基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計

薄英男++陳恒峰++郭輝++高國民++王樺++蔣暢

摘要：我國溫室多為中小型塑料大棚，內(nèi)部溫度、濕度等因素受自然環(huán)境影響較大。針對中小型塑料溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度調(diào)控問題，以單片機(jī)為控制中心設(shè)計溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，提高控制精度及管理效率。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；控制系統(tǒng)；傳感器；溫度；濕度

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）05-0017-04

溫室栽培是我國北方地區(qū)冬季蔬菜瓜果的主要種植方式，能夠有效緩解冬季蔬菜瓜果供應(yīng)壓力。我國現(xiàn)有的溫室多為中小型塑料大棚，內(nèi)部溫度、濕度等因素受自然環(huán)境影響較大，如果不能及時調(diào)整，就會影響植物正常生長。目前，大部分溫室的溫度和濕度調(diào)節(jié)依靠手動設(shè)備，精度較差，且易造成資源浪費(fèi)。通過溫室環(huán)境控制系統(tǒng)對溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，可以提高控制精度及管理效率，為作物生長提供適宜條件。

1 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計方案

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計是一項復(fù)雜工作，涉及知識面較廣，包含內(nèi)容較多。系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件部分和軟件部分。

系統(tǒng)設(shè)計思路為：根據(jù)中小型塑料大棚環(huán)境監(jiān)測的實(shí)際需求，用戶可通過液晶顯示屏對溫室內(nèi)部的溫度濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并可進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置，使溫室環(huán)境穩(wěn)定在適宜植物生長的狀態(tài)。

2 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件是環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括控制器、傳感器、鍵盤設(shè)定、控制報警、顯示屏和程序下載電路?？刂铺幚聿糠滞瓿蓴?shù)據(jù)處理和外部設(shè)備控制；傳感器用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集；鍵盤電路用于環(huán)境參數(shù)設(shè)定；控制報警電路控制溫室內(nèi)部的調(diào)控設(shè)備及進(jìn)行報警提示；顯示屏接口電路用于顯示環(huán)境監(jiān)測值。

2.1 控制器電路

控制器是系統(tǒng)的核心部分，主要作用是數(shù)據(jù)處理、對外發(fā)布控制命令、協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分工作。工作時，控制器電路先讀取傳感器的檢測數(shù)據(jù)，并由顯示屏實(shí)時顯示，同時判斷檢測數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定范圍。若超出設(shè)定范圍，則啟動控制電路和報警電路，對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控和報警提示。

控制器選用STC89C51單片機(jī)，其價格低廉，具有較好穩(wěn)定性，外部擴(kuò)展功能強(qiáng)大。STC89C51單片機(jī)有多種封裝形式，系統(tǒng)使用雙列直插式，具有寬電壓輸入范圍，對輸入電壓的要求較低且功耗較小。STC89C51單片機(jī)需外接復(fù)位電路和時鐘電路。復(fù)位電路在啟動或運(yùn)行出錯時提供復(fù)位信號；時鐘電路提供時鐘基準(zhǔn)，保證正常工作。STC89C51控制器電路如圖1所示。

2.2 傳感器接口電路

系統(tǒng)選用傳感器DHT11來采集溫室內(nèi)部溫度和濕度數(shù)據(jù)。是溫濕度復(fù)合型傳感器，精度較高，價格低廉。DHT11輸出數(shù)字信號，可直接與控制器進(jìn)行連接，通過一根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)串行傳輸。DHT11的接口電路如圖2所示，VDD接電源正極，NC為空管腳，進(jìn)行懸空處理即可，DATA串行數(shù)據(jù)傳輸線，GND接地端。DHT11的供電電壓為3.0～5.5 V。為穩(wěn)定傳感器與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，需要在DATA管腳添加1個10 K上拉電阻。

2.3 鍵盤輸入電路

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定通過鍵盤完成，按鍵被賦予不同功能，通過各按鍵配合完成調(diào)控參數(shù)設(shè)定。鍵盤由3顆按鍵組成，第一個按鍵為功能按鍵，主要用于溫度和濕度設(shè)定之間切換；第二個按鍵和第三個按鍵主要用于溫濕度設(shè)定值調(diào)節(jié)。鍵盤輸入電路如圖3所示。

2.4 控制報警電路

控制部分主要管理溫室內(nèi)部設(shè)備，根據(jù)單片機(jī)指令控制溫室設(shè)備工作?？刂齐娐分饕砷_關(guān)三極管、續(xù)流二極管和繼電器等組成。三極管主要對單片機(jī)的控制信號進(jìn)行功率放大，繼電器用于控制220 V用電設(shè)備的電源。報警部分的電路主要由開關(guān)三極管、發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。開關(guān)三極管對控制器信號進(jìn)行功率放大，蜂鳴器和發(fā)光二極管用于聲光等信號輸出。控制報警電路如圖4所示。

2.5 液晶屏顯示電路

選用1602液晶屏對溫室內(nèi)部的環(huán)境信息進(jìn)行顯示。1602液晶顯示屏結(jié)構(gòu)小巧、耗電少、性價比較高，可以方便地進(jìn)行字符和數(shù)字輸出。其接口電路如圖5所示。

2.6 程序下載電路

系統(tǒng)通過RS232串口電路進(jìn)行程序下載，主要在單片機(jī)串口的TTL電平和232電平之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。RS232串口電路如圖6所示。

3 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序的開發(fā)和調(diào)試由Keil軟件完成，程序開發(fā)采用C語言。系統(tǒng)程序分為主程序和子程序，主程序是系統(tǒng)程序的主體部分，通過不斷調(diào)用各子程序完成對硬件部分的控制。

系統(tǒng)主程序的流程圖如圖7所示。系統(tǒng)啟動后進(jìn)入初始化狀態(tài)，此后主程序調(diào)用液晶顯示屏驅(qū)動程序，對環(huán)境參數(shù)的檢測界面進(jìn)行設(shè)置；主程序根據(jù)用戶操作對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。

4 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在Proteus軟件內(nèi)進(jìn)行仿真，完成對系統(tǒng)設(shè)計的檢驗(yàn)。Proteus軟件可以比較真實(shí)地反應(yīng)電路的實(shí)際運(yùn)行效果，并支持單片機(jī)加載程序進(jìn)行仿真。在Proteus軟件內(nèi)繪制系統(tǒng)仿真電路并進(jìn)行仿真測試。通過對系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)對路設(shè)計是否合理。根據(jù)仿真效果對電路的設(shè)計進(jìn)行修改，可有效提高系統(tǒng)的可靠性和精度。

5 結(jié)論

系統(tǒng)主要適用于中小型塑料溫室大棚，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測和調(diào)控。系統(tǒng)設(shè)計以51系列單片機(jī)為控制中心，采用可靠性和性價比較高的傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸，能夠有效降低系統(tǒng)成本。

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