STM32实现大棚环境监测系统：Proteus仿真代码详解

含仿真图，仿真程序，以及演示的视频文件。

基于 STM32 的大棚环境监测系统

摘要：本文设计了一种基于 STM32 的大棚环境监测系统。该系统能够实时监测大棚内的环境温湿度、光照强度和二氧化碳浓度，并通过调整加热器和降温器来维持恒定的温度和湿度。当环境湿度超过阈值或环境温度低于阈值时，系统会启动声光报警。通过 STM32 单片机实现对大棚环境的智能化监测与控制，提高大棚环境管理的效率和精准度。

关键词：STM32；大棚环境监测；温湿度控制；声光报警

一、引言

大棚种植在现代农业中发挥着重要作用，能够为作物提供适宜的生长环境。然而，大棚内的环境因素如温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等对作物的生长有着重要影响。传统的大棚环境监测方式效率低下、精度不高，无法满足现代农业的需求。基于 STM32 的大棚环境监测系统利用 STM32 单片机强大的处理能力和丰富的外设资源，实现对大棚环境的实时监测和智能控制，具有高效、精准、智能化的特点。

二、系统总体设计

2.1 设计目标

设计一种基于 STM32 的大棚环境监测系统，实现以下功能：

实时监测大棚内的环境温湿度、光照强度和二氧化碳浓度。
通过调整大棚内的加热器和降温器来维持恒定的温度和湿度，使大棚内的温度和湿度保持在预定范围内。
当环境湿度超过阈值或环境温度低于阈值时，启动声光报警。

2.2 系统总体框图

系统主要由 STM32 单片机、温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器、加热器、降温器、声光报警器、显示模块等组成。STM32 单片机作为核心控制单元，负责采集传感器数据、处理控制逻辑、控制加热器和降温器的工作状态以及触发声光报警。

三、硬件设计

3.1 STM32 单片机

选用 STM32F103 系列单片机，该单片机具有丰富的外设资源，如 GPIO、ADC、USART 等，能够满足系统的控制需求。

3.2 温湿度传感器

采用 DHT11 温湿度传感器，该传感器能够同时测量环境的温度和湿度，具有测量精度高、响应速度快等优点。

3.3 光照强度传感器

选用 BH1750 光照强度传感器，该传感器采用数字输出，能够准确测量环境的光照强度。

3.4 二氧化碳浓度传感器

采用 MH – Z19 二氧化碳浓度传感器，该传感器具有高精度、高稳定性等特点，能够实时测量环境中的二氧化碳浓度。

3.5 加热器和降温器

加热器可采用电热丝等加热元件，降温器可采用风扇或制冷片等设备。通过继电器控制加热器和降温器的通断，实现对大棚内温度和湿度的调节。

3.6 声光报警器

声光报警器由蜂鸣器和 LED 灯组成，当环境湿度超过阈值或环境温度低于阈值时，蜂鸣器发出警报声，LED 灯闪烁，提醒用户注意。

3.7 显示模块

选用 LCD 显示屏，用于显示大棚内的环境参数（温湿度、光照强度、二氧化碳浓度）以及设定的温度和湿度阈值。

3.8 硬件电路连接

温湿度传感器、光照强度传感器和二氧化碳浓度传感器的输出端连接到 STM32 单片机的相应引脚。

加热器和降温器的控制端通过继电器连接到 STM32 单片机的 GPIO 口。

声光报警器的控制端连接到 STM32 单片机的 GPIO 口。

显示模块的接口连接到 STM32 单片机的相应引脚。

四、软件设计

4.1 软件总体流程

软件设计主要包括主程序、初始化程序、传感器数据采集程序、显示程序、控制逻辑程序和声光报警程序等。主程序负责初始化系统、循环检测传感器数据、调用各子程序；初始化程序设置系统参数；传感器数据采集程序采集环境参数；显示程序显示相关信息；控制逻辑程序根据采集的数据和设定的阈值进行控制；声光报警程序在环境参数异常时触发报警。

4.2 初始化程序

初始化程序包括系统时钟初始化、GPIO 初始化、ADC 初始化、USART 初始化、显示模块初始化等。系统时钟初始化设置 STM32 单片机的主频；GPIO 初始化将连接传感器、加热器、降温器、声光报警器和显示模块的 GPIO 口设置为相应的输入或输出模式；ADC 初始化设置 ADC 的通道、采样频率等参数；USART 初始化设置 USART 的波特率、数据位、停止位等参数；显示模块初始化设置显示模块的显示模式和参数。

4.3 传感器数据采集程序

温湿度传感器：通过单总线协议与 DHT11 温湿度传感器通信，读取温度和湿度数据。

光照强度传感器：使用 I2C 协议与 BH1750 光照强度传感器通信，获取光照强度数据。

二氧化碳浓度传感器：通过 UART 接口与 MH – Z19 二氧化碳浓度传感器通信，读取二氧化碳浓度数据。

4.4 显示程序

使用 LCD 显示屏的驱动程序，将采集到的环境参数（温湿度、光照强度、二氧化碳浓度）以及设定的温度和湿度阈值显示到显示屏上。

4.5 控制逻辑程序

温度和湿度控制：将采集到的温度和湿度数据与设定的阈值进行比较。当温度低于设定温度阈值时，控制加热器打开；当温度高于设定温度阈值时，控制加热器关闭。当湿度高于设定湿度阈值时，控制降温器打开；当湿度低于设定湿度阈值时，控制降温器关闭。

动态调整：根据温度和湿度的变化情况，动态调整加热器和降温器的工作状态，使大棚内的温度和湿度保持在预定范围内。

4.6 声光报警程序

当环境湿度超过阈值或环境温度低于阈值时，触发声光报警程序。控制蜂鸣器发出警报声，同时控制 LED 灯闪烁。

五、系统详细功能实现

5.1 环境参数监测功能实现

系统上电后，初始化传感器和显示模块。在主程序的循环中，不断调用传感器数据采集程序，采集温湿度、光照强度和二氧化碳浓度数据。采集到的数据通过显示程序显示到 LCD 显示屏上，方便用户实时了解大棚内的环境状况。

5.2 温度和湿度控制功能实现

在控制逻辑程序中，根据采集到的温度和湿度数据与设定的阈值进行比较。通过继电器控制加热器和降温器的通断，实现对大棚内温度和湿度的调节。例如，当温度低于设定温度阈值时，STM32 单片机输出高电平，使控制加热器的继电器吸合，加热器开始工作；当温度达到设定温度阈值时，STM32 单片机输出低电平，继电器断开，加热器停止工作。湿度控制同理。

5.3 声光报警功能实现

在声光报警程序中，当环境湿度超过阈值或环境温度低于阈值时，STM32 单片机控制蜂鸣器和 LED 灯的工作状态。蜂鸣器发出连续的警报声，LED 灯以一定的频率闪烁，提醒用户注意大棚内的环境异常。

六、系统测试与优化

6.1 系统测试

在实际硬件电路上进行系统测试，检查大棚环境监测系统的各项功能是否正常。测试内容包括传感器数据采集的准确性、显示功能的正确性、加热器和降温器的控制效果、声光报警的及时性等。

6.2 问题分析与解决

在测试过程中，可能会遇到一些问题，如传感器数据不准确、显示异常、加热器和降温器控制失灵、声光报警误触发等。针对这些问题，进行详细的分析，找出问题的原因，并采取相应的解决措施。例如，如果传感器数据不准确，可能是传感器校准不准确或信号干扰导致，需要重新校准传感器或增加滤波措施；如果显示异常，可能是显示模块驱动程序错误或硬件连接问题导致，需要检查驱动程序和硬件连接。

6.3 系统优化

为了提高系统的性能和稳定性，对系统进行优化。例如，优化传感器数据采集算法，提高数据采集的精度和速度；优化控制逻辑程序，使加热器和降温器的控制更加精准和及时；优化声光报警程序，减少误触发的概率。

七、结论

本文设计了一种基于 STM32 的大棚环境监测系统，实现了对大棚内环境温湿度、光照强度和二氧化碳浓度的实时监测，通过调整加热器和降温器维持恒定的温度和湿度，并在环境参数异常时启动声光报警。经过系统测试和优化，该系统具有较高的准确性和稳定性，能够满足大棚环境监测的需求。通过 STM32 单片机的控制，实现了对大棚环境的智能化管理，提高了大棚种植的效率和质量。