基于單片機(jī)的溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究　

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫室自動控制系統(tǒng)；STC89C52 單片機(jī)

中圖分類號：TP273；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

溫室大棚種植的反季農(nóng)作物不僅能夠滿足人們的日常飲食需求，還能夠為種植者增加經(jīng)濟(jì)收入。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫室技術(shù)自動化將成為未來發(fā)展趨勢，自動化系統(tǒng)的構(gòu)建不僅能夠節(jié)省人工成本，還能夠根據(jù)種植要求實現(xiàn)各項參數(shù)的有效控制和調(diào)節(jié)，真正實現(xiàn)溫室大棚的智能化管理，為種植效益的提升提供保障。

1 溫室自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

溫室自動控制系統(tǒng)主要是對溫室內(nèi)部環(huán)境中的溫度、濕度和光照度進(jìn)行控制。該系統(tǒng)包含測量單元、控制單元和執(zhí)行單元3 個部分，利用物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器技術(shù)完成溫度、濕度和光照度的測量，并將測量值與設(shè)定值進(jìn)行對比。根據(jù)兩者的比較結(jié)果和農(nóng)作物的生長屬性，有效調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境的溫度、濕度和光照度，從而將溫室內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1.2 控制器

本文選用STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，針對溫室和區(qū)域進(jìn)行細(xì)致劃分，通過對溫度、濕度和光照度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，在確保滿足溫室基本要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)電、節(jié)水。STC89C52單片機(jī)屬于8位單片機(jī)，其功耗低、性能強(qiáng)，具備8kB的程序存儲空間和512B的數(shù)據(jù)存儲空間。

1.3 傳感器

如圖1 所示，溫室參數(shù)測量器件包含溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器和光照度傳感器。溫度傳感器主要是對溫室內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制；空氣濕度傳感器是控制溫室內(nèi)的空氣濕度，確保其在設(shè)定范圍內(nèi)；土壤濕度傳感器是利用噴水量控制土壤的濕度，促進(jìn)溫室內(nèi)作物的生長；光照度傳感器是通過補(bǔ)光或遮光的設(shè)計，為溫室內(nèi)作物的生長提供適宜的光源。

1.3.1 溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器具備速度快、引腳少、體積小的優(yōu)勢，尤其是調(diào)節(jié)溫度數(shù)值所需的時間較短，其測量數(shù)值范圍為-55 ～ 125℃，特別是在-10 ～ 85℃ 時，測量精度可以達(dá)到±0.5℃。溫度傳感器的應(yīng)用使溫室內(nèi)的溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)，為作物生長提供了基本條件。

1.3.2 空氣濕度傳感器

DHT11 濕度傳感器的線性度較高，分辨率高達(dá)0.1% RH，其濕度測量范圍為0 ～ 100% RH，適用的溫度范圍為-40 ～ 80℃?？諝鉂穸葌鞲衅髦饕菍厥覂?nèi)空氣濕度條件進(jìn)行調(diào)控，從而為作物生長提供適宜的環(huán)境。

1.3.3 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器主要是通過電位器根據(jù)土壤需求進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對水泵開關(guān)的控制。例如，當(dāng)土壤的濕度低于設(shè)定溫度時，繼電器會自動吸合，從而啟動水泵，確保土壤的濕度能夠達(dá)到相關(guān)要求。

1.3.4 光照度傳感器

GY-30 光照度傳感器能夠直接輸出數(shù)字量，無須區(qū)分環(huán)境光源，測定精度較高，其范圍為0 ～65 535 lx。此外，光照度傳感器內(nèi)置16 位模擬數(shù)字（analog to digital，A/D）轉(zhuǎn)換器，采用NXP 公司的集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和5 V 單片機(jī)的輸入/ 輸出（input/output，I/O）進(jìn)行銜接。光照度傳感器主要是對溫室內(nèi)光照情況進(jìn)行調(diào)控，從而滿足溫室內(nèi)的光照情況。

由于不同傳感器輸clROzXtUhNAju+yILgfPoFNGrg/VW56OB+qa2EfVuzA=出信號形式不同，因此溫度、空氣濕度和光照度等各個參數(shù)傳感器在讀取過程中，單片機(jī)能夠直接讀取傳感器輸出的數(shù)字量。然而，在讀取土壤濕度參數(shù)時，需要利用繼電器對水泵開關(guān)進(jìn)行控制，以比較實際土壤濕度與設(shè)定土壤濕度。

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括加熱片、制冷片、加濕器、通風(fēng)機(jī)、遮光簾和補(bǔ)光燈等，利用不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對溫度、濕度以及光照度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

1.4.1 加熱片與制冷片

溫度的控制可以借助加熱片和制冷片進(jìn)行操作。當(dāng)溫室內(nèi)的實際溫度高于設(shè)定溫度時，需要啟動制冷片，通過物理降溫的原理將溫度控制在設(shè)定范圍內(nèi)；當(dāng)溫室內(nèi)的實際溫度低于設(shè)定溫度時，則需要啟動加熱片，以升高溫室內(nèi)的溫度。此外，通過設(shè)計1℃ 雙邊控制地區(qū)，當(dāng)溫度超出或低于1℃時，加熱片或制冷片不會出現(xiàn)啟動或停止，從而避免加熱片和制冷片反復(fù)啟停造成的機(jī)器故障，同時延長該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命。

1.4.2 加濕器與通風(fēng)機(jī)

濕度的控制主要是利用加濕器和通風(fēng)機(jī)。加濕器主要是對溫室起到增濕的作用，而通風(fēng)機(jī)則負(fù)責(zé)降低濕度。例如，當(dāng)溫室內(nèi)的實際濕度低于設(shè)定范圍時，就會啟動水泵開關(guān)，通過調(diào)節(jié)噴水量來增加濕度。而當(dāng)溫室內(nèi)的濕度高于設(shè)定范圍時，則利用通風(fēng)機(jī)來達(dá)到降低濕度的目的。

1.4.3 遮光簾與補(bǔ)光燈

光照度的控制主要是利用遮光簾和補(bǔ)光燈[1]。其中，遮光簾通常選擇百葉窗，根據(jù)室內(nèi)光照度對百葉窗的角度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而滿足光照需求。例如，陽光較為充分的中午，利用單片機(jī)算法對百葉窗的角度進(jìn)行控制，使其發(fā)揮遮光作用，而在光照不足時，則利用照明設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)光，確保溫室內(nèi)有充足的光照[2]。

1.5 顯示機(jī)構(gòu)

在本次溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，選用LCD1602 作為顯示元件，用于顯示各個參數(shù)的設(shè)定值與測量值。其中，點陣型液晶顯示模塊主要用于數(shù)字、字母、符號等元素的顯示。

1.6 按鍵機(jī)構(gòu)

獨立式按鍵電路具備靈活性強(qiáng)、軟件編程簡便等優(yōu)勢，在其應(yīng)用的過程中能夠利用簡捷操作完成相應(yīng)的任務(wù)。例如，通過查詢算法查詢某根I/O 口線是否為低電平，可以確認(rèn)I/O 口線所對應(yīng)的按鍵是否已按下，之后跳轉(zhuǎn)至該鍵的功能處理程序[3]。

2 溫室自動控制系統(tǒng)的軟件控制

如圖2 所示，溫室自動控制系統(tǒng)包含系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)自檢、定值設(shè)定，測量參數(shù)，數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)超限，加熱、補(bǔ)光以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整等流程。在系統(tǒng)完成初始化后，定時器可以對各個程序的狀態(tài)進(jìn)行控制，以2 min 為單位測量和處理相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)溫室內(nèi)的參數(shù)狀態(tài)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，保證溫度、濕度和光照度處于可控范圍內(nèi)[4]。一旦溫度、濕度和光照度等相關(guān)參數(shù)超出范圍，蜂鳴器則報警，同時相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動，使參數(shù)值向設(shè)定值靠近[5]。

3 功能測試與結(jié)果分析

3.1 測試目的

系統(tǒng)進(jìn)行功能測試的目的是及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中存在的問題，排除系統(tǒng)中出現(xiàn)的錯誤，從而完善系統(tǒng)功能，為溫室自動控制系統(tǒng)的正常運行提供根本保障。

3.2 測試方法

在電路連接完成后，按照溫室內(nèi)作物對溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照度等各個參數(shù)的需求在計算機(jī)上完成設(shè)定。一旦溫室內(nèi)的溫度高于設(shè)定范圍，則啟動制冷片，反之則關(guān)閉制冷片；一旦空氣濕度低于設(shè)定值，則立即啟動水泵開關(guān)，反之，則開啟通風(fēng)機(jī)；一旦土壤中的濕度未能夠滿足設(shè)定需求，則啟動水泵開關(guān)，反之則關(guān)閉水泵開關(guān)；一旦溫室內(nèi)的光照不足，補(bǔ)光燈則會自動亮起，而一旦光照度滿足設(shè)定需求，補(bǔ)光燈則自動熄滅。

3.3 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果顯示，盡管各個傳感器都存在一定的誤差，但所取得的測試數(shù)據(jù)都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。此外，水泵、制冷片以及補(bǔ)光燈的反應(yīng)速度較快，證實了該溫室自動控制系統(tǒng)的測量精度較高，能夠切實滿足溫室內(nèi)作物的生長需求，基本達(dá)到實際應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

綜上，基于單片機(jī)的溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計有效結(jié)合了溫室農(nóng)作物的實際生長需求，將溫度、濕度和光照度控制在適合農(nóng)作物生長發(fā)育的最佳值，為溫室智能化管理和種植者經(jīng)濟(jì)效益的提升提供有效保障。此外，該溫室自動控制系統(tǒng)還可以應(yīng)用于多種作物的生長環(huán)境控制中，在節(jié)省人工成本的同時，提高溫室大棚的種植效益。