摘 要
随着现代农业的发展，大棚种植技术日益普及，对大棚环境的精确监控和自动调节成为提高农作物产量和质量的关键。本设计基于 STM32F103C8T6 单片机，构建了一套大棚温湿度自动监控系统，实现了对大棚内温湿度的实时监测与智能控制。
系统主要由 STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器，结合 DS18B20 温度传感器、光敏电路、ESP8266 电路、8050 蜂鸣器以及 32 继电器电路组成。DS18B20 温度传感器能够精准测量大棚内的温度，将温度数据实时传输给单片机。光敏电路则用于检测大棚内的光照强度，为后续的控制提供数据支持。单片机接收到传感器传来的数据后，会将其与预设的温湿度和光照强度阈值进行对比。若温度或湿度超出正常范围，单片机将通过 8050 蜂鸣器发出警报，提醒管理人员采取相应措施。同时，单片机还会控制 32 继电器电路，调节大棚内的通风设备、加热设备或灌溉设备，以实现对温湿度的自动调节。ESP8266 电路为系统提供了无线通信功能，可将大棚内的温湿度、光照强度等数据实时上传至远程服务器。管理人员可以通过手机或电脑等终端设备，随时随地查看大棚内的环境参数，并进行远程控制。这种远程监控和控制功能大大提高了大棚管理的便捷性和效率。
关键字 ：STM32F103C8T6；大棚温湿度监控；DS18B20 传感器；ESP8266；自动控制
Abstract
With the development of modern agriculture, greenhouse planting technology is becoming increasingly popular, and precise monitoring and automatic adjustment of greenhouse environment have become the key to improving crop yield and quality. This design is based on the STM32F103C8T6 microcontroller and constructs an automatic monitoring system for greenhouse temperature and humidity, achieving real-time monitoring and intelligent control of temperature and humidity inside the greenhouse.
The system is mainly composed of STM32F103C8T6 microcontroller as the core controller, combined with DS18B20 temperature sensor, photosensitive circuit, ESP8266 circuit, 8050 buzzer, and 32 relay circuit. The DS18B20 temperature sensor can accurately measure the temperature inside the greenhouse and transmit real-time temperature data to the microcontroller. The photosensitive circuit is used to detect the light intensity inside the greenhouse and provide data support for subsequent control. After receiving the data from the sensor, the microcontroller will compare it with the preset temperature, humidity, and light intensity thresholds. If the temperature or humidity exceeds the normal range, the microcontroller will sound an alarm through the 8050 buzzer to remind management personnel to take corresponding measures. At the same time, the microcontroller will also control the 32 relay circuit to regulate the ventilation, heating, or irrigation equipment inside the greenhouse, in order to achieve automatic adjustment of temperature and humidity. The ESP8266 circuit provides wireless communication function for the system, which can upload real-time data such as temperature, humidity, and light intensity inside the greenhouse to a remote server. Management personnel can view the environmental parameters inside the greenhouse anytime and anywhere through terminal devices such as mobile phones or computers, and remotely control them. This remote monitoring and control function greatly improves the convenience and efficiency of greenhouse management.
Keywords : STM32F103C8T6;Greenhouse temperature and humidity monitoring; DS18B20 sensor; ESP8266;automatic control
目 录
[1 绪论](#1 绪论)
[2 相关技术介绍](#2 相关技术介绍)
[2.1 STM32F103C8T6 单片机](#2.1 STM32F103C8T6 单片机)
[2.2 DS18B20 温度传感器](#2.2 DS18B20 温度传感器)
[2.3 ESP8266 无线通信模块](#2.3 ESP8266 无线通信模块)
[2.4 8050 蜂鸣器](#2.4 8050 蜂鸣器)
[2.5 32 继电器电路](#2.5 32 继电器电路)
[3 需求分析](#3 需求分析)
[3.1.4 法律与伦理可行性](#3.1.4 法律与伦理可行性)
[3.2 非功能性需求分析](#3.2 非功能性需求分析)
[4 系统设计](#4 系统设计)
[4.1 架构设计](#4.1 架构设计)
[4.2 STM32F103C8T6单片机最小系统电路设计](#4.2 STM32F103C8T6单片机最小系统电路设计)
[4.3 DHT11温湿度检测模块设计](#4.3 DHT11温湿度检测模块设计)
[4.4 显示电路设计](#4.4 显示电路设计)
[4.5 DS18B20温度传感器设计](#4.5 DS18B20温度传感器设计)
[5.1 软件设计](#5.1 软件设计)
[5.2 硬件设计](#5.2 硬件设计)
[6 系统测试](#6 系统测试)
[6.1 测试目的](#6.1 测试目的)
[6.2 系统兼容性测试](#6.2 系统兼容性测试)
[6.3 功能性测试](#6.3 功能性测试)
[6.4 本章小结](#6.4 本章小结)
[结 论](#结 论)
1 绪论
1.1研究背景与意义
在现代农业发展进程中，设施农业的地位愈发重要，大棚种植作为设施农业的关键形式，得到了广泛的应用。大棚种植能够有效抵御恶劣的自然气候条件，为农作物营造适宜的生长环境，从而显著提高农作物的产量和品质。然而，大棚内的温湿度、光照强度等环境因素会对农作物的生长发育产生直接影响。若温湿度和光照条件无法满足农作物的生长需求，可能会引发病虫害滋生、作物生长不良等问题，进而导致农作物减产甚至绝收。
传统的大棚环境管理主要依赖人工经验，管理人员需要定时进入大棚，手动测量温湿度和光照强度，并根据经验调节通风、灌溉、加热等设备。这种管理方式不仅效率低下、劳动强度大，而且由于人工测量和判断存在误差，难以实现对大棚环境的精准控制。随着科技的不断进步，自动化、智能化的监控和控制系统逐渐应用于大棚种植领域，以提高大棚管理的效率和精准度。
本研究设计的基于 STM32F103C8T6 单片机的大棚温湿度自动监控系统具有重要的现实意义。一方面，该系统能够实时、准确地监测大棚内的温湿度和光照强度等环境参数，并根据预设的阈值自动调节大棚内的环境，实现对大棚环境的精准控制，为农作物提供更加适宜的生长环境，从而提高农作物的产量和品质。另一方面，系统的自动化和智能化功能可以大大降低人工劳动强度，提高大棚管理的效率，减少人力成本。此外，系统还具备无线通信功能，管理人员可以通过手机或电脑等终端设备随时随地查看大棚内的环境参数，并进行远程控制，为大棚管理提供了极大的便利。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
在国内，随着设施农业的快速发展，大棚环境监控和控制系统的研究也取得了一定的成果。许多科研机构和企业都在积极开展相关研究，推出了一系列大棚环境监控产品。一些研究主要集中在传感器技术的应用上，致力于开发更加精准、可靠的温湿度、光照强度等传感器，以提高环境参数测量的准确性。例如，部分研究采用了新型的传感器材料和制造工艺，使得传感器的灵敏度和稳定性得到了显著提升。
在控制系统方面，国内的研究主要侧重于单片机和 PLC 等控制器的应用。通过编写相应的控制程序，实现对大棚内通风、灌溉、加热等设备的自动化控制。一些系统还引入了模糊控制、PID 控制等智能控制算法，以提高系统的控制精度和适应性。
随着物联网技术的发展，国内也有不少研究将物联网技术应用于大棚环境监控系统中。通过将传感器、控制器和网络设备进行连接，实现了大棚环境数据的实时传输和远程监控。一些系统还具备数据分析和预警功能，能够根据历史数据和实时监测数据对大棚内的环境变化进行预测，并及时发出预警信息。国内现有的大棚环境监控系统仍然存在一些不足之处。例如，部分系统的稳定性和可靠性有待提高，传感器的精度和使用寿命有限，系统的智能化程度还不够高等。
1.2.2国外研究现状
在国外，尤其是一些农业发达国家，如荷兰、美国、日本等，对大棚环境监控和控制系统的研究起步较早，技术相对成熟。这些国家的研究主要集中在智能化、自动化程度较高的大棚环境监控系统上。一些系统采用了先进的传感器技术和数据分析算法，能够实时、准确地监测大棚内的各种环境参数，并根据农作物的生长需求自动调节大棚内的环境。例如，荷兰的一些大棚采用了高精度的温湿度传感器和光照传感器，结合先进的智能控制系统，能够实现对大棚内温湿度和光照强度的精准控制，使得农作物的生长环境始终保持在最佳状态。
在自动化控制方面，国外的研究更加注重系统的集成化和智能化。一些系统采用了机器人技术和自动化设备，实现了大棚内的播种、灌溉、施肥、采摘等作业的自动化。例如，美国的一些大型农场采用了自动化的灌溉系统和采摘机器人，大大提高了农业生产的效率和质量。
国外的研究还注重系统的网络化和信息化。通过将大棚环境监控系统与互联网、云计算等技术相结合，实现了大棚环境数据的远程传输和共享。管理人员可以通过手机、电脑等终端设备随时随地查看大棚内的环境参数和设备运行状态，并进行远程控制。
1.3系统的特点
1.3.1 高精度测量
本系统采用了 DS18B20 温度传感器和高精度的光敏传感器，能够实时、准确地测量大棚内的温湿度和光照强度。DS18B20 温度传感器具有测量精度高、抗干扰能力强等优点，能够满足大棚环境监测的需求。
1.3.2 自动化控制
系统以 STM32F103C8T6 单片机为核心控制器，通过编写相应的控制程序，能够根据预设的温湿度和光照强度阈值自动调节大棚内的通风、灌溉、加热等设备。当大棚内的温度过高时，系统会自动打开通风设备，降低温度；当湿度不足时，系统会自动启动灌溉设备，增加湿度。
1.3.3 无线通信功能
系统配备了 ESP8266 无线通信模块，能够将大棚内的温湿度、光照强度等环境参数实时上传至远程服务器。管理人员可以通过手机或电脑等终端设备随时随地查看大棚内的环境参数，并进行远程控制。这种无线通信功能大大提高了大棚管理的便捷性和效率。
1.3.4 报警功能
系统还具备报警功能，当大棚内的温湿度或光照强度超出预设的阈值时，系统会通过 8050 蜂鸣器发出警报，提醒管理人员及时采取措施。
1.3.5 低成本、易扩展
本系统采用了常见的单片机和传感器，成本较低。同时，系统的硬件和软件结构都具有良好的扩展性，用户可以根据实际需求添加或更换传感器和执行设备，以满足不同大棚的监控需求。
1.4研究内容
1.4.1 硬件设计
本研究的硬件设计主要包括 STM32F103C8T6 单片机最小系统、DS18B20 温度传感器电路、光敏传感器电路、ESP8266 无线通信模块电路、8050 蜂鸣器报警电路和 32 继电器控制电路等。在设计过程中，需要考虑硬件的稳定性、可靠性和抗干扰能力，确保系统能够在复杂的大棚环境中正常工作。
1.4.2 软件设计
软件设计是本系统的核心内容之一。主要包括单片机控制程序的编写、传感器数据采集程序的编写、无线通信程序的编写和控制算法的实现等。在软件设计过程中，需要采用模块化的设计思想，将系统的各个功能模块进行独立设计和调试，以提高软件的可维护性和可扩展性。
1.4.3 系统测试与优化
在完成硬件和软件设计后，需要对系统进行全面的测试和优化。测试内容包括传感器测量精度测试、控制功能测试、无线通信功能测试和报警功能测试等。通过测试，发现系统存在的问题，并对硬件和软件进行优化，以提高系统的性能和稳定性。
1.4.4 远程监控平台开发
为了实现对大棚环境的远程监控和控制，需要开发一个远程监控平台。该平台可以采用 Web 技术或移动应用技术实现，管理人员可以通过浏览器或手机应用程序登录平台，查看大棚内的环境参数和设备运行状态，并进行远程控制。
1.5论文结构
图1 - 1论文结构图
本文的结构如上图所示，相关技术介绍主要介绍了系统的开发工具和前后台框架、分布式架构理论等，系统设计包括流程设计与数据库设计等。
2 相关技术介绍
2.1 STM32F103C8T6 单片机
2.1.1 概述
STM32F103C8T6 是意法半导体（ST）公司推出的一款基于 ARM Cortex - M3 内核的 32 位微控制器，属于 STM32 系列中的增强型产品。它具有高性能、低成本、低功耗等特点，广泛应用于工业控制、消费电子、智能家居等领域。
2.1.2 主要特性
内核与性能：采用 ARM Cortex - M3 内核，最高工作频率可达 72MHz，具有出色的运算能力和处理速度，能够满足本大棚温湿度自动监控系统中对传感器数据的实时处理和控制算法的运行需求。
存储资源：拥有 64KB 的闪存（Flash）和 20KB 的随机存取存储器（SRAM）。闪存可用于存储程序代码，SRAM 则用于程序运行时的数据存储，为系统软件的开发和运行提供了充足的存储空间。
外设接口：具备丰富的外设接口，如通用输入输出端口（GPIO）、串口通信接口（USART）、SPI 接口、I²C 接口等。这些接口使得单片机能够方便地与各种传感器、执行器和通信模块进行连接，实现数据的采集和设备的控制。例如，通过 GPIO 接口可以控制继电器电路和蜂鸣器电路，通过串口通信接口可以与 ESP8266 无线通信模块进行数据传输。
低功耗模式：支持多种低功耗模式，如睡眠模式、停机模式和待机模式。在大棚监控系统中，当系统处于空闲状态时，可以进入低功耗模式，以降低功耗，延长系统的工作时间。
2.1.3 在本系统中的应用
在大棚温湿度自动监控系统中，STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器，负责协调各个模块的工作。它通过 GPIO 接口读取 DS18B20 温度传感器和光敏传感器的数据，经过处理后与预设的阈值进行比较。根据比较结果，通过 GPIO 接口控制 32 继电器电路来调节大棚内的通风、灌溉、加热等设备，同时控制 8050 蜂鸣器发出报警信号。此外，单片机还通过串口通信接口与 ESP8266 无线通信模块进行通信，将采集到的环境数据上传至远程服务器。
2.2 DS18B20 温度传感器
2.2.1 概述
DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产的一款单总线数字温度传感器，具有体积小、精度高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于各种温度测量场合。
2.2.2 主要特性
单总线接口：采用单总线通信协议，仅需一根数据线即可实现与单片机的通信，大大简化了硬件电路的设计。这使得在大棚环境中布线更加方便，减少了线路故障的发生概率。
高精度测量：测量精度可达 ±0.5℃，测量范围为 - 55℃至 + 125℃，能够满足大棚内温度测量的精度要求。
可编程分辨率：用户可以通过编程设置传感器的分辨率，分辨率可在 9 位至 12 位之间选择，最高分辨率为 0.0625℃。不同的分辨率可以根据实际应用需求进行调整，以平衡测量精度和测量速度。
自带温度报警功能：DS18B20 内部集成了温度报警寄存器，用户可以设置温度报警上限和下限。当测量的温度超出设定的范围时，传感器会发出报警信号，方便系统进行及时处理。
2.2.3 在本系统中的应用
在大棚温湿度自动监控系统中，DS18B20 温度传感器用于实时测量大棚内的温度。单片机通过单总线接口与 DS18B20 进行通信，发送命令读取传感器的温度数据。读取到的温度数据经过处理后，与预设的温度阈值进行比较。如果温度超出阈值，单片机将控制相应的设备进行调节，如打开通风设备降低温度或启动加热设备提高温度。
2.3 ESP8266 无线通信模块
2.3.1 概述
ESP8266 是乐鑫科技推出的一款低成本、高性能的 Wi - Fi 模块，内置了 TCP/IP 协议栈，能够实现设备与互联网的无线连接。
2.3.2 主要特性
低功耗：采用低功耗设计，在睡眠模式下功耗极低，适合长时间运行的设备。这对于需要长期稳定运行的大棚监控系统来说非常重要，可以降低系统的能耗，延长设备的使用寿命。
多种工作模式：支持 STA（Station）模式、AP（Access Point）模式和 STA + AP 组合模式。在 STA 模式下，ESP8266 可以连接到现有的 Wi - Fi 网络，实现与远程服务器的通信；在 AP 模式下，ESP8266 可以作为热点，供其他设备连接；STA + AP 组合模式则兼具了两种模式的功能。
高性能处理器：内置了 32 位的 Tensilica L106 处理器，工作频率可达 80MHz，能够快速处理网络数据和执行通信协议。
丰富的接口：具备 UART、GPIO、SPI、I²C 等接口，方便与其他设备进行连接和数据传输。
2.3.3 在本系统中的应用
在大棚温湿度自动监控系统中，ESP8266 无线通信模块用于实现系统与远程服务器的无线通信。单片机将采集到的温湿度、光照强度等环境数据通过串口通信接口发送给 ESP8266 模块。ESP8266 模块在 STA 模式下连接到大棚内的 Wi - Fi 网络，然后将数据通过 TCP/IP 协议上传至远程服务器。管理人员可以通过手机或电脑等终端设备访问远程服务器，查看大棚内的环境参数，并进行远程控制。
2.4 8050 蜂鸣器
2.4.1 概述
8050 是一种常用的 NPN 型三极管，在本系统中用于驱动蜂鸣器。蜂鸣器是一种能够将电信号转换为声音信号的设备，常用于发出报警信号。
2.4.2 工作原理
当单片机的 GPIO 接口输出高电平时，三极管导通，电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音；当 GPIO 接口输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。通过控制 GPIO 接口的电平变化，可以实现蜂鸣器的发声和停止。
2.4.3 在本系统中的应用
在大棚温湿度自动监控系统中，8050 蜂鸣器作为报警装置。当大棚内的温湿度或光照强度超出预设的阈值时，单片机通过 GPIO 接口输出高电平，驱动 8050 三极管导通，使蜂鸣器发出报警声，提醒管理人员及时采取措施。
2.5 32 继电器电路
2.5.1 概述
继电器是一种电控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种 "自动开关"。在本系统中，采用 32 继电器电路可以同时控制多个设备，如通风设备、灌溉设备、加热设备等。
2.5.2 工作原理
当单片机的 GPIO 接口输出高电平时，继电器线圈通电，产生磁场，使继电器的触点闭合，从而接通被控制设备的电源；当 GPIO 接口输出低电平时，继电器线圈断电，磁场消失，触点断开，被控制设备的电源被切断。
2.5.3 在本系统中的应用
在大棚温湿度自动监控系统中，32 继电器电路用于控制大棚内的各种设备。单片机根据采集到的环境数据和预设的阈值，通过 GPIO 接口控制继电器的吸合和断开，从而实现对通风、灌溉、加热等设备的自动化控制。例如，当大棚内温度过高时，单片机控制相应的继电器闭合，打开通风设备，降低温度。
3 需求分析
本章主要首先对项目开发的可行性进行分析，然后再对整体的项目开发流程和用户注册登录流程以及功能流程进行分析。
3.1可行性分析
3.1.1 技术可行性
本系统所涉及的技术均已成熟，具备高度的可行性。核心控制器采用 STM32F103C8T6 单片机，它拥有强大的处理能力和丰富的外设接口，能轻松应对传感器数据的采集、处理以及设备的控制任务。DS18B20 温度传感器是常见的数字温度传感器，其单总线通信协议成熟，测量精度和稳定性有保障，可准确获取大棚内的温度信息。ESP8266 无线通信模块内置 TCP/IP 协议栈，能稳定地实现设备与互联网的连接，便于数据的远程传输。此外，8050 蜂鸣器和 32 继电器电路的原理和应用都十分成熟，在众多自动化控制系统中广泛应用。开发人员可借助现有的开发工具和编程语言，如 Keil MDK 等，进行系统的软件开发，这为系统的实现提供了有力的技术支持。
3.1.2 经济可行性
从成本角度来看，本系统具有较高的经济性。STM32F103C8T6 单片机、DS18B20 温度传感器、ESP8266 无线通信模块等主要硬件组件价格亲民，易于获取。同时，开发过程中使用的开发工具大多为开源或低成本软件，无需高额的授权费用。对于大棚种植户而言，采用本系统能够提高大棚管理的效率，减少人力成本，还能通过精准控制环境参数提高农作物的产量和质量，增加经济效益。从长期来看，系统的投入产出比可观，具有良好的经济可行性。
3.1.3 社会接受度
随着科技的不断进步和人们对现代农业的重视，大棚种植户对自动化、智能化的大棚管理系统的需求日益增长。本系统能够实时监测大棚内的温湿度和光照强度等环境参数，并自动调节大棚环境，为农作物提供更适宜的生长条件，符合现代农业发展的趋势。此外，系统的操作简单易懂，即使是文化程度不高的种植户也能轻松上手。通过手机或电脑等终端设备，种植户可以随时随地查看大棚内的环境信息并进行远程控制，极大地提高了管理的便捷性。因此，本系统具有较高的社会接受度。
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- 法律与伦理可行性
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本系统的研发和应用完全符合相关法律法规和伦理道德要求。在数据采集和传输过程中，严格遵守数据保护和隐私法规，确保用户的信息安全。系统的设计和使用不会对环境造成负面影响，也不会对人类健康和社会秩序构成威胁。同时，系统的应用有助于提高农业生产的效率和质量，促进农业的可持续发展，具有积极的社会意义。
3.2 非功能性需求分析
可靠性：系统需要具备高度的可靠性，能够在复杂的大棚环境中长时间稳定运行。硬件设备应具有良好的抗干扰能力，软件程序应具备容错和自恢复功能，以确保在出现异常情况时能够及时处理，保证系统的正常运行。
可维护性：系统的设计应便于维护和升级。硬件结构应模块化，便于更换故障部件；软件应采用结构化和模块化的设计方法，提高代码的可读性和可维护性。同时，应提供详细的文档和操作说明，方便技术人员进行维护和管理。
安全性：在数据传输过程中，要确保数据的安全性和完整性。采用加密技术对传输的数据进行加密处理，防止数据被窃取或篡改。同时，要对系统进行访问控制，设置不同的用户权限，确保只有授权人员能够访问和操作系统。
易用性：系统的操作界面应简洁明了，易于操作。对于大棚种植户来说，不需要具备专业的技术知识就能轻松使用系统。同时，系统应提供直观的数据分析和展示功能，帮助用户更好地了解大棚内的环境状况。
3.3主要研究方法
文献研究法：通过查阅国内外相关的文献资料，了解大棚环境监控系统的研究现状和发展趋势，掌握相关的理论知识和技术方法。对现有的研究成果进行分析和总结，为系统的设计和开发提供理论支持和参考。
实验研究法：在系统开发过程中，进行大量的实验研究。对传感器的测量精度、通信模块的稳定性、控制算法的有效性等进行实验验证，通过不断调整和优化系统参数，提高系统的性能和可靠性。
案例分析法：分析国内外成功的大棚环境监控系统案例，学习其先进的设计理念和技术方法。结合本系统的实际需求，借鉴其经验教训，避免在开发过程中出现类似的问题，提高系统的开发效率和质量。
3.4本章小结
本章首先对项目开发的可行性进行了分析，然后对系统的非功能性需求进行了分析，并对项目开发的整体流程以及主要流程操作进行了介绍。
4 系统设计
系统设计是项目开发之前需要做的总体设计，这里主要从系统的架构设计，后台的包括架构设计以及前台页面结构设计，模块设计等进行阐述.
4.1 架构设计
4.1.1数据采集部分
温度采集：DS18B20 温度传感器负责温度采集。它通过单总线与单片机相连，能精准测量大棚内温度，将温度信号转化为数字信号后传输给单片机，为系统提供关键的温度数据。
光敏与土壤湿度采集：光敏 / 土壤湿度 AD 转换模块，用于将光敏传感器感知的光照强度信号以及土壤湿度传感器信号，经 AD 转换为数字信号，传递给单片机。该模块使系统能够获取大棚内光照和土壤湿度信息 ，全面了解大棚环境状况。
按键设置：按键设置模块允许用户手动输入和调整系统参数，如温湿度、光照强度的阈值等。通过与单片机的交互，实现系统设置的个性化调整。
电源输入：USB - 5V 输入为整个系统提供稳定电源，确保各模块正常工作，保障系统运行的稳定性和持续性。
4.1.2数据处理与控制部分
单片机数据处理：单片机作为系统核心，接收来自各采集模块的数据，进行分析、处理和存储。依据预设规则和用户设置，对采集数据与设定阈值对比判断，进而发出控制指令。
液晶显示：单片机将处理后的数据传输给液晶显示模块，实时展示大棚内温湿度、光照强度等环境参数以及设备工作状态，方便用户直观查看。
无线通信：WIFI 串口无线通信传输控制模块，实现单片机与外部网络的连接。单片机可通过该模块将数据上传至远程服务器，也能接收远程控制指令，便于用户远程监控和管理大棚。
4.1.1设备控制：
灯光控制：根据光照强度数据，单片机控制灯光设备开启或关闭，为农作物提供适宜光照条件。
水泵控制：依据土壤湿度数据，单片机控制水泵的启停，实现自动灌溉，保证土壤湿度满足作物生长需求。
蜂鸣器声光报警：当温湿度、光照强度等参数超出设定阈值，单片机触发蜂鸣器声光报警，及时提醒用户采取措施。功能框架图如图4-1所示。
图4-1 功能框架图
4.2 STM32F103C8T6单片机最小系统电路设计
对于本次设计，我们选择的单片机是STM32F103C8T6单片机。此单片机和51系列相比多了很多功能，不但运行速度比51单片机要快很多，自带2个AD转换，方便我们在设计烟雾和CO的时候免去了需要加外部ADC进行转换，非常方便；
STM32有着很强大的通信功能和控制功能。这一点是51单片机无法比拟的。因为51单片机只有1个串口进行通信，而32单片机具有5个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市场上广泛的运用，32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地。
STM32特点：
- STM32C8T6系列的起振晶部分采用了RTC，低负载的方式，而没有像传统的比较廉价的圆柱晶振。
- 引脚个数为48个。
- 工作频率为72MHZ。
- 单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器。
- 单片机具有2个2位/16通道的ADC模数转换。
- 使用了3.3V稳压芯片，可以保证最大输出300MA电流。
- 支持ST-LINK和JTAG调试下载。
- 存储资源为64kb byte FLASH和20byte Sram。
STM32实物图如图3-2所示：
3-2-1 STM32F103C8T6 实物图
1、电源指示灯LED(PWR通常为红色):如果电源指示灯亮亮说明单片机正常运行，如果较暗或者闪烁，表示此单片机可能存在故障。
2、用户LED(PC13):这个功能的使用大大的方便了我们进行一些比较简单的功能测试，如单片机的运行状态等，方便初学者进行更好的测试。
3、单片机上采用了跳帽的方式，我们可以对stm32进行3种编程方式。如用户的SARM、闪存和系统的存储器。
4、为单片机的复位电路。
5、8M晶振：主要是用于设置单片机系统的频率为72MHZ。
6、32.768KHz晶振：可供内置RTC使用，避免了需要专门的时钟芯片进行定时器处理等。
4.3 DHT11温湿度检测模块设计
本次设计采用DHT11温湿度传感器模块，DHT11传感器是市场上采用的温湿度传感器。此传感器占用的面积非常简单，精度为0.2.采用的是单总线的数据传输方式。这个传感器抗干扰能力非常的强，经常用于高炉测温、机房检测、家庭温度控制等方面适合于很多空间比较小的场合和数字温度检测等领域。这款温度传感器转换时间为75ns，比传统DS1820速度要快很多。检测的结果以数字量方式串行传送。温湿度传感器模块电路图如图所示：
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
DHT11传感器实物图如下所示：
（1）引脚介绍：
Pin1：(VDD)，电源引脚，供电电压为3~5.5V。
Pin2：（DATA），串行数据，单总线。
Pin3:（NC），空脚，请悬浮。
Pin4（VDD），接地端，电源负极。
（2）接口说明 ：
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
（3）数据帧的描述：
DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据
+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据
数据传送正确时校验和数据等于"8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据"所得结果的末8位。
（4）电气特性：VDD=5V，T = 25℃，除非特殊标注
表3-2 DHT11的电气特性
|------|----|-----|-----|-----|----|
| 参数 | 条件 | Min | typ | max | 单位 |
| 供电 | DC | 3 | 5 | 5.5 | V |
| 供电电流 | 测量 | 0.5 | | 2.5 | mA |
| 供电电流 | 平均 | 0.2 | | 1 | mA |
| 供电电流 | 待机 | 100 | | 150 | uA |
| 采样周期 | 秒 | 1 | | | 次 |
注:采样周期间隔不得低于1秒钟。
（5）时序描述：
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
通讯过程如下图所示：
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。
总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
数字0信号表示方法如下图所示：
数字1信号表示方法如下图所示
4.4 显示电路设计
LCD1602 是字符型液晶显示模块，在大大棚温湿度自动监控系统中用于实时展示关键信息。LCD1602 的引脚 1（VSS）连接系统地，为模块提供电气参考零电位；引脚 2（VCC）接入合适的直流电源（通常为 5V ），为内部电路和液晶显示驱动提供能量。引脚 15（A）和引脚 16（K）分别是背光电源的正极和负极接口。通过连接外部电源，可驱动模块的背光 LED，在光线较暗的大棚环境中，能清晰显示内容。引脚 3（VO）是对比度调节端，通过串联一个 10kΩ（103）的可变电阻 R2 接地来实现对比度调整。改变可变电阻的阻值，能够精确控制 VO 引脚的电压值。而该电压直接影响 LCD1602 内部液晶驱动电路的偏置电压，从而改变液晶分子的偏转角度，最终达到调节显示对比度的目的，使显示字符或数字清晰锐利。
引脚 4（RS）为寄存器选择引脚，当 RS 为高电平时，选择数据寄存器，单片机可向其写入待显示的数据或从中读取显示缓冲区的数据；当 RS 为低电平时，选择指令寄存器，单片机可发送诸如清屏、光标定位等控制指令。引脚 5（RW）为读写选择引脚，高电平时执行读操作，低电平时执行写操作。引脚 6（EN）为使能引脚，单片机在 EN 引脚上产生一个由高到低的电平跳变时，LCD1602 会锁存 RS、RW 以及数据总线上的信号，并执行相应操作。D0 - D7 这 8 位引脚是双向数据总线，与单片机的 I/O 口相连。在显示过程中，单片机通过这些引脚以并行方式向 LCD1602 传输显示字符的 ASCII 码等数据，或发送控制指令码，从而实现大棚温湿度数值、系统状态等信息的实时显示 。
4.5 DS18B20温度传感器设计
本次设计采用DS18B20温度传感器检测室内场所的温度，DS18B20是一款数字温度传感器，与传统的温度传感器不同，其输出的是数字信号，可以直接传说给单片机，显示在LCD1602液晶屏上。其较小的体积和高密封性，使其应用于绝大部分的场合，比如冷冻库、机房、粮仓、空调、汽车等领域。此外，DS18B20应用方便，抗干扰能力强，精度高，价格便宜的优点。
DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。它的主要技术特性如下：
①具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用 1 位I/O 端口；
②支持多节点，使分布式多点测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化；
③测温时无需任何外部元件：
④可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式：
⑤测温范围为-55~+125℃，测温精度为±0.5℃：
⑥温度转换精度 9-12 位可编程，能够直接将温度转换值以 16 位二进制数码的方式串行输出。12 位精度转换的最大时间为 750ms。
因为它是数字输出，而且只占用一个 I/O 端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 A/D 转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。
1．DS18B20 的结构
DS18B20 主要由四部分组成。
①64 位光刻 ROM 数据存储器
②温度传感器
③非易失性电可擦写温度报警触发器 TH 和 TL
④非易失性电可擦写设置寄存器
如图3-3 所示，器件只有 3 根外部引脚，其中 VDD和 GND 为电源引脚，另一根 DQ 线则用作 I/O 总线，因此称为一线式数据总线。与单片机接口的每个 I/O 口可挂接多个 DS18B20 器件。
每片 DS18B20 含有一个唯一的 64 位 ROM 编码。头八位是产品系列编码，表示产品的分类编号；接着的 48 位是一个惟一的产品序列号，序列号是一个 15 位的十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后 8 位是前 56 位的循环冗余(CRC)校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。所以多片 DS18B20 能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。这为温度的多点测量带来了极大的方便。
DS18B20 传感器的内部数据存储器由 9 个字节组成。第一、二个字节是温度数据(MSB、LSB)，可以在系统配置寄存器中自行设置数据位数(9~12 位)，数据位越多温度分辨率越高，多余的高位是温度数据的符号扩展位。第三、四字节是温度上下限报警值( TH、TL) 。第五字节是系统配置寄存器，寄存器各位定义如下：第八位用来设置传感器的工作状态，"1" 为测试状态，"0"为操作状态，出厂设置为操作功能状态，用户不能修改；第七、六两位是温度转换数据位的设置(00、01、10、11 分别对应9、10、11、12 位温度数据)，出厂设置为 12 位温度数据位，用户可根据需要进行修改，其余位无效。第六、七、八字节保留未用。第 9 个字节是CRC 校验码，是前面 8 个字节的循环校验码，用在通信中验数据传送的正确性。
温度传感器的转换结果以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，其中第一个字节（Byte0）存放测温结果的低位（LS Byts），第二个字节（Byte1）存放测温结果的高位（MS Byts），S 为符号位，其它位为数据位，温度为负时 S=1；温度为正时 S=0。格式如下表所示：
表低位存放数据
|--------|------|------|------|------|------|------|------|------|
| LSByts | Bit0 | Bit1 | Bit2 | Bit3 | Bit4 | Bit5 | Bit6 | Bit7 |
| | 23 | 22 | 21 | 20 | 2-1 | 2-2 | 2-3 | 2-4 |
表 高位存放数据
|--------|------|------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|
| MSByts | Bit8 | Bit9 | Bit10 | Bit11 | Bit12 | Bit13 | Bit14 | Bit15 |
| | S | S | S | S | S | 26 | 25 | 24 |
如果测量的温度值高于温度报警触发器 TH 或低于 TL 中的值，则DS18B20 内部的报警标志位就被置位，表示温度测量值超出范围。DS18B20 的温度转换位数可以选择 9~12 位，分别对应的测温分辨率为0.5℃, 0.25℃，0.125℃，0.0625℃。不过温度转换位数越大，转换时间也越长。12 位精度的最大转换时间为 750ms。DS18B20 的测温范围为-55~+125℃，温度转换结果以16 位二进制方式单线输出, 转换的位数可通过写配置寄存器（字节 4）设定, 其格式如下表：
表 输出位数配置寄存器
|------|------|------|------|------|------|------|------|
| Bit7 | Bit6 | Bit5 | Bit4 | Bit3 | Bit2 | Bit1 | Bit0 |
| 0 | R1 | R0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
R1、R0 的设定值与位数、分辩率和最大转换时间的关系如表 3-1 所示，可见位数每减少一位，分辩率同比减少而转换时间则加快一倍, 器件上电时默认分辩率为 12 位。
表 配置寄存器设置
|----|----|--------|----------|------------------|
| R1 | R0 | 分辨率℃ | 最大转换时间ms | 有效位数 |
| 0 | 0 | 0.5 | 93.75 | 9位（Bit11~Bit3） |
| 0 | 1 | 0.25 | 187.50 | 10位（Bit11~Bit2） |
| 1 | 0 | 0.125 | 375.00 | 11位（Bit11~Bit1） |
| 1 | 1 | 0.0625 | 750.00 | 12位（Bit11~Bit0） |
温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器(EEPROM )组成，设置值通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丢失。
- DS18B20 的测温原理
DS18B20 的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图 3-4 所示。DS18B20 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值来测量温度。计数器被预置为与- 55℃对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于- 55℃，被预置在- 55℃的温度寄存器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。这个值以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。
- DS18B20 的封装和供电方式
DS18B20 是 DS1820 的升级产品，一般封装为 TO-92，比 DS1820 的PR-35 封装更小。DS18B20 只有三根外引线：单线数据传输端口 DQ、共用地线 GND、外供电源线 VDD。
DS18B20 有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时 VDD 接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个 MOSFET 管和单片机的一个 I/O 口来完成对 DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD 接+5V)，完成温度测量的时间较短。当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。但当所测温度超过 100℃时，DS18B20 的漏电流增大，传感器从 I/O 线上获取的电流不足以维持DS18B20 通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。
温度传感器DS18B20主要是用来进行温度检测，其检测原理是低温度系数晶振和高温度系数晶振分别发送脉冲信号给计数器1和计数器2，温度寄存器和计数器1设定一个基数值，并根据脉冲信号进行减法计算，之后计数器2进行计数。从而得出温度寄存器中准确的数值。DS18B20 的硬件电路如图 3.9所示。
项目 实现
5.1 软件设计
系统启动后，首先进入系统初始化环节。该步骤对 STM32 微控制器的各个功能模块，如 GPIO、定时器、串口等进行配置，同时初始化连接的各类传感器以及 OLED 显示屏等外设，为后续运行奠定基础。完成初始化后，系统开始温湿度采集工作。通过与温湿度传感器（如 DHT11）的通讯接口，按照特定的通讯协议，STM32 微控制器定时获取大棚内的温度和湿度数据。这些原始数据可能存在一定误差，因此还需经过滤波、校准等处理，以确保数据的准确性。采集到的数据会传输至 OLED 进行数据显示。OLED 显示屏凭借其高对比度、低功耗等优势，能够清晰、直观地将当前温湿度信息呈现给用户，方便用户随时了解大棚内环境状况。系统会判断按键是否按下。按键作为用户与系统交互的重要输入设备，可用于设置温湿度阈值等参数。当检测到按键按下（即判断结果为 "Y"）时，系统进入阈值设置程序，用户能根据蔬菜生长需求，灵活调整温度和湿度的上下限阈值。若按键未按下（判断结果为 "N"），则系统继续循环执行温湿度采集和显示等操作。
此软件设计流程简洁高效，实现了基本的温湿度监测和简单的用户交互功能。在实际应用中，还可进一步拓展，如结合无线通讯模块实现远程数据传输和控制，或者与其他环境参数传感器协同工作，提升系统的全面性和智能化水平，软件设计流程图如图5-1所示
5-1 软件设计流程图
5.2 硬件设计
该基于 51 单片机的温湿度检测报警系统硬件设计涵盖多个功能模块，各模块相互协作，实现对大棚温湿度的监测与调控。
核心控制模块：51 单片机最小系统模块是整个系统的核心，stm32f103c8t6单片机通过其丰富的 I/O 口与其他模块连接，处理来自温湿度传感器的数据，执行预设程序，并控制各模块协调工作。
数据采集模块：DHT11 传感器模块负责采集环境温湿度数据，其单总线接口便于与单片机连接，将实时温湿度信息传输给单片机进行处理。
显示与存储模块：LCD1602 模块用于实时显示温湿度数值及系统状态等信息，方便用户查看。EEPROM 存储器模块则用于存储重要参数，如温湿度阈值、校准数据等，即使断电数据也不会丢失，保证系统运行的连续性。
控制与报警模块：继电器模块通过单片机控制，实现对外部设备如通风机、加湿器等的开关控制，以调节温湿度。蜂鸣器模块在温湿度超出设定范围时发出警报，提醒用户采取措施。
交互与支持模块：按键模块为用户提供了参数设置和功能选择的接口，可灵活调整系统运行参数。电源模块为整个系统提供稳定的电力供应，确保各模块正常工作。程序下载模块方便用户将编写好的程序下载到单片机中，便于系统功能的更新与调试 。这些模块有机组合，构成了一个功能较为完备的温湿度检测报警系统硬件平台，为大棚温湿度的自动调节提供了坚实的硬件基础。硬件演示如图5-2所示。
图5-2 项目演示
系统测试
6.1 测试目的
对基于单片机的大大棚温湿度自动监控系统进行测试，旨在全面评估系统的性能、可靠性以及兼容性，确保其能够满足实际大棚环境下的温湿度调节需求。通过测试，发现系统在设计、开发和集成过程中存在的潜在问题，如硬件故障、软件漏洞、兼容性冲突等，为后续的优化改进提供有力依据。同时，验证系统是否达到预期的功能指标，包括温湿度监测精度、调节控制的准确性和及时性、系统稳定性等，为系统投入实际应用奠定坚实基础。
6.2 系统兼容性测试
6.2.1 硬件兼容性测试
硬件兼容性测试是确保系统各硬件组件能够协同工作，避免因硬件不匹配导致系统故障。首先，对不同批次、不同厂家的关键硬件设备进行测试，如 STM32C8T6单片机、DHT11 温湿度传感器、LCD1602 显示模块等。检查在相同的系统环境下，这些设备是否能正常工作，输出数据是否一致。例如，更换不同厂家生产的 DHT11 传感器，观察单片机能否正确读取温湿度数据，数据的准确性是否在误差范围内。
测试系统中各硬件设备之间的电气兼容性。测量各硬件接口的电压、电流等参数，确保它们符合设备的额定值，不会因过压、过流等情况损坏设备。同时，检查硬件连接的稳定性，在模拟大棚内可能存在的振动、摇晃等环境下，测试硬件连接是否会松动，导致数据传输中断或系统故障。例如，对连接温湿度传感器与单片机的数据线进行反复弯折测试，观察系统是否能持续稳定地获取数据。
6.2.2 软件兼容性测试
软件兼容性测试主要关注系统软件与不同硬件平台、操作系统以及其他相关软件的兼容性。在硬件平台方面，除了在标准的 STM32C8T6单片机开发板上运行软件，还尝试在不同型号的单片机开发板上进行测试，确保软件能够正常运行，不会因硬件平台的差异出现运行错误或功能异常。
对于操作系统兼容性，考虑到系统可能在不同的上位机或移动设备上进行监控和管理，测试软件在常见的 Windows、Android 等操作系统上的运行情况。检查软件界面是否能正常显示，各项功能是否能正常操作，数据传输是否稳定。例如，通过手机 APP（若有）连接大大棚温湿度自动监控系统，测试在不同品牌、型号的 Android 手机上，APP 能否成功连接系统，实时查看温湿度数据并进行远程控制。
此外，还需测试软件与其他可能关联的软件的兼容性。如系统可能与农业数据管理软件集成，测试两者之间的数据交互是否顺畅，数据格式是否兼容，不会出现数据丢失或错误解析的情况。
6.3 功能性测试
功能性测试是验证系统是否具备设计要求的各项功能。首先，对温湿度监测功能进行测试。在不同的温湿度环境下，使用高精度的温湿度校准仪器作为参考，对比系统测量的温湿度数据。例如，在温度为 25℃、湿度为 60% RH 的环境中，观察系统显示的温湿度数据与校准仪器数据的偏差是否在允许范围内。通过在不同温湿度区间进行多次测试，全面评估系统温湿度监测的准确性。
测试系统的温湿度自动调节功能。设置不同的温湿度阈值，模拟大棚内温湿度超出阈值的情况，观察系统是否能及时启动相应的执行机构，如通风机、加湿器、加热器等，对温湿度进行调节。记录系统从检测到温湿度异常到执行机构启动的响应时间，以及温湿度调节到设定范围内所需的时间，评估调节的及时性和有效性。例如，当温度设定上限为 30℃，实际温度上升到 31℃时，系统应在短时间内启动通风机进行降温，观察温度是否能在合理时间内下降到 30℃以下。
对系统的报警功能进行测试。故意将温湿度调节到超出报警阈值范围，检查系统是否能通过蜂鸣器、手机推送（若有）等方式及时发出报警信号，提醒用户大棚内温湿度异常。同时，测试报警信息的准确性和完整性，确保用户能够清晰了解异常情况的具体内容。
测试系统的人机交互功能。检查按键操作是否灵敏，能否准确实现参数设置、模式切换等功能。观察 LCD1602 显示模块是否能清晰显示温湿度数据、系统状态等信息。对于具备远程监控功能的系统，测试远程操作的便捷性和稳定性，如通过手机 APP 或电脑端软件能否顺利对系统进行控制和参数调整 。
