基于單片機(jī)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳波

摘要：針對(duì)目前溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制不集中、溫濕度控制精度不足、自動(dòng)化水平有限的問題。系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)以及AM2301溫濕度傳感器構(gòu)成下位機(jī)單元，在對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的同時(shí)，通過RS-485通信接口將數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)界面進(jìn)行集中式監(jiān)控。通過溫濕度傳感器準(zhǔn)確地將溫濕度參數(shù)測(cè)量出來(lái)，并將數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存下來(lái)。通過與預(yù)設(shè)的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)檢測(cè)到的溫濕度參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警警報(bào)。用戶可以在上位機(jī)界面設(shè)置溫度、濕度的上下限，系統(tǒng)自動(dòng)將預(yù)設(shè)值寫入AM2301溫濕度傳感器中，以此來(lái)達(dá)到監(jiān)控的目的。

關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集；報(bào)警裝置；AM2301傳感器

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）24-0246-03

Abstract： The current greenhouse environment monitoring system is not centralized， temperature and humidity control accuracy is insufficient， automation level is limited. The system adopts AT89C51 single chip computer and AM2301 temperature and humidity sensor to constitute the lower computer unit. While collecting the temperature and humidity data in real time， the data is transmitted to the interface of the man-machine interaction system of PC computer through RS-485 communication interface for centralized monitoring. The temperature and humidity parameters are accurately measured by the temperature and humidity sensor， and the data are recorded and stored. By comparing with the preset parameters， the system gives an alarm when the temperature and humidity parameters are higher than the preset range. The user can set the upper and lower limits of temperature and humidity in the upper computer interface， and the system automatically writes the preset value into the AM2301 temperature and humidity sensor to achieve the purpose of monitoring.

Key words： AT89C51 single Chip Microcomputer； data acquisition； alarm device； AM2301 Sensor

伴隨著科技的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的溫濕度檢測(cè)器件種類紛雜繁多，而且擁有比較寬泛的應(yīng)用，再加上隨著現(xiàn)代單片機(jī)和大規(guī)模集成電路技術(shù)快速崛起，隨之產(chǎn)生了可行性比較高、穩(wěn)定性高的單片機(jī)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。普通的溫室大棚沒有技術(shù)、設(shè)備的支持，當(dāng)自然災(zāi)害來(lái)臨時(shí)，自我抵抗能力很低，不能很好地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的自然條件參數(shù)，智能化程度低，技術(shù)含量不高。究其根本，在于溫室大棚缺乏現(xiàn)代化的智能監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，往往需要對(duì)生產(chǎn)環(huán)境中的一些重要參數(shù)進(jìn)行采集和檢測(cè)。許多環(huán)境條件都在影響著農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)，例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等，這些因素都與植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，人們手工的對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)不僅測(cè)量不準(zhǔn)確，而且不能連續(xù)作業(yè)，容易造成經(jīng)濟(jì)損失，很難達(dá)到種植的預(yù)期效果，也不利于提高種植質(zhì)量和規(guī)模，信息化程度難以提升。智能化溫室大棚通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與管理技術(shù)，運(yùn)用環(huán)境科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息處理等技術(shù)，能對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控。結(jié)合溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)所收集到的參數(shù)數(shù)據(jù)，農(nóng)作物的自然生長(zhǎng)狀況，有效的調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境條件，使得農(nóng)作物達(dá)到預(yù)期的長(zhǎng)勢(shì)，提高產(chǎn)量與質(zhì)量。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)在采集參數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、報(bào)警判斷過程中都要通過AT89C51單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，因此AT89C51單片機(jī)是該系統(tǒng)的主要核心。由溫濕度傳感器AM2301進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過AT89C51單片機(jī)在1602LCD液晶顯示器上顯示收集的數(shù)據(jù)。如果實(shí)際的數(shù)據(jù)結(jié)果超出設(shè)定的規(guī)定范圍，報(bào)警器就會(huì)經(jīng)行實(shí)時(shí)的報(bào)警，紅色LED將會(huì)顯示提示。此監(jiān)控系統(tǒng)中的單片機(jī)是采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫的，編寫相對(duì)簡(jiǎn)單，而且運(yùn)用了RS—485總線技術(shù)。溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)是基于AT89C51單片機(jī)為中央核心控制，該中心負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制和操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各模塊的模塊化設(shè)計(jì)和工作協(xié)調(diào)。單片機(jī)把所采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確合情地處理，并在LCD上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)則是通過發(fā)光二極管LED實(shí)現(xiàn)，倘若超過之前設(shè)定的范圍，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這會(huì)體現(xiàn)在LED和蜂鳴器上，以此來(lái)通知用戶采取相對(duì)應(yīng)的措施。系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的組成

溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為中央處理芯片（MCU），采用控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，測(cè)量元件為AM2301溫濕度傳感器對(duì)溫濕度檢測(cè)。主要電子元器件為：AT89C51單片機(jī)，溫濕度傳感器AM2301、1602LCD液晶顯示屏、紅外對(duì)射傳感器，控制部分采用電磁繼電器控制組。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路是時(shí)序的基礎(chǔ)，按照先后順序有規(guī)律地運(yùn)作，單片機(jī)內(nèi)由一個(gè)反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘，時(shí)鐘有外部方式和內(nèi)部方式兩種方式。系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，XTAL1輸入端和 XTAL2為輸出端之間設(shè)有12M的石英晶體和30pF的電容，以此構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的振蕩器，采用外部時(shí)鐘方式 ，XTAL2口懸空，它的外部時(shí)鐘電源將會(huì)接到XTAL1口。時(shí)鐘電路如圖3所示

2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位系統(tǒng)的使用方式是上電和按鍵兩種方式共同運(yùn)作，兩者都能夠?qū)纹瑱C(jī)復(fù)位。在這里面，上電方式的復(fù)位，是為了使單片機(jī)電容的充放電時(shí)間保持在2US以上，同時(shí)RST引腳接收得到這個(gè)電信號(hào)，這樣便完成了上電方式的復(fù)位；在使用鍵盤復(fù)位方式時(shí)，此時(shí)電充處于一個(gè)暫時(shí)性短路狀態(tài)，電能被全部釋放掉，電阻增大，引起了系統(tǒng)的復(fù)位。復(fù)位電路圖如圖4所示。

2.3 AM2301接口電路設(shè)計(jì)

AM2301數(shù)字溫濕度傳感器是一種溫度和濕度信號(hào)可以同時(shí)輸出的傳感器。它是應(yīng)用特定程序的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有高可靠性和良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。AM2301與AT89C51連接電路如圖5所示。

2.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用發(fā)光二極管LED作為報(bào)警裝置，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)符合規(guī)定的要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)紅燈不亮；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)不在規(guī)定溫濕度內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)為紅燈報(bào)警。報(bào)警裝置電路如圖6所示。

2.5 LCD顯示電路設(shè)計(jì)

LCD顯示電路用LCD1602字符型液晶顯示模塊與單片機(jī)連接進(jìn)行數(shù)值顯示，其電路圖如圖7所示

3 系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)

溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要有：系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)判斷模塊、LCD顯示模塊、警報(bào)模塊。核心單元為AT89C51單片機(jī)，溫濕度傳感器對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量到的溫度和濕度參數(shù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，通過與預(yù)設(shè)的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)所檢測(cè)的溫度參數(shù)超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)（60℃），濕度超過（60%RH），自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)，警報(bào)裝置可發(fā)出聲光警報(bào)。數(shù)據(jù)參數(shù)直觀地顯示在顯示屏上。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

4 結(jié)論

為提升溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)溫濕度的自動(dòng)化程度，滿足我國(guó)現(xiàn)代牧業(yè)的發(fā)展需求，該研究進(jìn)行了以常用單片機(jī)AT89C51為控制核心的溫室大棚環(huán)境溫濕度采集與控制于一體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度實(shí)時(shí)的采集與分析調(diào)節(jié)，極大地提高工作性能與效率，具有高性能、低功耗、高精度等優(yōu)點(diǎn)，提高了大棚溫濕度控制的自動(dòng)化程度，減少了農(nóng)民的日常工作量，改善了我國(guó)當(dāng)前溫室大棚溫濕度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單粗放、自動(dòng)化程度低、工作效率低下的現(xiàn)狀，極大地節(jié)省了勞動(dòng)力和推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展。該設(shè)計(jì)性價(jià)比高，操作簡(jiǎn)單，滿足絕大多數(shù)農(nóng)民的需求。反復(fù)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可滿足農(nóng)業(yè)上對(duì)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)節(jié)的要求。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】