基于單片機的大棚控制系統(tǒng)

耿秀明

內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010071

隨著生活水平的日益提高，人們越來越重視飲食健康，從而進一步促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室大棚的應(yīng)用越來越廣泛，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。國外的溫室設(shè)施已發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標準，但價格比較昂貴，缺乏與我國季候特點相適應(yīng)的測控軟件。

傳統(tǒng)大棚由農(nóng)民依據(jù)自己的經(jīng)驗和簡單的溫度計進行監(jiān)測并手動進行管理控制，很難達到預期的效果。使作物獲得比室外生長更優(yōu)的環(huán)境條件，達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的目的對溫室大棚的性能提出了更高的要求[1]。而在溫室大棚中，最關(guān)鍵的是溫濕度控制技術(shù)。我國現(xiàn)階段大棚多為中小規(guī)模，要在大棚中引入自動控制系統(tǒng)還要考慮成本因素，單片機及電子產(chǎn)品的性價比的提高使這一訴求得以解決。結(jié)合郊區(qū)農(nóng)戶的需要設(shè)計了基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)。

1 溫室大棚溫濕度控制方案

不同的作物對溫度及濕度等生長環(huán)境所需條件各不相同，為它們提供一個適合其生長的密閉環(huán)境，控制其生長的過程及時間，從而達到經(jīng)濟效益的最大化。本系統(tǒng)著重解決溫室大棚的溫度及濕度控制。根據(jù)不同作物及不同生長階段的需求設(shè)計了鍵盤輸入系統(tǒng)，通過鍵盤可以對大棚所需的溫度及濕度進行設(shè)定，以便于隨時調(diào)節(jié)。實現(xiàn)大棚內(nèi)溫度及濕度的實時監(jiān)控功能。隨著電子行業(yè)的發(fā)展，溫濕度控制儀的發(fā)展相當迅速。采用將溫度與濕度集于一體的數(shù)字溫濕度傳感器可以省去信號調(diào)理、校驗等復雜過程。大棚溫濕度顯示功能。為了方便觀察記錄，本系統(tǒng)對大棚的溫濕度設(shè)定與實測值通過LCD實時顯示。溫濕度調(diào)節(jié)，當傳感器檢測的溫濕度與鍵盤所設(shè)定的數(shù)值不同時，通過啟動加熱裝置、降溫裝置及加濕裝置對大棚內(nèi)的溫濕度進行調(diào)節(jié)以達到控制的目的。以AT89C51單片機為核心結(jié)合以上所提出的控制要求進行系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)共分為五個模塊，分別為單片機系統(tǒng)模塊、溫濕度檢測模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊和執(zhí)行調(diào)節(jié)模塊（加熱器、噴水機和降溫風扇等）。

單片機系統(tǒng)模塊主要有AT89C51單片機、時鐘電路、復位電路及電源電路構(gòu)成。時鐘電路由單片機18、19兩管腳外接石英晶體振蕩電路構(gòu)成，為單片機提供時鐘基準[2]。復位電路包括上電復位和按鍵復位兩種功能。電源電路為系統(tǒng)提供電能，是單片機系統(tǒng)能夠正常運行的保證[3]。

溫濕度檢測模塊采用的傳感器為數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。為保證有效傳輸距離在數(shù)據(jù)傳輸引腳（2）接5K的上拉電阻，在電源引腳VDD（1）與地引腳GND（4）見接入一個100nF 的電容，以達到去耦濾波的作用[4]。DHT11傳感器應(yīng)用電路圖如圖2所示。

圖2 DHT11傳感器應(yīng)用電路圖

鍵盤輸入模塊采用的是電話式鍵盤，鍵盤通過鍵盤掃描芯片（74922）與單片機相連。鍵盤掃描芯片不斷掃描鍵盤，當有鍵按下時DA管腳置1，處理的鍵碼值通過74922的ABCD四個管腳傳遞給單片機。

LCD顯示模塊采用的是LCD128×64液晶顯示器，體積小，質(zhì)量輕，功耗極低。

執(zhí)行調(diào)節(jié)模塊主要根據(jù)單片機處理的結(jié)果對溫室大棚的溫度及濕度進行調(diào)節(jié)。由于單片機系統(tǒng)供電只有5V，不能驅(qū)動加熱器、噴水機及通風機設(shè)備的運行，所以采用繼電器電路來實現(xiàn)。通過繼電器觸點的通斷控制調(diào)節(jié)設(shè)備的運行。繼電器控制電路圖如圖3所示。

圖中IN引腳接單片機控制引腳，當單片機引腳出現(xiàn)低電平時，三極管導通，繼電器線圈通電，觸點閉合控制執(zhí)行器件開始工作。當出現(xiàn)高電平時線圈斷電，觸點斷開執(zhí)行器件停止工作。因繼電器線圈屬大感性負載，所以接入二極管起續(xù)流的作用[5]。

3 程序設(shè)計

圖3 繼電器控制電路

本系統(tǒng)程序設(shè)計主要以單片機C51為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計思想對各個模塊分別設(shè)計，最后通過主程序?qū)Ω髂K程序調(diào)用實現(xiàn)系統(tǒng)顯示調(diào)節(jié)功能[6]。主要包括主程序、鍵盤程序、溫濕度檢測程序、LCD顯示程序和繼電器控制程序幾部分。

主程序流程圖如圖4所示。

主程序?qū)Π存I掃描和完成LCD顯示功能。其中初始化主要完成以下功能：當系統(tǒng)啟動時確定電磁閥關(guān)閉、程序設(shè)置溫濕度的上下限值的初始值、用于定時器T1、TO及LCD的初始化等。

鍵盤程序主要是當有鍵盤輸入信號時，對按鍵進行判斷。本程序中采用了防止誤動作功能，要使用鍵盤修改參數(shù)需要先輸入密碼，密碼正確后鍵盤才進行掃描處理。要對溫度進行設(shè)定按“*—數(shù)值—*”，對濕度進行設(shè)定按“#—數(shù)值—#”。

LCD顯示程序完成對設(shè)定的溫度和濕度及監(jiān)測到的溫度和濕度的顯示。LCD128×64四行顯示分別為設(shè)定溫度，設(shè)定濕度，監(jiān)測溫度和監(jiān)測濕度。根據(jù)鍵盤輸入的設(shè)定值和傳感器檢測到的實際值進行數(shù)據(jù)實時顯示。主要包括顯示固定字符，顯示變換數(shù)據(jù)和確定顯示位置等功能。

圖4 主程序流程圖

圖5 鍵盤程序流程圖

溫濕度檢測程序及繼電器控制程序由T0中斷完成，每隔1S處理一次，達到實時監(jiān)測控制的目的。

中斷程序參考：

void timer0（void） interrupt 1 //T0中斷函數(shù){TH0=（65536-50000）/256：TL0=（65536-50000）%256：jishu++：

if（jishu==20）//1S 計時

{jishu=0：

senordht11（）：//溫濕度檢測程序

if（!（cewen＜wendu1&&cewen＞wendu2））

{if（cewen＞=wendu1）shengwen=0：jiangwen=1：//大于溫度上限降溫

else jiangwen=0：shengwen=1：//小于溫度下限升溫}

else {jiangwen=1：shengwen=1：//在溫度設(shè)定范圍內(nèi)溫度執(zhí)行器關(guān)

if（!（ceshi＜shidu1&&ceshi＞shidu2））

{if（ceshi＞=shidu1）jiashi=0：chushi=1：// 大于濕度上限除濕

else chushi=0：jiashi=1：//小于濕度下限加溫

}

else {chushi=1：jiashi=1：}//在濕度設(shè)定范圍內(nèi)濕度執(zhí)行器關(guān)

}

}}

4 仿真結(jié)果分析

利用proteus軟件對系統(tǒng)硬件電路仿真，通過keil軟件進行模塊化程序的編寫，最后進行聯(lián)合調(diào)試。結(jié)果驗證本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鍵盤輸入功能，根據(jù)傳感器的溫濕度值與設(shè)定的溫濕度值的各種不同假定狀態(tài)，能夠正確的驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行繼電器動作，從而達到溫室大棚溫濕度調(diào)節(jié)的功能，并對設(shè)定值與檢測值實現(xiàn)實時顯示功能。

[1]高職富. 溫室環(huán)境控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 中國市場，2007，（35）：76-77.

[2]徐愛鈞. 單片機原理實用教程. 電子工業(yè)出版社，2011.

[3]韓太林. 單片機原理及應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社. 2005.

[4]金偉正. 單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)與應(yīng)用，2000，（8）：87-89.

[5]夏志華. 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J]. 煤炭技術(shù)，2013，（2）：100-101.

[6]楊打生. 單片機C51技術(shù)應(yīng)用. 北京理工大學出版社，2011.