第3章 硬件设计

3.1 单片机模块

3.1.1 单片机

图3-1 STM32F103C8T6引脚图

如图3-1，本系统采用高性能的嵌入式微控制器作为核心处理单元，负责传感器数据采集、执行机构控制和无线通信。该单片机基于精简指令集架构，具备较高的运算速度和低功耗特性，适用于长期运行的物联网应用。其内部集成多种外设接口，包括模拟信号采集、数字通信、定时控制等功能，为系统的多传感器数据处理和外部设备控制提供了良好的支持。单片机的多个输入输出端口用于连接温湿度、土壤湿度、光照和pH传感器，实现环境数据的实时获取，并通过串行通信方式与无线通信模块交互，确保数据能够稳定上传至云端。风扇和继电器的控制信号由单片机的可编程输出端口驱动，实现远程控制功能。供电系统采用低压直流供电，并设计稳压电路以确保系统的稳定运行。该单片机的启动和复位电路设计合理，保证系统在复杂环境下能够正常启动和恢复。整体而言，该单片机模块在性能、功耗、接口扩展能力等方面均满足温室大棚环境监控系统的需求，为数据处理和设备控制提供了可靠的技术支持。

3.1.2复位电路

单片机在上电时需要进行复位，STC89C52RC单片机为高电平复位，保持两个时钟周期即可[2]。一般上电复位电路采用电阻和电容组成，形成一个RC充放电回路，在上电时电容两端的电平不会突变，因此RST引脚为高电平，随着电容充电的完成，RST引脚有高电平降到低电平，进入正常的工作状态。这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

在单片机执行程序出现故障时，需要进行按键复位。通过按键的按下使RST引脚的电平置为高电平，并保持两个时钟周期。一般按键复位是在复位电容上并联一个开关。

本系统采用的复位电路如图3-2所示。

图3-2 复位电路图

3.2 温湿度模块

DHT11温湿度传感器用于测量环境温度和湿度，并将数据传输至单片机进行处理。电路由电源、接地和数据接口组成，数据端口连接单片机的输入端口，实现数字信号传输。传感器内部集成温湿度测量模块和信号处理单元，能够稳定输出测量数据。该传感器具备功耗低、响应快、测量精度适中的特点，适用于温室大棚的环境监测。系统通过该传感器获取实时环境信息，为智能控制提供数据支持，优化作物生长条件。

图3-3 DHT11温湿度检测电路图

3.3 光照模块

光敏电阻模块用于检测环境光照强度，并将光照变化转换为电压信号。电路由光敏电阻和分压电阻组成，形成一个电压分压网络。光照强度改变时，光敏电阻的阻值随之变化，影响分压电路的输出电压，该电压通过模拟信号输入单片机的采集端口。单片机读取该信号后，可根据设定阈值判断环境亮度，进而触发相应的控制逻辑。该电路设计简单，功耗低，适用于温室大棚环境光照监测，实现智能化光照调节。

图3-4 光敏电阻模块电路图

3.4土壤湿度模块

电容式土壤湿度传感器用于测量土壤中的水分含量，并输出相应的信号供单片机处理。该电路由电源输入、接地和信号输出端组成，信号端连接单片机的数字输入端口，实现湿度数据的采集。传感器基于电容感应原理，通过检测土壤水分对电场的影响来测量湿度，避免了传统电阻式探针因长期接触土壤而产生的腐蚀问题，提高了测量的稳定性和耐用性。该设计适用于长期环境监测，能够提供更加可靠的湿度测量数据。

图3-5 电容式土壤湿度传感器电路图

3.5 PH检测模块

PH检测电路用于测量液体的酸碱度，并将数据传输至单片机进行处理。传感器通过电源输入供电，信号输出端连接单片机的模拟输入端口，实时采集水体的PH值。电路采用高精度传感器，通过测量溶液中的氢离子浓度变化来计算PH值，确保数据的准确性和稳定性。该传感器适用于温室大棚的水质监测，能够提供可靠的环境数据，优化植物的生长条件，提高农业生产的智能化水平。

图3-6 PH检测电路图

3.6通讯模块

BC26 NB-IoT模块用于远程无线数据通信，将环境监测数据上传至云端，实现远程监控和控制。电路由电源、接地、串行通信接口组成，模块通过串口与单片机通信，接收指令并发送数据。该模块基于蜂窝网络通信技术，具备低功耗、广覆盖、稳定性强的特点，适用于长期在线监测场景。通过NB-IoT网络，系统能够在远距离、低信号环境下稳定工作，为温室大棚环境监控提供可靠的数据传输保障。

图3-7 BC26 NB-IoT模块电路图