大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張文建 董佩 胡濱

摘 要：農(nóng)業(yè)是國(guó)家重要的支柱產(chǎn)業(yè)，我國(guó)作為世界第一農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中占著舉足輕重的地位。為提高農(nóng)業(yè)溫室自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，本文設(shè)計(jì)了大棚的溫濕度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于AT89C51微控制器作為控制芯片，SHT11芯片作為溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫濕度采集，并且可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置環(huán)境溫度和濕度的上下限。本文設(shè)計(jì)的大棚溫濕度控制系統(tǒng)能夠完成溫濕度的檢測(cè)與控制，具有精度高，運(yùn)行可靠，靈活性好，易于使用的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)大棚；溫濕度控制；單片機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.130

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量逐漸提高，越來(lái)越重視飲食健康，這進(jìn)一步推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室的使用越來(lái)越普遍，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。國(guó)外的溫室設(shè)施已經(jīng)發(fā)展到比較完備的水平，形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但溫室設(shè)備成本高昂，并且與我國(guó)的地理環(huán)境特點(diǎn)并不相適應(yīng)[1]。在溫室里，最關(guān)鍵的是溫濕度控制技術(shù)。中國(guó)目前的溫室為中小型企業(yè)，在溫室引進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)需要考慮成本因素，單片機(jī)和電子產(chǎn)品的成本降低使這個(gè)問(wèn)題得到很大解決，本文采用了AT89C51單片機(jī)，SHT11溫濕度傳感器，鍵盤(pán)，液晶屏和蜂鳴器擬設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)的大棚溫濕度控制系統(tǒng)。

1 溫濕度控制系統(tǒng)方案論證

目前大多數(shù)大棚的溫濕度控制系統(tǒng)多是由單片機(jī)控制模塊、溫濕度采集模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等構(gòu)成。采用模塊化的設(shè)計(jì)可以減少外界對(duì)單片機(jī)的干擾，也可使程序運(yùn)行效率提高，溫濕度控制系統(tǒng)有兩種選擇方案，具體方案如下：

方案一：可以分別選取一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器。DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，HS1101濕度傳感器，具有高精度、良好的線(xiàn)性輸出、響應(yīng)時(shí)間快、價(jià)格低廉濕度傳感器等優(yōu)點(diǎn)，因此選取DS18B20和HS1101采集溫濕度數(shù)據(jù)。

方案二：采用溫度和濕度集成在一塊芯片的傳感器。數(shù)字溫濕度傳感器SHT11除了集成溫度，濕度敏感元件，還包括放大器，A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口，可以同時(shí)收集溫濕度數(shù)據(jù)。

綜上所述，由于方案一是采用模擬濕度傳感器，而單片機(jī)需要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行連接，這使得硬件和軟件電路設(shè)計(jì)比方案二更復(fù)雜而且精度不能滿(mǎn)足溫濕度控制系統(tǒng)的要求，因此本設(shè)計(jì)使用方案二。

2 系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成

大棚溫濕度控制主要由微控制器、溫濕度采集電路、顯示電路、報(bào)警電路、鍵盤(pán)電路等部分組成。微控制器采用51單片機(jī)，51單片機(jī)制作成本低、體積較小、具有較高的性?xún)r(jià)比，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。溫濕度采集電路主要采用瑞士Sensirion公司推出的數(shù)字溫濕度傳感器芯片。液晶顯示器具有節(jié)電，延長(zhǎng)使用壽命，降低成本，提高顯示亮度的優(yōu)點(diǎn)[2]。并且LCD1602液晶是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16*2即32個(gè)字符。采用LCD1602液晶屏用作顯示設(shè)備，便于顯示溫室中的當(dāng)前溫度，預(yù)定溫度，設(shè)置時(shí)間等信息。本文采用以蜂鳴器為主的報(bào)警電路。整個(gè)控制系統(tǒng)由單片機(jī)，溫濕度傳感器SHT11，鍵盤(pán)輸入，液晶顯示電路等組成。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)的主程序模塊是單片機(jī)通電后，單片機(jī)端口初始化，讀取大棚的溫濕度，讀取的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)，由單片機(jī)判斷是否報(bào)警，如果蜂鳴器發(fā)出警報(bào)則執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，未發(fā)出警報(bào)就進(jìn)入延時(shí)的過(guò)程。主程序流程圖如圖2所示。

當(dāng)AT89C51單片機(jī)通電后，開(kāi)始進(jìn)行程序的初始化操作。在初始化的過(guò)程中，所有輸入和輸出端口都是高電平。其中初始化主程序包括賦值變量、開(kāi)啟中斷、計(jì)數(shù)器的清零等。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)在初始化后，單片機(jī)最先調(diào)用溫濕度采集模塊函數(shù)，讀出溫室大棚的溫度和濕度值，并與預(yù)置在寄存器的溫度和濕度值進(jìn)行對(duì)照，判斷是不是超出范圍，并將判斷結(jié)果顯示在LCD1602液晶顯示屏上。如果超過(guò)溫度限制，單片機(jī)將發(fā)出報(bào)警電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，令執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)、加濕器等啟動(dòng)。

相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作一段時(shí)間后，再次讀取大棚內(nèi)的溫度和濕度值；若未超限，程序直接進(jìn)入到延時(shí)階段，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，延時(shí)一段時(shí)間后系統(tǒng)再次讀取溫濕度數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程反復(fù)運(yùn)行，構(gòu)成主程序死循環(huán)。

3.2 系統(tǒng)軟件控制方法

由于溫濕度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因此采用閉環(huán)系統(tǒng)常用的控制方法即PID（比例-積分-微分）控制法。PID控制有如下優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)；PID算法有一套完整的參數(shù)整定與設(shè)計(jì)方法，易于掌握；許多工業(yè)回路中對(duì)控制快速性和控制精度要求不是很高，而更重視系統(tǒng)的可靠性時(shí)，使用PID控制能獲得較高的性?xún)r(jià)比[3]。

PID控制子程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心，其主要作用是根據(jù)預(yù)設(shè)的基本參數(shù)和測(cè)量值進(jìn)行比較處理與運(yùn)算，然后控制各種執(zhí)行電路的工作，最終達(dá)到溫室大棚的溫度和濕度參數(shù)在設(shè)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。程序初始化后，單片機(jī)調(diào)用PID程序模塊，讀取溫濕度值，根據(jù)PID控制要求預(yù)調(diào)參數(shù)，找出兩者之間的偏差，最后得到PID控制輸出，然后作用于相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.3 溫濕度控制模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)完成溫濕度檢測(cè)時(shí)需要對(duì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就是溫濕度控制模塊的功能。所謂的控制模塊就是對(duì)溫室內(nèi)實(shí)際溫濕度與給定的溫濕度范圍相比較，由單片機(jī)判斷兩者的差值，然后進(jìn)行控制，系統(tǒng)需要做什么取決于各個(gè)控制模塊。例如，當(dāng)溫度高于上限時(shí)，需要冷卻使溫度降低。溫度低于下限時(shí)，需加熱使溫度回升。如濕度高于上限時(shí)需要加熱，低于下限時(shí)需要加濕，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路。溫濕度控制系統(tǒng)的整體流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論

本文對(duì)于大棚的溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，把AT89C51單片機(jī)，SHT11傳感器，LCD1602液晶屏和按鍵等外圍電路有序的結(jié)合在一起，完成了實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制溫室大棚溫濕度的目的，并且考慮到不同地方不同的環(huán)境，可以通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置溫濕度的范圍，并且溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯現(xiàn)在在液晶屏上。而且本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)，使外圍電路與單片機(jī)的連接得到了簡(jiǎn)化，也提高了程序的運(yùn)行效率，使用方便，同時(shí)也保證了系統(tǒng)的精度滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。此系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，可為植物生長(zhǎng)和栽培創(chuàng)造最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，將來(lái)會(huì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平方面發(fā)揮著非常重要作用。另外隨著單片機(jī)不斷的發(fā)展，功能越來(lái)越強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理，全自動(dòng)化的溫室大棚指日可待。

參考文獻(xiàn)：

[1]耿秀明.基于單片機(jī)的大棚控制系統(tǒng)[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2014：1-3.

[2]靳達(dá).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].2版.北京：人民郵電出版社，2003：56-58.

[3]吳春蕾.糧庫(kù)溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2006：7-10.

作者簡(jiǎn)介：張文建（1994-），男，山東濟(jì)南人，碩士在讀，研究方向：電氣工程。