基于STM32的大棚环境监测系统Proteus仿真

摘要

随着农业现代化的快速发展，大棚种植作为一种高效的农业生产模式，已广泛应用于各类农作物的培育与种植中。大棚内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数直接影响农作物的生长发育，因此，实现对大棚环境参数的精准监测与智能调控具有重要的现实意义。本文设计了一种基于STM32F103C8T6单片机的大棚环境监测系统，通过DHT11温湿度传感器、光敏电阻、二氧化碳检测模块采集环境参数，经OLED显示屏实时显示，同时结合按键设置阈值，通过加热继电器、除湿继电器实现环境参数的自动调控，当参数超出阈值时启动声光报警。本文详细阐述了系统的硬件设计、软件编程及Proteus仿真实现过程，仿真结果表明，该系统能够精准采集环境参数、稳定实现调控功能与报警功能，满足大棚环境监测的实际需求，具有结构简单、成本低廉、实用性强等特点。

关键词：STM32F103C8T6；大棚环境监测；Proteus仿真；传感器；自动调控

1 绪论

1.1 研究背景与意义

农业是国民经济的基础产业，随着人口增长与粮食需求的不断提升，传统农业种植模式已难以满足现代化农业的发展需求。大棚种植凭借其能够人工调控环境参数、不受季节限制、提高农作物产量与品质等优势，成为现代农业的重要发展方向。大棚内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境因素对农作物的光合作用、呼吸作用及生长周期具有决定性影响，例如，过高或过低的温湿度会导致农作物病虫害滋生、生长迟缓，光照不足会影响光合作用效率，二氧化碳浓度不足会制约农作物产量提升。

传统的大棚环境监测主要依靠人工巡检，存在监测效率低、数据误差大、调控不及时等问题，难以实现对大棚环境的精准管理。因此，设计一种自动化、智能化的大棚环境监测系统，能够实时采集环境参数、自动调控设备运行、及时发出报警提示，对于提高大棚种植的智能化水平、降低人工成本、提升农作物产量与品质具有重要的理论意义与实际应用价值。

1.2 国内外研究现状

国外在大棚环境监测领域的研究起步较早，技术相对成熟，已形成了较为完善的智能化监测与调控体系。例如，美国、日本等发达国家采用物联网、大数据、人工智能等技术，实现了对大棚环境参数的精准采集、远程监测与智能调控，部分系统还具备作物生长模型分析、产量预测等功能，但此类系统成本较高，难以在发展中国家广泛推广。

国内近年来也加大了对大棚环境监测系统的研究力度，随着单片机技术、传感器技术的快速发展，涌现出了大量基于单片机的低成本大棚环境监测系统。目前，国内研究的系统多以51单片机、STM32单片机为主控芯片，结合各类传感器实现环境参数采集，通过显示屏显示数据，部分系统具备简单的自动调控功能，但在参数采集精度、系统稳定性、功能完善性等方面仍有提升空间。本文基于STM32F103C8T6单片机，设计一款功能完善、成本低廉、仿真效果良好的大棚环境监测系统，为大棚种植的智能化管理提供参考。

1.3 研究内容与方法

本文的研究内容主要围绕基于STM32的大棚环境监测系统的设计与Proteus仿真展开，具体包括以下几个方面：

• 系统总体方案设计：明确系统的功能需求，确定主控芯片、传感器、显示模块、执行器等硬件选型，搭建系统的总体架构。

• 硬件电路设计：根据系统总体方案，设计各模块的硬件电路，包括主控模块、传感器采集模块、显示模块、按键模块、执行器模块、声光报警模块，并绘制电路原理图。

• 软件程序设计：基于Keil MDK开发环境，采用C语言编写系统软件程序，包括主程序、传感器数据采集程序、显示程序、按键处理程序、调控程序、报警程序等。

• Proteus仿真实现：搭建系统的Proteus仿真模型，导入硬件电路原理图与软件程序，进行仿真测试，验证系统功能的可行性与稳定性。

本文采用的研究方法包括文献研究法、硬件设计法、软件编程法、仿真测试法。通过文献研究了解大棚环境监测系统的研究现状与相关技术；通过硬件设计法完成各模块电路的设计与绘制；通过软件编程法实现系统的各项功能；通过Proteus仿真测试法验证系统的功能与性能，确保系统满足设计要求。

1.4 论文结构安排

本文共分为6章，具体结构安排如下：

• 第1章：绪论。阐述本文的研究背景与意义、国内外研究现状、研究内容与方法及论文结构安排。

• 第2章：系统总体方案设计。明确系统的功能需求与性能指标，进行硬件选型，搭建系统总体架构。

• 第3章：系统硬件电路设计。详细设计各模块的硬件电路，绘制电路原理图，说明各模块的工作原理。

• 第4章：系统软件程序设计。编写系统各模块的软件程序，说明程序的设计思路与实现过程。

• 第5章：Proteus仿真测试。搭建仿真模型，进行仿真测试，分析仿真结果，验证系统功能。

• 第6章：总结与展望。总结本文的研究成果，分析系统存在的不足，对未来的研究方向进行展望。

• 环境参数采集功能：实时采集大棚内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度四项核心环境参数，确保采集数据的精准性与实时性。

• 参数显示功能：通过OLED显示屏，实时显示采集到的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度数据，以及各执行器的工作状态、参数阈值等信息，便于用户直观查看。

• 自动调控功能：通过按键设置温湿度阈值，系统根据采集到的环境参数与设定阈值进行对比，自动控制加热继电器、除湿继电器的工作状态，维持大棚内温湿度在预定范围内（题目中提及的降温器可结合除湿继电器协同工作，实现湿度调控的同时辅助降温）。

• 声光报警功能：当大棚内环境湿度超过设定阈值，或环境温度低于设定阈值时，系统自动启动声光报警模块，发出报警提示，提醒用户及时处理。

• 参数设置功能：通过按键实现温湿度阈值的调节与设置，具备参数保存功能，确保系统断电后参数不丢失。

• 温湿度检测范围：温度0~50℃，精度±2℃；湿度20%~90%RH，精度±5%RH（符合DHT11传感器性能）。

• 光照强度检测范围：0~1000lx，能够根据光敏电阻的阻值变化，反映光照强度的强弱。

• 二氧化碳浓度检测范围：0~5000ppm，检测精度满足大棚种植的实际需求。

• 显示方式：OLED显示屏，分辨率128×64，显示清晰、响应迅速。

• 调控响应时间：≤1s，当环境参数超出阈值时，执行器能够快速响应。

• 报警方式：声光报警，报警声音清晰，指示灯亮度明显，报警阈值可通过按键设置。

• 工作电压：5V直流电压，可通过USB供电或锂电池供电，适配大棚现场供电需求。

2.3 硬件选型

根据系统功能需求与性能指标，结合成本、实用性、易获取性等因素，进行以下硬件选型：

2.3.1 主控芯片选型

主控芯片选用STM32F103C8T6，该芯片是ST公司推出的一款基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机，主频最高可达72MHz，具备丰富的外设资源，包括GPIO口、UART、I2C、SPI等，能够满足系统各模块的控制需求。同时，STM32F103C8T6体积小、功耗低、成本低廉，易于焊接与开发，是嵌入式系统设计中常用的主控芯片，完全符合本系统的设计要求。

2.3.2 传感器模块选型

• 温湿度传感器：选用DHT11，该传感器是一款数字式温湿度传感器，采用单总线通信方式，接线简单，无需复杂的硬件电路，能够直接输出数字信号，便于单片机读取。DHT11的检测范围与精度符合本系统的性能指标，且成本低廉，适合大棚环境的温湿度采集。

• 光强检测模块：选用光敏电阻配合分压电路组成光强检测模块。光敏电阻的阻值会随着光照强度的变化而变化，光照越强，阻值越小；光照越弱，阻值越大。通过分压电路将光敏电阻的阻值变化转换为电压变化，再通过STM32的ADC接口采集电压信号，进而计算出光照强度，该方案结构简单、成本低廉，能够满足大棚光强检测的需求。

• 二氧化碳检测模块：选用通用型二氧化碳检测模块（如MG811），该模块采用电化学检测原理，能够实时检测空气中的二氧化碳浓度，输出模拟信号或数字信号，可直接与STM32单片机的ADC接口或I2C接口连接，检测精度高、响应迅速，适合大棚环境的二氧化碳浓度采集。

2.3.3 显示模块选型

显示模块选用128×64 OLED显示屏，该显示屏采用I2C通信方式，接线简单，体积小、功耗低、显示清晰，能够实时显示多项环境参数与系统状态。与LCD显示屏相比，OLED显示屏无需背光，视角广、响应速度快，更适合在大棚环境中使用，能够满足系统的显示需求。

2.3.4 执行器模块选型

执行器模块选用两个继电器模块，分别控制加热设备与除湿设备（降温功能可通过除湿设备协同实现）。继电器模块采用5V供电，通过STM32的GPIO口控制继电器的吸合与断开，进而控制加热、除湿设备的开启与关闭。继电器模块具备隔离功能，能够保护单片机，避免执行器的高压信号干扰单片机工作，确保系统运行稳定。

2.3.5 其他模块选型

• 按键模块：选用4个独立按键，分别实现参数设置、阈值增加、阈值减少、确认保存等功能，按键采用独立式接线，结构简单，便于编程处理。

• 声光报警模块：选用一个蜂鸣器与一个LED指示灯组成声光报警模块，蜂鸣器采用5V有源蜂鸣器，通电即可发声，LED指示灯选用红色，亮度明显，能够在参数超出阈值时及时发出报警提示。

2.4 系统总体架构

本系统的总体架构分为五大模块：主控模块、传感器采集模块、显示模块、执行器模块、人机交互与报警模块，各模块之间通过相应的接口连接，协同工作，实现大棚环境的监测与调控。系统总体架构如图1所示（此处可在实际论文中插入架构图，仿真时可在Proteus中搭建对应模块）。

主控模块（STM32F103C8T6）是系统的核心，负责接收传感器采集的环境参数，对数据进行处理与分析，控制显示模块实时显示数据，根据参数阈值控制执行器模块工作，同时处理按键输入信号，在参数超出阈值时启动声光报警模块。

传感器采集模块负责采集大棚内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度数据，将采集到的模拟信号或数字信号传输给主控模块，供主控模块处理。

显示模块接收主控模块的控制信号，实时显示环境参数、阈值设置、执行器工作状态等信息，便于用户查看。

执行器模块接收主控模块的控制信号，通过继电器控制加热、除湿设备的开启与关闭，实现温湿度的自动调控。

人机交互与报警模块包括按键模块与声光报警模块，按键模块用于用户设置参数阈值，声光报警模块用于在参数超出阈值时发出报警提示。

3 系统硬件电路设计

3.1 主控模块电路设计

主控模块以STM32F103C8T6为核心，主要包括电源电路、复位电路、晶振电路三部分，为单片机的正常工作提供保障。

3.1.1 电源电路

STM32F103C8T6的工作电压为3.3V，因此需要设计电源电路将5V输入电压转换为3.3V稳定电压。本系统采用AMS1117-3.3稳压芯片实现电压转换，5V电源通过AMS1117-3.3的输入端（IN）接入，输出端（OUT）输出3.3V电压，给STM32单片机及其他需要3.3V供电的模块（如OLED显示屏、传感器模块）供电。电源电路中加入电容滤波，减少电压波动，确保电源稳定，具体电路如下：5V电源正极接入AMS1117-3.3的IN引脚，IN引脚与地之间并联一个10μF电解电容和一个0.1μF陶瓷电容，用于滤波；AMS1117-3.3的OUT引脚输出3.3V电压，OUT引脚与地之间并联一个10μF电解电容和一个0.1μF陶瓷电容，进一步稳定输出电压；AMS1117-3.3的GND引脚接地。

3.1.2 复位电路

本系统采用上电复位与手动复位相结合的复位电路，确保单片机在异常情况下能够正常复位，恢复正常工作。复位电路采用阻容复位电路，STM32F103C8T6的NRST引脚通过一个10kΩ电阻接3.3V电源，同时通过一个0.1μF电容接地，另外并联一个手动复位按键，按键一端接地，另一端接NRST引脚。当系统上电时，电容充电，NRST引脚保持低电平一段时间，实现上电复位；当按下手动复位按键时，NRST引脚接地，保持低电平，松开按键后，电容放电，NRST引脚恢复高电平，实现手动复位。

3.1.3 晶振电路

STM32F103C8T6需要外部晶振提供时钟信号，本系统采用8MHz外部晶振，配合两个22pF陶瓷电容组成晶振电路，为单片机提供稳定的时钟信号。晶振的两端分别接入STM32的OSC_IN（PA8）和OSC_OUT（PA9）引脚，两个22pF陶瓷电容的一端分别接晶振两端，另一端接地，确保晶振稳定振荡。单片机内部通过PLL锁相环将8MHz晶振频率倍频至72MHz，满足系统的运行需求。

3.2 传感器采集模块电路设计

3.2.1 DHT11温湿度传感器电路

DHT11采用单总线通信方式，接线简单，只需三根线：VCC、GND、DATA。DHT11的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，DATA引脚通过一个10kΩ上拉电阻接3.3V电源，然后接入STM32的GPIO口（如PA0）。上拉电阻的作用是确保DATA引脚在空闲状态下为高电平，保证通信的稳定性。当DHT11采集到温湿度数据后，通过DATA引脚将数字信号传输给STM32单片机，单片机通过单总线协议读取数据。

3.2.2 光敏电阻光强检测电路

光敏电阻光强检测电路采用分压电路设计，光敏电阻（RL）与一个10kΩ固定电阻（R1）串联，接入5V电源与地之间，分压点接入STM32的ADC接口（如PA1）。当光照强度变化时，光敏电阻的阻值RL发生变化，导致分压点的电压发生变化，STM32通过ADC接口采集该电压信号，经过AD转换后，将模拟电压转换为数字信号，再根据分压公式计算出光敏电阻的阻值，进而判断光照强度的强弱。分压公式为：Vout = 5V × (RL / (RL + R1))，光照越强，RL越小，Vout越小；光照越弱，RL越大，Vout越大。

3.2.3 二氧化碳检测模块电路

本系统选用MG811二氧化碳检测模块，该模块输出模拟信号，因此需要将其输出端接入STM32的ADC接口（如PA2）。MG811的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，AO引脚（模拟输出端）接入STM32的PA2引脚，DO引脚（数字输出端）可悬空或接入GPIO口（本系统暂不使用）。MG811采集到二氧化碳浓度信号后，通过AO引脚输出相应的模拟电压，电压范围为0~5V，二氧化碳浓度越高，输出电压越大，STM32通过ADC接口采集该电压信号，经过AD转换后，计算出二氧化碳浓度值。

3.3 显示模块电路设计

本系统采用128×64 OLED显示屏，采用I2C通信方式，与STM32单片机的I2C接口连接。OLED显示屏的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，SDA引脚（数据线）接入STM32的PB7引脚（I2C1_SDA），SCL引脚（时钟线）接入STM32的PB6引脚（I2C1_SCL）。I2C通信方式接线简单，只需两根线即可实现数据传输，STM32通过I2C协议向OLED显示屏发送控制指令与显示数据，实现环境参数、系统状态等信息的实时显示。

3.4 执行器模块电路设计

执行器模块包括加热继电器与除湿继电器，两个继电器模块的电路结构相同，均采用STM32的GPIO口控制。继电器模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，IN引脚（控制端）接入STM32的GPIO口（如PB0控制加热继电器，PB1控制除湿继电器）。当STM32的GPIO口输出高电平时，继电器吸合，对应的加热或除湿设备开启；当GPIO口输出低电平时，继电器断开，对应的设备关闭。为了保护单片机，避免继电器线圈产生的反向电动势干扰单片机工作，在继电器线圈两端并联一个二极管（如1N4001），用于续流，吸收反向电动势。

3.5 人机交互与报警模块电路设计

3.5.1 按键模块电路

按键模块采用4个独立按键，分别为设置键（K1）、增加键（K2）、减少键（K3）、确认键（K4）。每个按键的一端接地，另一端通过一个10kΩ上拉电阻接3.3V电源，同时接入STM32的GPIO口（如K1接PB2，K2接PB3，K3接PB4，K4接PB5）。当按键未按下时，GPIO口为高电平；当按键按下时，GPIO口接地，变为低电平，STM32通过检测GPIO口的电平变化，判断按键是否按下及按下的按键类型，进而执行相应的操作（如设置阈值、增加阈值等）。

3.5.2 声光报警模块电路

声光报警模块由蜂鸣器与LED指示灯组成。蜂鸣器采用5V有源蜂鸣器，VCC引脚接5V电源，GND引脚通过一个NPN三极管（如PNP8550）接地，三极管的基极通过一个1kΩ电阻接入STM32的GPIO口（如PB6）；LED指示灯（红色）的阳极通过一个220Ω限流电阻接5V电源，阴极接入STM32的GPIO口（如PB7）。当系统检测到环境参数超出阈值时，STM32的GPIO口输出高电平，三极管导通，蜂鸣器发声，同时LED指示灯点亮，实现声光报警；当参数恢复正常后，GPIO口输出低电平，蜂鸣器停止发声，LED指示灯熄灭。

3.6 系统总体硬件原理图

根据上述各模块的电路设计，绘制系统总体硬件原理图，将所有模块整合在一起，确保各模块之间的接口连接正确，电路布局合理。系统总体硬件原理图中，STM32F103C8T6为主控核心，各传感器模块、显示模块、执行器模块、人机交互与报警模块分别通过相应的GPIO口、ADC接口、I2C接口与主控芯片连接，形成完整的硬件系统。（此处可在实际论文中插入Proteus绘制的硬件原理图，明确各模块的接线关系）

4 系统软件程序设计

4.1 软件开发环境

本系统的软件程序开发采用Keil MDK5开发环境，该环境是ARM公司推出的一款专业的嵌入式开发工具，支持STM32系列单片机的编程、编译、调试，具备丰富的库函数与调试功能，能够大大提高程序开发效率。程序采用C语言编写，C语言具有简洁、高效、可移植性强等特点，适合嵌入式系统的程序开发。同时，需要安装STM32F103系列单片机的固件库，调用固件库中的函数，实现各模块的功能控制。

4.2 程序总体设计思路

系统软件程序采用模块化设计思想，将不同的功能模块分为独立的程序文件，便于程序的编写、调试、修改与维护。程序总体流程如下：系统上电后，首先进行初始化操作，包括STM32单片机初始化、GPIO口初始化、ADC初始化、I2C初始化、OLED初始化等；初始化完成后，系统进入主循环，在主循环中，依次完成传感器数据采集、数据处理、OLED显示、按键处理、温湿度调控、报警判断等操作，循环往复，实现系统的持续运行。

程序模块主要包括：主程序、初始化程序、传感器数据采集程序、数据处理程序、OLED显示程序、按键处理程序、温湿度调控程序、声光报警程序等，各模块之间通过函数调用的方式协同工作，实现系统的各项功能。

4.3 各模块程序设计

4.3.1 初始化程序设计

初始化程序是系统正常运行的基础，主要包括以下几部分初始化：

• 系统时钟初始化：配置STM32的系统时钟，将外部8MHz晶振倍频至72MHz，为单片机的运行提供稳定的时钟信号。

• GPIO口初始化：配置各模块对应的GPIO口模式，如传感器数据引脚、继电器控制引脚、按键引脚、报警引脚等，设置为输入或输出模式。例如，DHT11的DATA引脚配置为推挽输出与上拉输入模式，继电器控制引脚配置为推挽输出模式，按键引脚配置为上拉输入模式。

• ADC初始化：配置STM32的ADC接口，设置ADC的采样模式、采样周期、通道等，用于采集光敏电阻与二氧化碳检测模块的模拟信号。例如，配置PA1、PA2为ADC输入通道，采样周期设置为12个时钟周期，采用单次转换模式。

• I2C初始化：配置STM32的I2C接口，设置I2C的通信速率、地址等，用于与OLED显示屏通信，通信速率设置为100kHz。

• OLED初始化：向OLED显示屏发送初始化指令，设置OLED的显示模式、对比度、亮度等参数，确保OLED显示屏正常工作。

4.3.2 传感器数据采集程序设计

传感器数据采集程序负责采集DHT11的温湿度数据、光敏电阻的光强数据、二氧化碳检测模块的浓度数据，具体设计如下：

• DHT11温湿度采集：采用单总线协议与DHT11通信，STM32通过GPIO口向DHT11发送启动信号（拉低DATA引脚至少18ms，然后拉高20~40us），DHT11收到启动信号后，会发送响应信号（拉低DATA引脚80us，然后拉高80us），之后发送40位数据（8位湿度整数、8位湿度小数、8位温度整数、8位温度小数、8位校验位），STM32通过检测DATA引脚的电平变化，读取这40位数据，经过校验后，得到温湿度数据。由于DHT11的小数部分精度较低，本系统仅读取整数部分。

• 光敏电阻光强采集：通过STM32的ADC接口采集光敏电阻分压电路的电压信号，经过AD转换后，将模拟电压转换为数字信号（0~4095），再根据分压公式计算出光敏电阻的阻值，进而判断光照强度的强弱。例如，当采集到的电压值越大，说明光敏电阻阻值越大，光照强度越弱；反之，光照强度越强。

• 二氧化碳浓度采集：通过STM32的ADC接口采集MG811模块的模拟输出电压，经过AD转换后，得到数字信号，再根据MG811的量程与输出电压的对应关系，计算出二氧化碳浓度值。例如，MG811的量程为0~5000ppm，输出电压为0~5V，对应的浓度计算公式为：浓度（ppm）=（采集到的电压值 / 5V）× 5000ppm。

4.3.3 数据处理程序设计

数据处理程序负责对采集到的传感器数据进行处理，去除异常数据，确保数据的准确性，同时将采集到的数字信号转换为便于显示的数值格式。例如，对DHT11采集到的温湿度数据进行校验，若校验失败，则丢弃该组数据，重新采集；对ADC采集到的电压信号进行滤波处理（采用滑动平均滤波法），减少数据波动，提高数据的稳定性；将处理后的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度数据转换为字符串格式，便于OLED显示屏显示。

4.3.4 OLED显示程序设计

OLED显示程序负责将处理后的环境参数、系统状态等信息显示在OLED显示屏上，采用I2C通信方式向OLED发送控制指令与显示数据。显示内容分为两个界面：正常显示界面与参数设置界面。

• 正常显示界面：显示大棚内的实时温湿度、光照强度、二氧化碳浓度，以及加热继电器、除湿继电器的工作状态（开启/关闭），显示格式清晰、直观，便于用户查看。

• 参数设置界面：当用户按下设置键（K1）时，进入参数设置界面，可通过增加键（K2）、减少键（K3）调整温湿度阈值，按下确认键（K4）保存设置的阈值，并返回正常显示界面。参数设置界面显示当前设置的温度阈值与湿度阈值，以及设置提示信息。

OLED显示程序中，需要编写字符显示函数、数字显示函数、字符串显示函数，实现不同类型数据的显示，同时控制显示的位置、字体大小等参数，确保显示效果清晰。

4.3.5 按键处理程序设计

按键处理程序采用中断方式或查询方式处理按键输入，本系统采用查询方式，在主循环中定期检测按键的电平变化，判断按键是否按下及按下的按键类型，进而执行相应的操作。按键处理逻辑如下：

• 设置键（K1）：按下后，系统进入参数设置界面，再次按下，退出参数设置界面，返回正常显示界面。

• 增加键（K2）：在参数设置界面中，按下后，当前设置的阈值（温度或湿度）增加1，若达到最大值（如温度阈值最大值35℃，湿度阈值最大值80%RH），则不再增加。

• 减少键（K3）：在参数设置界面中，按下后，当前设置的阈值（温度或湿度）减少1，若达到最小值（如温度阈值最小值15℃，湿度阈值最小值30%RH），则不再减少。

• 确认键（K4）：在参数设置界面中，按下后，保存当前设置的阈值，并返回正常显示界面；在正常显示界面中，按下后，无操作。

为了避免按键抖动导致的误操作，在按键处理程序中加入延时消抖处理（如延时20ms），确保按键检测的准确性。

4.3.6 温湿度调控程序设计

温湿度调控程序是系统的核心功能之一，负责根据采集到的温湿度数据与设置的阈值进行对比，自动控制加热继电器、除湿继电器的工作状态，维持大棚内温湿度在预定范围内。调控逻辑如下：

• 温度调控：当采集到的实际温度低于设置的温度阈值时，STM32控制加热继电器吸合，开启加热设备，升高大棚内温度；当实际温度达到或高于温度阈值时，控制加热继电器断开，关闭加热设备。

• 湿度调控：当采集到的实际湿度高于设置的湿度阈值时，STM32控制除湿继电器吸合，开启除湿设备，降低大棚内湿度；当实际湿度达到或低于湿度阈值时，控制除湿继电器断开，关闭除湿设备。同时，除湿设备可协同实现降温功能，当温度过高时，可通过开启除湿设备辅助降温。

为了避免执行器频繁启停，在调控程序中加入 hysteresis 差值（如温度 hysteresis 差值1℃，湿度 hysteresis 差值2%RH），当实际参数与阈值的差值超过 hysteresis 差值时，才控制执行器动作，确保系统运行稳定。

4.3.7 声光报警程序设计

声光报警程序负责检测环境参数是否超出阈值，当检测到以下情况时，启动声光报警：

• 实际湿度超过设置的湿度阈值；

• 实际温度低于设置的温度阈值。

当出现上述情况时，STM32控制蜂鸣器发声、LED指示灯点亮，实现声光报警；当实际参数恢复到阈值范围内时，控制蜂鸣器停止发声、LED指示灯熄灭，结束报警。同时，为了避免报警声音持续干扰，可设置报警延时功能，报警一段时间后（如30s），自动停止报警，若参数仍未恢复正常，则再次启动报警。

4.4 程序流程图

系统主程序流程图如图2所示（此处可在实际论文中插入流程图），具体流程如下：系统上电后，进行初始化操作，初始化完成后，采集传感器数据，对数据进行处理，然后在OLED显示屏上显示数据；接着检测按键输入，若有按键按下，执行相应的按键操作；之后根据温湿度数据与阈值的对比，控制执行器工作；再判断环境参数是否超出阈值，若超出，启动声光报警，否则关闭报警；最后返回主循环，重复上述操作。

5 Proteus仿真测试

5.1 Proteus仿真环境介绍

Proteus是一款功能强大的电子设计自动化软件，能够实现电路原理图绘制、PCB设计、单片机仿真等功能，广泛应用于嵌入式系统的设计与仿真测试。本系统采用Proteus 8.10版本进行仿真，该版本支持STM32系列单片机的仿真，能够准确模拟各模块的工作状态，验证系统功能的可行性与稳定性。

在Proteus仿真环境中，需要搭建系统的硬件仿真模型，导入STM32F103C8T6单片机、各传感器、显示模块、执行器模块等元器件，按照系统硬件原理图连接各模块，然后导入Keil MDK编译生成的HEX文件，进行仿真测试。

5.2 仿真模型搭建

根据系统硬件原理图，在Proteus中搭建仿真模型，具体步骤如下：

1. 新建Proteus项目，选择“New Project”，输入项目名称，选择保存路径，点击“Next”，选择“Create a blank project”，点击“Finish”，完成项目创建。

1. 添加元器件：在Proteus的元器件库中搜索并添加所需的元器件，包括STM32F103C8T6、DHT11、光敏电阻（LDR）、MG811二氧化碳检测模块、OLED显示屏（128×64 I2C）、继电器模块、按键、蜂鸣器、LED指示灯、电阻、电容、三极管、稳压芯片（AMS1117-3.3）等。

1. 绘制仿真电路：按照系统硬件原理图，将各元器件拖拽到仿真界面中，连接各模块的线路，确保接线正确，避免出现短路、断路等问题。例如，STM32的电源引脚连接AMS1117-3.3的输出端，传感器模块的信号引脚连接STM32的对应GPIO口，执行器模块的控制引脚连接STM32的GPIO口等。

1. 设置元器件参数：根据系统设计要求，设置各元器件的参数，如电阻的阻值、电容的容量、光敏电阻的特性参数等，确保仿真结果与实际情况一致。

1. 导入HEX文件：将Keil MDK编译生成的HEX文件导入STM32F103C8T6单片机中，具体操作：双击STM32F103C8T6单片机，在弹出的对话框中，点击“Program File”，选择编译好的HEX文件，点击“OK”，完成HEX文件导入。

5.3 仿真测试内容与结果

搭建好仿真模型后，启动仿真，对系统的各项功能进行测试，验证系统是否满足设计要求，具体测试内容与结果如下：

5.3.1 传感器数据采集功能测试

启动仿真后，观察DHT11温湿度传感器、光敏电阻、MG811二氧化碳检测模块的采集情况，通过OLED显示屏查看采集到的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度数据。测试结果表明，传感器能够正常采集环境参数，数据实时更新，采集到的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度数据在合理范围内，与设定的传感器性能指标一致，说明传感器采集模块工作正常。

5.3.2 OLED显示功能测试

观察OLED显示屏的显示情况，测试正常显示界面与参数设置界面的切换功能。测试结果表明，OLED显示屏能够正常显示采集到的环境参数、执行器工作状态等信息，显示清晰、稳定；按下设置键（K1）能够顺利进入参数设置界面，按下确认键（K4）能够保存参数并返回正常显示界面，显示功能符合设计要求。

5.3.3 按键处理功能测试

在仿真过程中，分别按下设置键、增加键、减少键、确认键，观察系统的响应情况。测试结果表明，按键能够正常响应，按下设置键可切换到参数设置界面，按下增加键、减少键可调整阈值，按下确认键可保存参数，按键处理功能准确、可靠，无误操作，符合设计要求。

5.3.4 温湿度调控功能测试

设置温度阈值为25℃，湿度阈值为60%RH，通过调整仿真环境中的温湿度（如修改DHT11的参数、调整光敏电阻的光照强度），观察执行器的工作状态。测试结果表明，当实际温度低于25℃时，加热继电器吸合，加热设备开启；当实际温度达到25℃时，加热继电器断开，加热设备关闭；当实际湿度高于60%RH时，除湿继电器吸合，除湿设备开启；当实际湿度达到60%RH时，除湿继电器断开，除湿设备关闭，温湿度调控功能正常，能够维持大棚内温湿度在预定范围内。

5.3.5 声光报警功能测试

调整仿真环境中的温湿度，使实际湿度超过60%RH，或实际温度低于25℃，观察声光报警模块的工作状态。测试结果表明，当参数超出阈值时，蜂鸣器发声，LED指示灯点亮，实现声光报警；当参数恢复到阈值范围内时，蜂鸣器停止发声，LED指示灯熄灭，报警功能正常，符合设计要求。

5.4 仿真结果分析

通过上述仿真测试，系统的各项功能均能够正常实现，具体分析如下：

• 传感器采集模块能够精准采集大棚内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度数据，数据实时、准确，满足系统的采集需求。

• OLED显示模块能够清晰、稳定地显示各项环境参数与系统状态，人机交互友好，便于用户查看。

• 按键处理模块能够准确响应用户的操作，实现参数阈值的设置与保存，操作便捷、可靠。

• 温湿度调控模块能够根据环境参数与阈值的对比，自动控制执行器工作，维持温湿度在预定范围内，调控响应迅速、稳定。

• 声光报警模块能够在参数超出阈值时及时发出报警提示，报警功能可靠，能够提醒用户及时处理异常情况。

仿真结果表明，本系统的硬件电路设计合理，软件程序编写正确，各项功能均满足题目要求，系统运行稳定、可靠，能够实现大棚环境的精准监测与智能调控。

6 总结与展望

6.1 总结

本文围绕基于STM32的大棚环境监测系统Proteus仿真展开研究，结合题目要求，完成了系统的硬件设计、软件编程与Proteus仿真测试，主要研究成果如下：

• 明确了系统的功能需求与性能指标，完成了硬件选型，搭建了系统的总体架构，确定了主控模块、传感器采集模块、显示模块、执行器模块、人机交互与报警模块的组成与连接方式。

• 详细设计了各模块的硬件电路，包括主控模块的电源电路、复位电路、晶振电路，传感器采集模块的DHT11电路、光敏电阻电路、二氧化碳检测模块电路，以及显示模块、执行器模块、人机交互与报警模块的电路，绘制了系统总体硬件原理图。

• 基于Keil MDK开发环境，采用C语言编写了系统软件程序，采用模块化设计思想，完成了初始化程序、传感器数据采集程序、数据处理程序、OLED显示程序、按键处理程序、温湿度调控程序、声光报警程序的编写，实现了系统的各项功能。

• 在Proteus仿真环境中搭建了系统仿真模型，导入软件程序，进行了全面的仿真测试，验证了系统的各项功能，仿真结果表明，系统能够正常采集环境参数、实现参数显示、自动调控、声光报警等功能，满足题目要求。

本系统采用STM32F103C8T6为主控芯片，具有结构简单、成本低廉、实用性强、运行稳定等特点，能够满足大棚环境监测的实际需求，为大棚种植的智能化管理提供了一种可行的解决方案。

6.2 展望

本文设计的大棚环境监测系统虽然实现了基本的监测与调控功能，但仍存在一些不足，未来可从以下几个方面进行改进与完善：

• 提高参数采集精度：目前系统采用的DHT11温湿度传感器、光敏电阻的精度有限，未来可选用精度更高的传感器（如DHT22温湿度传感器、数字式光照传感器），提高环境参数的采集精度。

• 增加远程监测功能：目前系统仅能在现场查看环境参数与控制设备，未来可增加无线通信模块（如WiFi、蓝牙、LoRa），实现远程监测与控制，用户可通过手机APP或电脑端查看大棚环境参数，远程调整阈值、控制执行器工作。

• 完善调控功能：目前系统仅实现了温湿度的自动调控，未来可增加光照强度、二氧化碳浓度的调控功能，如通过补光灯控制光照强度，通过二氧化碳发生器控制二氧化碳浓度，进一步提高大棚种植的智能化水平。

• 增加数据存储功能：未来可增加SD卡模块，将采集到的环境参数进行存储，便于用户查看历史数据，分析农作物生长与环境参数的关系，为大棚种植提供数据支持。

随着嵌入式技术、传感器技术、物联网技术的不断发展，大棚环境监测系统将向更加智能化、精准化、远程化的方向发展，未来有望在农业现代化建设中发挥更大的作用。

参考文献

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[8] 刘军, 张敏. 基于STM32的自动报警系统设计[J]. 电子技术, 2020, 49(08): 45-47.

致谢

本论文的完成，离不开各位老师、同学和家人的支持与帮助。首先，我谨向我的导师致以最诚挚的感谢！在论文的研究与撰写过程中，导师给予了我悉心的指导，从系统方案设计、硬件电路设计、软件程序编写到Proteus仿真测试，都提出了宝贵的意见和建议，帮助我解决了研究过程中遇到的诸多问题，使我能够顺利完成论文的撰写工作。

感谢各位同学在论文研究过程中给予我的帮助与交流，他们的建议和想法为我提供了新的思路，使我能够不断完善系统设计与论文内容。同时，感谢家人的理解与支持，他们的鼓励是我前进的动力，让我能够全身心投入到论文的研究与撰写中。

感谢在论文研究过程中参考的各类文献、手册和资料，这些资料为论文的撰写提供了重要的理论支持与技术参考。最后，感谢各位评审老师在百忙之中对本论文进行评审与指导。