS 防浪涌
通信协议带校验，避免误码
超时重发机制（上位机请求响应或设备主动发送）
这些措施能显著提升远程监控稳定性。

7.3 报警抖动与回差控制的重要性

大棚温湿度变化可能接近阈值，若无回差会导致报警不断切换，影响用户判断并造成上位机日志混乱。采用回差、延时确认、恢复延时等策略可有效提升报警可信度。

7.4 湿度测量标定的必要性

HS1101 输出与振荡电路强相关，不同元件容差会导致同一湿度下频率不同，因此必须进行标定。建议至少两点标定：

低湿点（例如 33%RH 饱和盐溶液）
高湿点（例如 75%RH 饱和盐溶液）
通过标定确定换算系数，能显著提升湿度测量准确性，并降低批次差异。

7.5 软件异常处理与看门狗机制

现场系统运行周期长，必须防止程序异常：

对 DS18B20 读取失败重试与错误码处理
对湿度频率异常值进行限幅与滤波
对通信发送失败可重复发送或上报故障
加入看门狗避免死循环
这样才能满足长期稳定监测需求。

系统扩展与优化方向

8.1 增加执行机构控制（闭环环境调节）

在测报基础上可扩展控制功能：

温度过高自动开启风机或卷膜
湿度过低开启喷雾或滴灌
湿度过高开启通风除湿
形成"监测 + 控制"闭环系统，真正实现智能大棚。

8.2 多点测量与网络化

DS18B20 支持多点挂载，可在大棚不同位置布置多个温度点；湿度也可扩展多个通道，通过 RS485 总线多节点联网，上位机统一管理并绘制区域分布。

8.3 数据记录与曲线分析

上位机可将温湿度数据记录为 CSV 或数据库，支持历史曲线与报表，便于分析作物生长环境与调控策略优化。

8.4 远程报警升级（短信/物联网）

在 PC 上位机基础上可进一步扩展：

GPRS/4G 模块短信报警
LoRa/NB-IoT 上传云平台
手机 App 远程查看
实现更高层级的远程农业物联网系统。

总结

基于单片机的蔬菜大棚温湿度远程测报系统以 AT89S51 为核心，采用 DS18B20 温度传感器与 HS1101 湿度传感器完成大棚环境温湿度采集，并在单片机端进行数据换算、滤波与阈值比较，实现现场 LED 实时显示与超限报警功能。系统通过 RS485 接口与 PC 上位机通信，支持远程监测、数据记录与异常报警提示，适用于大棚长距离、强干扰环境下的稳定运行需求。同时系统提供按键阈值上下限设定功能，使用户能够根据作物需求灵活调整报警范围，实现更精准的环境管理。通过对传感器测量、湿度频率转换、通信协议、报警回差与延时、抗干扰与防护措施等工程要点的综合设计，本系统具备结构清晰、实现成本低、可扩展性强的特点，既适合课程设计与实验教学，也可作为设施农业环境监测与远程报警系统的原型方案，为后续扩展执行控制、网络化管理与物联网平台接入奠定良好基础。