基于單片機的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊麗文　陳如清

【摘 要】隨著生活水平的提高，人們希望一年四季都能吃到新鮮的蔬菜，因此對影響農(nóng)作物生長的溫度、濕度和光照度等環(huán)境參數(shù)進行合理有效的監(jiān)測和控制，成為溫室大棚進一步提高的重要方面。以AT89C51單片機為核心，結(jié)合溫濕度傳感器、光照度傳感器設(shè)計和實現(xiàn)了這種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、鍵盤電路、液晶顯示和報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)用于對溫室大棚的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，具有對溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度和光照度等環(huán)境參數(shù)進行實時檢測并顯示等功能。具有重要的應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】溫濕度傳感器；光照度傳感器；AT89C51單片機；環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國民生產(chǎn)中占據(jù)了重要的地位，隨著科技水平的提高、人們對生產(chǎn)生活物資需求的增加，溫室大棚的發(fā)展速度很快，大力發(fā)展溫室大棚成了近幾年的重點[1]。由于我國地理環(huán)境復(fù)雜氣候多變等多方面的原因，根據(jù)國外技術(shù)設(shè)計的溫室大棚系統(tǒng)不太符合我國實際，盡管國內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究成果，但是在穩(wěn)定性、可靠性和可操作性方面依然不太理想，難以應(yīng)用推廣。為改變傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗評判的誤差大、反應(yīng)周期長的問題，開發(fā)一種穩(wěn)定性好、可靠性高、成本低、適應(yīng)性強、易于推廣的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足國內(nèi)日益增長的溫室大棚生產(chǎn)的需要[2-3]。

為了提高人們的生活水平，對影響農(nóng)作物生長的溫度、濕度和光照度等環(huán)境參數(shù)進行合理有效的監(jiān)測和控制，成為溫室大棚進一步提高的重要方面。設(shè)計開發(fā)適合我國地理、氣候等方面特點的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，對溫室大棚生產(chǎn)力的提高、管理水平的提高，具有深遠的意義。

1 系統(tǒng)工作原理

整個系統(tǒng)的工作過程是通過溫濕度傳感器、光照度傳感器采集信號，內(nèi)部經(jīng)信號放大器放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過LCD液晶顯示溫濕度和光照度。它包括了測量，顯示與控制三模塊，測量模塊是由溫濕度、光照度傳感器來完成的；顯示模塊是通過液晶顯示屏來顯示環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；控制模塊則是由單片機來控制驅(qū)動電路實現(xiàn)的，當(dāng)溫濕、光照度超過可控范圍時單片機啟動報警系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機控制系統(tǒng)

采用AT89C51單片機作為控制器。在單片機系統(tǒng)設(shè)計中，時鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計是十分重要的一個環(huán)節(jié)，在時鐘電路中，C1、C2為負載電容。一般情況下，單片機的晶體振蕩為并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容器。根據(jù)晶體振蕩器廠家提供的晶振要求來對負載電容進行選值的，也就是說，晶體振蕩器的頻率就是在他提供的負載電容下測得的，如此既能最大限度的保證頻率值的誤差，又能保證溫漂等誤差。所以兩個電容的取值應(yīng)是相同的，或者說相差不大，反之容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。振蕩頻率為12MHz，幅度為5V。輸出的信號與單片機的18，19腳相連。復(fù)位電路雖然簡單，但其作用十分重要。它通過一個按鍵和一個極性電容并聯(lián)，接下拉電阻后接在單片機的引腳RST。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

本設(shè)計采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11和光照度傳感器來采集信號。溫濕度傳感器有SHT10、SHT11、SHT15型號，但要考慮使用環(huán)境、穩(wěn)定性、精度、價格等各方面問題，因此綜合考慮以上因素，選擇型號SHT11。該傳感器由一個溫度傳感元件和濕度傳感器組成，并連接一個高性能的8位單片機。因此，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，性價比很高。即使在惡劣的環(huán)境下應(yīng)用，也可以很好地傳輸，因此成為各種應(yīng)用的最佳選擇。SHT11的額定工作電壓在2.4-5.5V范圍區(qū)間內(nèi)，而一般供電電壓設(shè)定是3.3V，在25℃時測溫精度為±0.4℃，測濕精度為±3.0%RH。SCK用于微處理器與SHT11之間的通訊同步，DATA用于讀取傳感器數(shù)據(jù)。

根據(jù)溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的要求，選擇光照度傳感器GY-30，無需任何外部零件，光源的依賴性不大，其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的電壓及其電流信號，具有體積小、安裝方便、線性度好、抗干擾能力強和量程可調(diào)的特點，廣泛用于環(huán)境、養(yǎng)殖、溫室和建筑等的光照強度測量[4-5]。

2.3 鍵盤電路

在實際運用中，需要設(shè)置一個適合植物生長的溫濕度、光照度范圍。當(dāng)一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的運行需要人工干預(yù)時，鍵盤往往是一種最簡單的干預(yù)途徑，利用鍵盤，人們可以很方便的實現(xiàn)向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或讓系統(tǒng)去執(zhí)行某一項命令。在此，系統(tǒng)設(shè)置了三個按鍵，通過這三個按鍵來設(shè)置溫濕度、光照度的上下限數(shù)值。CPU的操作很快，因此這種抖動就容易對按鍵的識別產(chǎn)生影響，為了防止因按鍵抖動而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤操作，一般采取延時操作消除按鍵抖動。

2.4 輸出模塊

1）液晶顯示電路。采用LCD1602液晶顯示屏，顯示系統(tǒng)采集到的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)需要進行參數(shù)上下限調(diào)整時，顯示出參數(shù)的調(diào)整值?？梢哉{(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)顯示的亮度。2）報警電路。該系統(tǒng)采用三個發(fā)光二極管燈作為光報警，當(dāng)系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)符合給定的要求時，現(xiàn)場燈不顯示；當(dāng)系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)不符合要求時，現(xiàn)場做出相應(yīng)參數(shù)的報警。本設(shè)計采集監(jiān)測三個數(shù)據(jù)，設(shè)置了3個報警，更加容易分辨是哪個參數(shù)需要調(diào)整。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，在程序運行的過程中必須先經(jīng)過初始化，包括鍵盤程序，中斷程序，以及各個控制端口的初始化工作。系統(tǒng)在初始化完成后就進入溫濕度和光照度測量程序，實時的測量當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，并通過顯示電路在LCD上顯示數(shù)據(jù)。程序中以中斷的方式來重新設(shè)定參數(shù)的上下限。根據(jù)硬件設(shè)計完成對環(huán)境參數(shù)的控制。按下數(shù)值加鍵可以設(shè)定參數(shù)上限，按下數(shù)值減鍵可以設(shè)定參數(shù)下限。

4 結(jié)論

本環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，是采用數(shù)字式溫濕度傳感器、光照度傳感器采集信息，送到單片機進行控制溫濕度度和光照度的顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴展實現(xiàn)報警功能，從而更好的實現(xiàn)溫濕度和光照度的實時控制。若AT89C51內(nèi)存不足，由于引腳相同且功能沒有太大差別，可以改為AT89C52替換。在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，具有更高的性價比。

【參考文獻】

[1]鐘新平.基于單片基的溫室大棚環(huán)境參數(shù)自動控制系統(tǒng)[D].控制工程，2011：1-5.

[2]盛凱，于會山.基于cc2530的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2014（7）：62-65.

[3]王敏，薛隆泉.溫室大棚溫濕度、二氧化碳測控系統(tǒng)的研究[J].浙江冶金，2007（3）：62-67.

[4]劉洋，金太東.基于CAN總線的智能型溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，1：12-22.

[5]李毅，余少輝，周步洲.基于DS18B20的測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)，2009，1：11-13.

[責(zé)任編輯：湯靜]