多肉植物大棚環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱春馨，劉亞榮，謝曉蘭，覃彥之

（1.桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

近年來，多肉植物由于品種繁多、體態(tài)嬌小、形狀各異、適合設(shè)計(jì)各種微景觀等特點(diǎn)受到越來越多消費(fèi)者的關(guān)注和喜愛[1-2]，為了滿足市場需求，多肉植物大棚應(yīng)運(yùn)而生。然而，多肉植物與普通花卉植物的養(yǎng)護(hù)存在很大區(qū)別，主要表現(xiàn)在生長溫度、澆水方法、光照和通風(fēng)狀況等方面。如何科學(xué)有效地提升多肉植物的品質(zhì)及觀賞價值是廣大多肉植物愛好者及多肉植物大棚管理者考慮的重要問題[3-4]。

該文以STC89C52 單片機(jī)為核心，考慮了多肉植物對環(huán)境溫濕度、通風(fēng)條件、光照和土壤濕度等的特殊要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了針對多肉植物的大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，與普通花卉大棚控制系統(tǒng)相比，在溫濕度控制及通風(fēng)、光照控制方面均有較大不同[5-10]。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 多肉植物大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

多肉植物的養(yǎng)護(hù)與普通花卉的養(yǎng)護(hù)存在很大的差別，主要表現(xiàn)在生長溫度、通風(fēng)條件、澆水方法、光照及配土方面[11-12]。

大多數(shù)多肉植物適合的生長溫度為15～28 ℃，溫度低于10 ℃或高于30 ℃，多肉植物停止生長或生長非常緩慢，基本進(jìn)入休眠狀態(tài)。多肉植物在生長期的澆水需遵循“不干不澆，澆則澆透”的原則，而休眠期需要斷水或者只需給少量水[13]。悶熱潮濕的環(huán)境對多肉植物會造成致命的傷害，因此必須對其生長環(huán)境中的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時采集，并采取措施加以控制。多肉植物對光照有一定的要求，生長期的多肉植物需要充足光照以避免其出現(xiàn)徒長現(xiàn)象；但當(dāng)溫度較高時，剛澆過水的多肉植物一般需要避免陽光直射，以防多肉植物葉片被灼傷[14]。

基于以上問題，該文以STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，采用傳感器實(shí)時采集環(huán)境溫濕度和土壤濕度值，結(jié)合顯示模塊、按鍵模塊、通風(fēng)模塊、遮陽模塊、補(bǔ)光模塊和澆水模塊，設(shè)計(jì)了多肉植物大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，其框圖如圖1 所示[15-16]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)為環(huán)境控制系統(tǒng)的核心，由STC98C52 單片機(jī)、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路組成，如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

電源電路采用5 V 的電源插座供電，快捷方便簡單。晶振電路采用11.059 2 MHz晶振和30 pF的陶片電容，保證單片機(jī)順利運(yùn)行程序；復(fù)位電路由10 kΩ電阻和10 μF 的極性電解電容組成，使該系統(tǒng)接通電源即可實(shí)現(xiàn)自動復(fù)位；STC89C52 單片機(jī)的P0.0-P0.7 口外接上拉電阻；----EA 引腳接高電平，保證程序的正常運(yùn)行。

1.3 澆水模塊電路

澆水模塊電路主要由土壤濕度傳感器和繼電器組成，如圖3 所示。土壤濕度傳感器，其端口分別為電源端口VCC、GND 和信號輸出端口DO、AO。DO端口輸出數(shù)字信號，AO 端口輸出模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理，得到土壤濕度值。該系統(tǒng)所用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為ADC0832，該芯片操作簡單，性價較高。繼電器通過小電流驅(qū)動功率較大的器件，同時又起到電路保護(hù)和隔離的作用。當(dāng)土壤濕度低于所限定范圍的低閾值且大棚內(nèi)的溫濕度處于所設(shè)定范圍時，繼電器吸合，開始澆水，當(dāng)土壤濕度值達(dá)到所限定范圍的高閾值或者大棚內(nèi)的溫濕度不在所設(shè)定的范圍內(nèi)時，繼電器結(jié)束吸合，抽水泵停止工作。

圖3 澆水模塊電路

1.4 遮陽模塊和補(bǔ)光模塊電路

遮陽模塊主要包括光照傳感器、窗簾和指示燈，連接電路如圖4 所示。利用光敏電阻R4和ADC0832組成光照傳感器檢測大棚內(nèi)的光照情況。光敏電阻R4的環(huán)境溫度為25 ℃。該型號的光敏電阻亮電阻為2～5 kΩ，暗電阻為0.2 MΩ，電阻值隨著光照強(qiáng)度的增加而減小，根據(jù)歐姆定理可知，R4的電阻越小，分得的電壓就越小，R6的電壓就越大，模擬電壓信號經(jīng)過ADC0832 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過I/O 口進(jìn)入單片機(jī)，利用ULN2003 五線四相步進(jìn)電機(jī)模塊來驅(qū)動窗簾。當(dāng)光照強(qiáng)度高于或者低于所限定的范圍時，單片機(jī)驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)控制窗簾的開關(guān)從而達(dá)到遮陽的效果。二極管用作遮陽指示燈，顯示窗簾的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)光照強(qiáng)度過低且窗簾已經(jīng)處于拉上的狀態(tài)時，可以開啟補(bǔ)光燈，給多肉植物補(bǔ)光。

圖4 遮陽模塊電路

1.5 通風(fēng)模塊電路

通風(fēng)模塊電路主要由DHT11 溫濕度傳感器模塊和繼電器模塊構(gòu)成。DHT11 溫濕度模塊三個引腳電源接口VCC、GND 和數(shù)據(jù)輸出端口OUT。VCC 和GND 外接3.3～5 V 電壓，OUT 數(shù)據(jù)端口帶上拉電阻，直接輸出數(shù)字信號，可直接連接單片機(jī)。電路如圖5所示。當(dāng)溫度或者濕度高于所限定的值時，單片機(jī)就會通過繼電器驅(qū)動電機(jī)通風(fēng)，起到除濕降溫的作用。

圖5 通風(fēng)模塊電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主程序

該文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后系統(tǒng)初始化，可以選擇是否設(shè)置環(huán)境參數(shù)閾值（溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度），閾值設(shè)定后，傳感器模塊開始實(shí)時采集環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度和光照強(qiáng)度，并將采集量送入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同模塊的控制，其流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

2.2 遮陽模塊和補(bǔ)光模塊程序

由于光照對多肉植物生長尤為重要，同時也是普通花卉與多肉植物的關(guān)鍵區(qū)別所在，因此遮陽模塊和補(bǔ)光模塊尤為重要，其工作流程圖如圖7所示。該系統(tǒng)初始化時窗簾處于開啟狀態(tài)，補(bǔ)光燈處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)兩個模塊開始工作時，光照傳感器實(shí)時采集多肉植物大棚中的光照強(qiáng)度值，判斷光照強(qiáng)度是否處于設(shè)置范圍內(nèi)。當(dāng)光照強(qiáng)度大于預(yù)設(shè)高閾值時，驅(qū)動電機(jī)關(guān)閉窗簾進(jìn)行遮陽；當(dāng)光照強(qiáng)度低于所設(shè)閾值時，首先判斷窗簾是否處于遮陽狀態(tài)，若是，則打開窗簾，同時判斷此時光照強(qiáng)度是否仍然低于所設(shè)閾值，若是，則開啟補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光。

圖7 遮陽系統(tǒng)程序流程圖

2.3 澆水模塊程序

澆水模塊工作流程嚴(yán)格按照多肉植物生長習(xí)性設(shè)置，不僅考慮土壤濕度值，同時還要兼顧環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度過高或者過低時，即使土壤濕度達(dá)到了澆水的閾值，也不能對多肉植物進(jìn)行澆水。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試內(nèi)容

該系統(tǒng)實(shí)物如圖8 所示，根據(jù)功能可將系統(tǒng)分成遮陽、補(bǔ)光、澆水和通風(fēng)四大模塊，分別對四大功能模塊進(jìn)行逐一測試。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

澆水模塊測試：濕度越大數(shù)值越大，當(dāng)土壤水分低于所規(guī)定的值且當(dāng)前的溫濕度處于所規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)控制水泵開始進(jìn)行澆水工作，當(dāng)土壤濕度達(dá)到規(guī)定的值時或者溫濕度不在所規(guī)定的范圍內(nèi)，停止?jié)菜ぷ鳌?/p>

通風(fēng)模塊測試：當(dāng)溫度或者濕度高于規(guī)定值時，繼電器吸合，電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)行通風(fēng)。新增的加熱指示燈也正常工作。

遮陽模塊測試：當(dāng)窗簾指示燈亮，表示大棚的窗簾處于拉開的狀態(tài)；當(dāng)光照強(qiáng)度低于所規(guī)定的值時，補(bǔ)光燈變亮；當(dāng)光照強(qiáng)度高于所規(guī)定的值時，系統(tǒng)則將窗簾放下進(jìn)行遮陽，窗簾指示燈則變暗。

3.2 測試結(jié)果

表1、表2 和表3 為功能測試部分結(jié)果。

表1 遮陽系統(tǒng)功能測試（當(dāng)前光照強(qiáng)度5 000/lux）

表2 通風(fēng)系統(tǒng)功能測試

表3 澆水系統(tǒng)功能測試（當(dāng)前溫度29 ℃、濕度78%）

4 結(jié)束語

該文利用傳感器采集多肉植物大棚中環(huán)境的溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度值，結(jié)合按鍵模塊、通風(fēng)模塊、遮陽模塊、補(bǔ)光模塊和澆水模塊，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多肉植物大棚環(huán)境中各參數(shù)的控制，有利于多肉植物的正常生長。該系統(tǒng)具有操作簡單、實(shí)用性強(qiáng)及性價比高的特點(diǎn)。