基于單片機的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設計

摘要：針對一般農戶和中、小設施農業(yè)企業(yè)溫室環(huán)境控制的需求，以單片機為智能控制核心，研究開發(fā)了手動控制和自動控制相結合的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)溫室作物生長需要，實現(xiàn)滴灌、噴灌、通風、LED補光、加溫等調控方式的智能化操作。以番茄幼苗為測試樣本，為期20 d的應用性能測試結果表明，該控制系統(tǒng)實時性強、可靠性高、控制性能好，能有效促進番茄幼苗的生長。

關鍵詞：溫室環(huán)境；傳感器；單片機；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2238-04

中國溫室環(huán)境控制發(fā)展比較成熟，先后經歷了“手動控制—機械控制—分散電動控制—集中電子控制—計算機集成控制”這樣幾個發(fā)展階段，目前已經進入計算機控制時代。但是，從陜西省楊凌示范區(qū)、陜西省內及國內設施農業(yè)應用較為廣泛的區(qū)域看，實現(xiàn)自動化控制的智能溫室只能是大型現(xiàn)代化溫室能夠應用的奢侈品，一般農戶的簡易大棚，中小農業(yè)企業(yè)的中、小型溫室根本用不起自動監(jiān)控系統(tǒng)，因此研發(fā)可靠又廉價的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)極具現(xiàn)實意義。通過對陜西省楊凌示范區(qū)各類型溫室的調研發(fā)現(xiàn)，對于溫室環(huán)境控制的需求差別很大。一般農戶的簡易溫室甚至不需要控制，只需要對諸如溫度過高或過低的極限狀態(tài)進行監(jiān)控，并能夠及時報警即可。小型規(guī)模的溫室只需要簡單的控制，如滴灌、噴灌、通風、加熱、補光等需求。鑒于此，以微控制器為智能模塊，研發(fā)一款經濟實惠、效果良好的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)是非常有必要的。

1 控制系統(tǒng)整體結構

該控制系統(tǒng)具有自動、手動、停止3種工作狀態(tài)，由狀態(tài)轉換開關進行切換。轉換開關置于“停止”時，系統(tǒng)不工作，自動、手動操作都不起作用。當自動部分故障或在檢修調試階段，可將轉換開關置于“手動”，再通過手動操作開關實現(xiàn)手動控制。當轉換開關置于“自動”時，可實現(xiàn)無人值守的智能控制。

自動控制部分以微控制器為核心元件，控制器接收空氣溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度等傳感器監(jiān)測到的溫室環(huán)境信號，將其與預先設定值進行比較，當參數(shù)不滿足要求時，控制器輸出指令啟動加溫燈、補光燈、通風機、噴灌水泵、滴灌水泵等執(zhí)行設備工作，調節(jié)環(huán)境參數(shù)；當參數(shù)達到設定要求時，控制器發(fā)出指令，停止執(zhí)行設備的工作。如此循環(huán)往復，實現(xiàn)溫室環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤濕度、植物光照度等植物生長環(huán)境參數(shù)的自動調節(jié)，滿足植物生長需要。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)電路設計

2.1 主要硬件電路

控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設計方法，包括微控制器模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、報警模塊以及手動控制模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機為主控制芯片。STC89C52是宏晶公司生產的一種低功耗、高性能、超強抗干擾的CMOS8位微處理器，具有8 kB的可編程Flash存儲器，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷等功能，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機，但做了很多的改進使得芯片性能比普通單片機更加優(yōu)越，使得以STC89C52為核心的嵌入式控制系統(tǒng)設計更加靈活方便[1，2]。

溫度傳感器采用DS18B20，它占用的I/O口線很少，變換的速度較快，能夠直接讀出環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，而不需要其他的電源，具有結構簡單、檢測精準等優(yōu)點[3，4]；濕度傳感器傳采用國產的數(shù)字溫濕度一體傳感器AM2301，其內部包括一個濕度檢測元件和一個溫度檢測元件，能夠自動輸出校準過的數(shù)字信號，傳輸距離可達20 m以上，同時具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，與單片機I/O口單總線連接[5，6]；光照傳感器及土壤濕度傳感器通過感光感濕器件將光照及土壤濕度變化轉化為開關量傳遞給單片機，直接與單片機的單片機I/O口連接，圖2設計了4路傳感器接口，分別是Sersor_01、Sersor_02、Sersor_03、Sersor_04。

顯示器采用微功耗12864液晶模塊，用于顯示溫濕度及光照度等信息，其數(shù)據(jù)線DB0～DB7與單片機的P0口相連，VDD接高電平，VO為調節(jié)屏幕的亮度，RS為命令數(shù)據(jù)選擇端、R/W為讀寫控制端、E為使能端[7]。

鍵盤作為人機交互的設備，是用戶輸入各種數(shù)據(jù)和命令的必需途徑，通過鍵盤的輸入實現(xiàn)系統(tǒng)預期的功能，本控制系統(tǒng)選用的是紅外遙控鍵盤，通過遙控器對單片機進行參數(shù)設置，紅外接收部分采用VS1838一體化萬能接收頭接收鍵值信息，通過外部中斷口P3.2與單片機連接。

2.2 電源電路

STC89C52RC單片機一般采用5 V直流電源，所以需要將220 V交流電轉變?yōu)? V直流電源，電源由交流220 V進入，經過變壓器將電壓降到9 V，再通過1N4007二極管構成的橋式電路進行整流，接著用電解電容C4和獨石電容C5濾波，然后再用三端穩(wěn)壓器7805使電壓穩(wěn)定在DC 5V，最后再次濾波，得到穩(wěn)定的5 V直流電源，電路如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

主程序是單片機控制系統(tǒng)必不可少的部分，其主要用于協(xié)調各個模塊之間的工作，使各個模塊工作有序，保證程序周而復始地可靠運行，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的自動化，通過主程序可以一目了然地了解系統(tǒng)的運行過程，控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)通電后，首先對單片機、中斷、液晶模塊等進行初始化，然后判斷鍵盤標志位，根據(jù)鍵盤標志位確定程序的流向，若鍵盤標志位為1，則程序進入溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理階段，單片機采集溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度等信息，數(shù)據(jù)經處理和濾波后，通過液晶模塊顯示出來，然后再經過智能判斷，判斷環(huán)境參數(shù)是否超限，輸出控制信號控制執(zhí)行設備對大棚溫室環(huán)境進行調節(jié)；若鍵盤標志位不為1，則說明程序進入?yún)?shù)設置環(huán)節(jié)，接收遙控鍵盤（遙控器）輸入的鍵值設置參數(shù)，參數(shù)設置完畢后返回主界面。

4 控制系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

4.1 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

控制系統(tǒng)硬件及軟件設計制作完成后，參照楊凌地區(qū)實際溫室大棚建筑特點，按照一定的比例設計制作了微型溫室，模擬實際的溫室大棚。該微型溫室長1.2 m，寬0.8 m，高1.7 m；前墻和側墻皆采用8 mm的亞克力板；后墻為承重結構，采用的是強度較高的硬塑板；蓋板采用3 mm的亞克力板，具有良好的彈性和透光性；底板采用角鋼固定，并且?guī)в谢?，方便移動。最后安裝控制器、電源開關、端子排、轉換開關及執(zhí)行設備（包括加熱燈、微型風機、補光燈、噴灌水泵及滴灌水泵等），執(zhí)行設備皆為220 V小功率交流設備，安裝完畢后的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)如圖5所示。

4.2 實際應用測試

控制系統(tǒng)安裝完成后，在該溫室中種植溫室作物，測試控制系統(tǒng)應用性能。此次測試中，選擇生長速度相對較快的番茄幼苗作為測試樣本，檢驗系統(tǒng)的有效性和實用價值。

測試過程中，選擇同樣品種的番茄幼苗，一處普通種植，一處在溫室種植。普通種植，即按照一般的種植過程，不施加其他影響；溫室種植，將植物放在微型溫室中，按照番茄生長要求設置參數(shù)，讓系統(tǒng)自動運行和控制。

兩處幼苗在生長過程中供給相同的水、肥。測試時間從2014年8月20日至2014年9月8日，為期20 d。每5 d記錄一次普通種植、溫室種植幼苗的生長情況，結果如表1所示。從表1可以看出，溫室中的番茄幼苗明顯比同期普通種植的番茄幼苗長勢要好。經過20 d的生長測試，普通種植幼苗平均株高為18.0 cm，平均莖粗3.9 mm；溫室中番茄幼苗平均株高為19.6 cm，平均莖粗4.3 mm；溫室番茄幼苗株高比普通種植高8.9%，莖粗比普通種植粗10.3%，因此可以認為，該控制系統(tǒng)能夠有效促進番茄幼苗的生長。

5 小結

根據(jù)陜西省楊凌地區(qū)溫室大棚實際情況，結合單片機技術和檢測技術，設計制作了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實時顯示、自動控制、超限報警等功能，可以通過手動控制和自動控制相結合的方式實現(xiàn)溫室環(huán)境調節(jié)，滿足作物生長需要，能夠節(jié)省人力物力，提高溫室運行的自動化。測試結果表明，該控制系統(tǒng)能有效促進溫室作物的生長，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1] 王建平，梁春英，張洪洲.基于STC89C52RC的棉花水分智能檢測儀的優(yōu)化設計[J].農機化研究，2013（11）：61-64.

[2] 溫子祺，劉志峰，冼安勝，等.51單片機C語言創(chuàng)新教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3] 包敬海，樊東紅，陸安山，等.基于DS18B20的多點體溫檢測系統(tǒng)的研究[J].自動化與儀表，2010（2）：20-22.

[4] 王 文.基于ARM和DS18B20的溫度監(jiān)測系統(tǒng)[D].江蘇鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2012.

[5] 于豐華，岳仕達，閆東旭，等.基于K60單片機的環(huán)境控制在畜禽舍中的應用[J].中國農機化學報，2013，34（6）：261-264.

[6] 李新春，許 馳.基于WSN的糧庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2012（7）：38-41.

[7] 倪景峰，周 騰，馬 恒，等.SMC12864液晶顯示器在密閉監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].測控技術，2011，30（1）：97-99.