基于單片機(jī)的植物生長(zhǎng)環(huán)境智能控制系統(tǒng)

林賀邦，廖苑鑄，劉雁，徐玉瓊

（廣州應(yīng)用科技學(xué)院，廣東廣州，510000）

0 引言

目前，植物生長(zhǎng)環(huán)境控制技術(shù)方面在全球農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)達(dá)的國(guó)家已經(jīng)達(dá)到了成熟且使用階段。國(guó)外在環(huán)境控制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)技術(shù)方面的研究比較早，在上一個(gè)世紀(jì)的七十年代就已經(jīng)開(kāi)始，起初是各種模擬型和多因子分析控制的儀表，后來(lái)又有了各種分布式的控制系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的多因子分析和控制的系統(tǒng)。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外植物環(huán)境控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，在客觀的條件限制下，以微控制器技術(shù)、藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)造出一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、廉價(jià)、高效地適用于植物環(huán)境的溫濕度光照的植物生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)。植物生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)即是利用傳感器、計(jì)算機(jī)、繼電器等控制裝置對(duì)影響植物生長(zhǎng)的濕度、溫度、光照等因素進(jìn)行半自動(dòng)化或自動(dòng)化的調(diào)節(jié)和控制。此系統(tǒng)功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集、加濕濕度控制、加熱與降溫的溫度控制、光照環(huán)境控制。

1 系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

把微控制器單片機(jī)技術(shù)、傳感器采集溫濕度、光照采集技術(shù)和藍(lán)牙無(wú)線通訊技術(shù)相互構(gòu)架結(jié)合，組成一個(gè)功能齊全、成本低廉的環(huán)境監(jiān)測(cè)和條件植物環(huán)境控制系統(tǒng)。在這里通過(guò)濕度、溫度、光照檢測(cè)模塊，把濕度、溫度、光照轉(zhuǎn)換為0 ～5V 的電壓再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化成了數(shù)字量與信號(hào)并傳送至微控制器單片機(jī)。由微控制器單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)土壤濕度或環(huán)境溫度或植物光照情況進(jìn)行分析與處理，如果環(huán)境溫度、土壤濕度、光照數(shù)值超過(guò)用戶所設(shè)置的閾值，會(huì)出現(xiàn)蜂鳴器開(kāi)始警示、紅色LED 燈亮與對(duì)應(yīng)的升降溫或加濕或補(bǔ)光響應(yīng)控制模塊工作，該閾值可以由按鍵在控制板進(jìn)行調(diào)節(jié)與設(shè)置。而且這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)液晶顯示屏進(jìn)行各數(shù)據(jù)展示，更是可以通過(guò)藍(lán)牙通訊模塊發(fā)送到手機(jī)移動(dòng)端在藍(lán)牙調(diào)試軟件中顯示窗口。軟硬件系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 軟硬件系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

圖2 采集電路模塊

圖3 報(bào)警電路圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括由土壤濕度采集板塊、環(huán)境溫度采集板塊和環(huán)境光照采集板塊構(gòu)成的采集電路模塊，由揚(yáng)聲器示警板塊、LED 燈點(diǎn)亮提示板塊和繼電器板塊構(gòu)成的控制響應(yīng)電路模塊，由無(wú)線藍(lán)牙板塊和LCD 液晶顯示板塊構(gòu)成的傳輸和顯示電路模塊，由STC89C52RC 微控制器最小應(yīng)用系統(tǒng)和按鍵設(shè)置板塊構(gòu)成的主控制判斷及處理電路模塊。

■2.1 采集電路模塊

YL-69 土壤濕度傳感器經(jīng)3.3V~5V 的上拉電阻直接與ADC0832 芯片的CH0 引出端口連接，還有一個(gè)接地線，當(dāng)土壤缺水時(shí)輸出高電平，反之亦然。其模塊為雙輸出模式，數(shù)字輸出簡(jiǎn)單并且模擬量輸出更為精準(zhǔn)。AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的核心由ADC0832 組成。由于單片機(jī)接收的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)而YL-69 濕度采集模塊輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，YL-69 濕度采集模塊輸出的模擬信號(hào)不能被微控制器單片機(jī)接受故需要ADC0832 作為介質(zhì)讓其轉(zhuǎn)換成可以直接接受的數(shù)字信號(hào)。ADC0832 總共引出8 個(gè)端口。

DS18B20 有三個(gè)外接引出端口分別是1 號(hào)引出端口連接地線、2 號(hào)引出端口單線數(shù)據(jù)傳輸總線和3 號(hào)引出端口連接外部電源線。其輸出信號(hào)DQ 單線數(shù)據(jù)傳輸總線端口經(jīng)提高電平穩(wěn)定性的10k 上拉電阻與單片機(jī)的P17 引出端口連接到一塊。DS18B20 中供電方式有數(shù)據(jù)線供電和外接電源兩種：（1）數(shù)據(jù)線供電需要單片機(jī)的上拉電阻且長(zhǎng)時(shí)間的溫度轉(zhuǎn)化其通過(guò)內(nèi)部電容從數(shù)據(jù)線獲取能量來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，這里VDD 與GND 地相連。（2）外接電源即3 號(hào)引出端口直接接+5V 電壓縮短采取溫度所耗費(fèi)的時(shí)間。現(xiàn)在這里DS18B20 與微控制器單片機(jī)的連接運(yùn)用的是第二種方式接外部電源即3 號(hào)引出端口直接接+5V 電壓。DS18B20智能溫度傳感器采集并轉(zhuǎn)換溫度信號(hào)輸出為數(shù)字溫度值直接給微控制器，微型控制器單片機(jī)接受并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。DS18B20 直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)省去了復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了與單片機(jī)的直接連接。

BH1750 內(nèi)置16 位的AD 轉(zhuǎn)換芯片可直接輸出數(shù)字信號(hào)，其采用串行總線接口，通過(guò)I2C 與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該模塊可以檢測(cè)1-65535XL 范圍的光照，誤差小精確高。PD 光敏二極管（光信號(hào)經(jīng)過(guò)光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)）在檢測(cè)到外部光照后經(jīng)AMP 模塊放大后由ADC 模塊采集電壓再經(jīng)logic 模塊和I2C 接口獲得16 位的二進(jìn)制數(shù)。在這里OSC 振蕩器的作用是作為內(nèi)部振蕩器給光照傳感器供給內(nèi)部邏輯時(shí)鐘，引出的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線通過(guò)I2C 與單片機(jī)通訊可提取光照數(shù)值。

在設(shè)計(jì)中，LCD1602 液晶顯示屏和手機(jī)藍(lán)牙調(diào)試界面可以實(shí)時(shí)顯示由數(shù)字光照傳感器采集到的光照值。采集到的光照數(shù)值傳輸?shù)轿⒖刂破鲉纹瑱C(jī)與經(jīng)按鍵電路設(shè)置的光照閾值進(jìn)行比較判斷，若超出光照閾值則微控制器會(huì)發(fā)出光照不足對(duì)應(yīng)的指令打開(kāi)LED 燈進(jìn)行光照補(bǔ)光。

■2.2 控制響應(yīng)電路模塊

報(bào)警電路主要由起放大作用的PNP 型三極管、起續(xù)流作用的二極管、1k 的限流電阻和揚(yáng)聲器構(gòu)成。由于揚(yáng)聲器工作發(fā)聲需要的電流相對(duì)大而微控制器單片機(jī)的輸入輸出端口提供不了大的電流故需要一個(gè)晶體三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)它。當(dāng)晶體三極管導(dǎo)通時(shí)揚(yáng)聲器也導(dǎo)通接通電源且流過(guò)的導(dǎo)通電流逐漸逐步增大（揚(yáng)聲器是一種感性元件），而關(guān)斷時(shí)揚(yáng)聲器本身存儲(chǔ)的電流就可通過(guò)“揚(yáng)聲器本身——起限流作用的電阻——起續(xù)流作用的二極管”這條回路來(lái)消耗從而可減免電感電流存在而產(chǎn)生的反向沖擊。

LED 燈指示電路有五只LED 燈分別為一個(gè)紅色的電源電路提示燈、兩個(gè)紅色的與繼電器相連接判別繼電器是否工作提示燈、一個(gè)紅色的與報(bào)警電路連接的提示燈和一個(gè)黃色的光照補(bǔ)光燈。為了限制流過(guò)LED 燈的電流，需要在電源與LED 燈之間接一個(gè)電阻，和LED 燈相匹配成套也有五個(gè)電阻，防止其被燒壞。該電阻阻值的大小可根據(jù)公式 計(jì)算，LED 燈和電阻串聯(lián)在一起總電壓為5V，其中LED 燈的可以正常工作的電壓在一般情況下規(guī)定為3V，由串聯(lián)電路分電壓那么電阻的兩端電壓即是總電壓源與LED 燈工作分擔(dān)的一部分電壓相減那即是5V-3V=2V。該LED 燈點(diǎn)亮要在3 ～20mA 之間的電流，由串聯(lián)電路電流處處相等這意味著流過(guò)電阻的電流和流過(guò)LED 燈的電流相等也是在3 ～20mA的范圍。由上面式子的阻力值在100 ～667Ω 范圍。不過(guò)，在這范圍的電阻值與LED 燈相接時(shí)LED 燈會(huì)過(guò)亮了，造成使用壽命短或燒壞，故對(duì)電阻值應(yīng)該適當(dāng)增加一些，以1K的電阻會(huì)比較合適。LED 燈指示電路如圖4 所示。

圖4 指示燈電路圖

圖5 藍(lán)牙模塊電路圖

圖6 LCD1602 液晶顯示電路圖

圖7 按鍵電路圖

■2.3 傳輸和顯示電路模塊

藍(lán)牙板塊電路為單獨(dú)的DX-BT05-A。DX-BT05-A 直接與微控制器單片機(jī)連接，需要外部供電和接地；直接與微控制器單片機(jī)連接的兩個(gè)引出端口RXD 和TXD 分別是模塊的串行輸入和模塊的串行輸出，不能直接在單片機(jī)相同名字端口要反過(guò)來(lái)分別與單片機(jī)上的TXD 和RXD 相接即RXD-TXD、TXD-RXD。DXBT05-A 是一個(gè)低功耗且可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)乃{(lán)牙模塊。

LCD 液晶顯示板塊由一個(gè)可調(diào)節(jié)的滑動(dòng)電阻器和擁有16 個(gè)引出端口字符型LCD 液晶顯示屏（其內(nèi)部組成有HD44780 微控制器+驅(qū)動(dòng)電路+LCD 顯示屏三大板塊）構(gòu)成的LCD1602 液晶顯示電路。LCD1602 液晶顯示器是可以顯示阿拉伯?dāng)?shù)字像123、一般的符號(hào)如“！”“*”和英文字母如ABC 的。

■2.4 主控制判斷及處理電路模塊

最小應(yīng)用系統(tǒng)機(jī)指用最少的元件組成的完整系統(tǒng)，可由1 個(gè)按鈕、1 個(gè)電阻和1 個(gè)電容組成的復(fù)位電路+由1 個(gè)晶體振蕩器和2 個(gè)電容組成的晶振電路+STC89C52RC 單片機(jī)+5V 電源組成可工作的系統(tǒng)。復(fù)位電路主要有10μF 電解電容+10k 電阻+按鍵組成，當(dāng)上電瞬間“電源——電容——電阻——地線”這條回路將導(dǎo)通，電容處于充電狀態(tài)，RST獲得高電位電路復(fù)位，隨著時(shí)間的推移電容逐漸充滿電，而RST 的電位也會(huì)逐漸降低當(dāng)降到3.5V 及以下時(shí)即為低電位狀態(tài)電路為正常工作的狀態(tài)。直到電容充電完畢后此回路相當(dāng)于斷路沒(méi)有電流通過(guò)電阻兩端電壓為0V，RST 低電平狀態(tài)繼續(xù)保持。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，VCC-電阻-GND導(dǎo)通電阻兩端電壓立即升高RST 得到高電平電路返回到其起始狀態(tài)。

按鍵電路選用的是常開(kāi)電路，當(dāng)按鍵按下時(shí)電路即可導(dǎo)通。按鍵是用來(lái)設(shè)置濕度、溫度和光照閾值的，總共有三個(gè)按鍵一個(gè)用來(lái)增加數(shù)值，一個(gè)用來(lái)降低數(shù)值，另一個(gè)用于選擇對(duì)象設(shè)置閾值。

3 總體程序設(shè)計(jì)

上電后微控制器單片機(jī)自主初始化，各傳感器模塊分別采集環(huán)境溫度，土壤濕度，環(huán)境光照值，通過(guò)微控制器和藍(lán)牙模塊顯示在1602 顯示屏和手機(jī)端。通過(guò)按鍵按下處理按鍵程序?qū)Νh(huán)境溫度，土壤濕度和環(huán)境光照設(shè)置閾值。各傳感器模塊采集到的環(huán)境溫度，土壤濕度和環(huán)境光照傳輸?shù)轿⒖刂破?，然后與環(huán)境溫度，土壤濕度和環(huán)境光照閾值相比較，判斷是否在范圍內(nèi)，若不在范圍內(nèi)則蜂鳴器報(bào)警并啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的控制進(jìn)行加濕或升溫或降溫或補(bǔ)光。總體程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8 所示。

圖8 總體程序設(shè)計(jì)流程圖

按鍵程序設(shè)計(jì)為初始狀態(tài)的時(shí)候，按鍵復(fù)位先判斷按鍵是否按下，沒(méi)有按下則循環(huán)下一環(huán)節(jié)，按下時(shí)讀取按鍵值送入微控制器單片機(jī)，總共有三個(gè)按鍵，按下第一個(gè)可選擇需要設(shè)置的對(duì)象，第二個(gè)按鍵為加值，第三個(gè)按鍵為減值，每按下一次對(duì)應(yīng)增加或減少一個(gè)單位值。按下按鍵微控制器單片機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，1602 顯示屏可以看到設(shè)置閾值。

4 系統(tǒng)的程序調(diào)試

打開(kāi)Keil 軟件，建立工程文件并命名temple，為工程文件選擇CPU 為STC89C52，建立并添加C 文件，即可在C文件里面編寫程序且生成hex 文件，檢查并調(diào)試仿真沒(méi)有問(wèn)題后就可以下載到電路板系統(tǒng)了。在給單片機(jī)板下載程序前，需要檢查電路板看看有沒(méi)有存在問(wèn)題。同時(shí)為了防止藍(lán)牙模塊占用串口需將藍(lán)牙模塊先拔取出來(lái)。檢查完畢且沒(méi)有問(wèn)題后，將下載器插在芯片主板并連接電腦。啟動(dòng)PZ_ISP 軟件，選擇STC89C52RC 芯片和下載器對(duì)應(yīng)的串口號(hào)xx，然后添加hex 文件，關(guān)掉單片機(jī)板的電源，點(diǎn)擊下載后稍等一會(huì)，下載完后會(huì)有“嘀”提示音和顯示下載完成提示。電路板下載好程序之后再插回DX-BT05-A 藍(lán)牙模塊，繼而把電源接通，開(kāi)啟手機(jī)上藍(lán)牙和藍(lán)牙調(diào)試軟件并與植物生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對(duì)連接，匹配連接成功即能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

植物環(huán)境生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)實(shí)物如圖9 所示。

圖9 植物生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)實(shí)物圖

5 總結(jié)

本文從總體方案設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)選型與工作原理、總體程序設(shè)計(jì)框架與程序調(diào)試幾個(gè)方面介紹了植物生長(zhǎng)環(huán)境培養(yǎng)控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)物搭建好的模型測(cè)試，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，智能控制農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，減輕農(nóng)作物管理員勞作強(qiáng)度，同時(shí)提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，也可以應(yīng)用于家庭盆栽養(yǎng)護(hù)，一定程度上的滿足了人們的需求，提高人們生活質(zhì)量。