基于AT89C2051的溫室大棚氣象要素預(yù)警控制系統(tǒng)

周世新，尤 軍，李藝文，陳洪利

(1．遼寧省盤錦市氣象局，遼寧盤錦124010;2．山東省氣象局，山東濟南250031;

3．中國石油撫順石油化工公司教育培訓(xùn)中心，遼寧撫順113015)

1 氣象要素微機控制概述

蔬菜大棚氣象要素監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是針對蔬菜大棚溫度濕度和大棚外大風(fēng)監(jiān)測而設(shè)計，同時也可用于糧食倉儲、冷庫及煙葉發(fā)酵等場合的溫度濕度監(jiān)測。塑料大棚是開發(fā)日光資源、充分利用太陽光能的主要形式之一，為蔬菜生長創(chuàng)造一個良好環(huán)境。蔬菜大棚作為一個相對封閉的環(huán)境，其內(nèi)部形成了一個小氣候環(huán)境，良好的空氣環(huán)境是蔬菜正常生長的重要條件。為了增產(chǎn)、增收，要注意大棚內(nèi)部的氣體、溫度和濕度3個重要因素。氣體主要是指棚內(nèi)的二氧化碳的含量。當(dāng)空氣中的二氧化碳濃度提高到0．1%時，可使蔬菜的光合作用速率增加1倍以上，增產(chǎn)20% ～80%;若使二氧化碳濃度降至0．005%時，光合作用幾乎停止。蔬菜生長的適宜溫度為20～30℃。大棚內(nèi)白天增溫快，當(dāng)棚外平均氣溫為15℃時，棚內(nèi)可達40～50℃。因此，要適時調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度，避免高溫危害。塑料大棚經(jīng)常處于密閉狀態(tài)，蒸發(fā)量大大減小，內(nèi)部濕度一般在80% ～90%，濕度過大極易導(dǎo)致病蟲害的發(fā)生。目前對大棚內(nèi)氣體、溫度和濕度的有效調(diào)節(jié)，主要是通過適時的通風(fēng)來實現(xiàn)。二氧化碳含量過大和濕度過大都會導(dǎo)致溫度升高。通過調(diào)節(jié)溫度濕度可以有效地控制二氧化碳濃度。因此，對棚內(nèi)溫度濕度的控制是非常重要的。該研究介紹的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測預(yù)警控制系統(tǒng)，直接監(jiān)測每個棚內(nèi)不同部分的溫度濕度，通過對溫度濕度的良好控制，有效地提高蔬菜的產(chǎn)量。

2 系統(tǒng)硬件組成

2．1 系統(tǒng)的硬件組成 該系統(tǒng)是一個自動的蔬菜大棚溫度濕度檢測和棚外大風(fēng)巡回檢測與預(yù)警控制系統(tǒng)，以AT89C2051單片微型計算機為核心，再加上外圍器件組成。主要組成部分如下:AT89C2051單片微型計算機，時鐘電路，復(fù)位電路，溫度傳感器，濕度傳感器，風(fēng)速傳感器，LM339電壓比較器和外圍元件組成的溫度濕度大風(fēng)檢測部分，由8050三極管及外圍元件組成的控制通風(fēng)的繼電器，由9013三極管及外圍元件組成的報警電路，7805、7812穩(wěn)壓電源等。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、使用方便等特點［1］。

2．2 單片機AT89C2051簡介 AT89C2051是該系統(tǒng)的核心控制器件，它是一種低電壓、高性能的8位CMOS微型計算機，帶2K字節(jié)的閃存和可擦可編程只讀存儲器。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失性技術(shù)生產(chǎn)，與工業(yè)級MCS-51架構(gòu)組相兼容。AT89C2051將一片通用的8位CPU與閃存集成在單塊芯片上，是一種功能強大的微型計算機，它為許多嵌入式控制提供了高靈活性低成本的解決方案。AT89C2051的標(biāo)準(zhǔn)特性如下:2K字節(jié)閃存，128字節(jié)RAM，15個I/O口，2個16位定時器/計數(shù)器，1個五矢量兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行通信口，1個精準(zhǔn)模擬比較器、芯片級振蕩器和時鐘電路。另外，AT89C2051用靜態(tài)邏輯設(shè)計，可在低至0頻下工作，支持2種軟件可選節(jié)能模式?？臻e模式下CPU不工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作［2］。

3 系統(tǒng)的硬件工作原理

3．1 系統(tǒng)原理 該系統(tǒng)作為一個自動的蔬菜大棚氣象要素巡回檢測與控制系統(tǒng)，主要由AT89C2051單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、通風(fēng)控制繼電器及外圍元件、報警預(yù)警電路和穩(wěn)壓電源等組成。自然界環(huán)境氣侯狀態(tài)變化，引起各溫度，濕度要素變化，使得相應(yīng)的傳感器變化，進而使得相應(yīng)的傳感器輸出的電信號產(chǎn)生變化。溫度、濕度要素的傳感器所感應(yīng)到不同的電壓值，其中溫度傳感器采用PT-100鉑電阻，鉑電阻具有較高的穩(wěn)定性和良好的復(fù)現(xiàn)性隨溫度變化，鉑電阻的阻值也發(fā)生變化，在一定測量范圍內(nèi)，溫度和阻值呈線性關(guān)系，溫敏電阻與其他電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)得到模擬電壓值送到電壓比較器的同相端，經(jīng)過LM339電壓比較器和外圍元件組成的比較器與反相端接入的設(shè)定值進行比較后得出高低電平值，再送到AT89C2051單片微型計算機CPU判斷處理，發(fā)出相對應(yīng)的控制指令輸出到放大器蜂鳴器發(fā)出報警信息，同時控制指令輸出到放大器繼電器電路及報警指示電路。同樣濕度傳感器采用濕敏電阻作為測濕傳感器，由于空氣濕度變化使?jié)衩綦娮柚蹈淖?，在一定測量范圍內(nèi)，空氣相對濕度和濕敏電阻值是對應(yīng)關(guān)系，濕敏電阻與其他電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)得到模擬電壓值送到電壓比較器的同相端，經(jīng)LM339電壓比較器和外圍元件組成的比較器與設(shè)定值進行比較后送到AT89C2051單片微型計算機CPU判斷處理，發(fā)出相對應(yīng)的控制指令［3］。

風(fēng)速檢測與溫濕度檢測原理類似，不再贅述。

3．2 溫濕度檢測電路 系統(tǒng)檢測電路的電壓比較器由LM339和外圍元件組成，其中電阻R1與正溫度系數(shù)溫敏電阻R3組成溫度檢測電路，電阻R2與可調(diào)電阻R4組成溫度設(shè)定電路，調(diào)整R4可設(shè)定不同的環(huán)境溫度值，當(dāng)環(huán)境溫度小于設(shè)定溫度時A點電位低于B點電位，LM339輸出低電平送到CPU的P1．1端口，供CPU分析判斷。當(dāng)環(huán)境溫度大于設(shè)定溫度時A點電位高于B點電位，LM339輸出高電平送到CPU的P1．1端口，供CPU分析判斷。溫濕度檢測電路見圖1。

當(dāng)CPU的P1．1端口為低電平時，CPU由軟件控制循環(huán)檢測環(huán)境溫度，當(dāng)CPU的P1．1端口為高電平時，CPU調(diào)用由軟件產(chǎn)生的發(fā)聲報警程序發(fā)出報警，同時CPU調(diào)用繼電器控制程序控制繼電器開啟通風(fēng)降溫操作，直至蔬菜大棚內(nèi)溫度與設(shè)定溫度相同時CPU內(nèi)控制軟件終止通風(fēng)降溫操作。環(huán)境濕度檢測電路和工作過程與溫度檢測電路和工作過程基本相同，只是把溫敏傳感器換成濕敏傳感器，LM339電壓比較器輸出端接CPU的P1．2端口即可。

3．3 風(fēng)速檢測電路 風(fēng)速檢測電路由風(fēng)速傳感器，分壓電阻R7，可調(diào)電阻R8和電壓比較器LM339組成。當(dāng)大棚外風(fēng)速小于設(shè)定值時電壓比較器LM339同相端電壓值小于電壓比較器反相端電壓值電壓比較器輸出端輸出低電平，此低電平輸出到單片機P1．3端口供單片微型計算機分析判斷。當(dāng)大棚外風(fēng)速大于設(shè)定值時，電壓比較器LM339同相端電壓值高于電壓比較器反相端電壓值，電壓比較器輸出端輸出高電平，此高電平輸出到單片機P1．3端口供單片微型計算機分析判斷。風(fēng)速檢測電路見圖2。

3．4 控制電路 如圖3所示，控制電路由反相器、CD4069、三極管8050及繼電器等組成。由CPU的P3．2端口輸出的低電平控制信號通過反相器CD4069反相后經(jīng)限流電阻R6，三極管8050驅(qū)動后去驅(qū)動控制繼電器動作開啟通風(fēng)操作，直至蔬菜大棚內(nèi)溫度與設(shè)定溫度相同時CPU的P3．2端口輸出高電平終止通風(fēng)降溫操作。

3．5 報警電路 如圖4所示，報警電路由限流電阻R5、三極管9013及蜂鳴器組成。由軟件編程形成的間歇音頻報警信號通過CPU的P3．1端口經(jīng)9013驅(qū)動和蜂鳴器發(fā)出間歇音頻警報。

4 系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)控制軟件是利用MCS-51單片微型計算機匯編指令集在KEIL集成環(huán)境下完成工程建立及匯編程序的輸入，原程序經(jīng)過編譯后再通過MCS-51編程器寫入AT89C2051單片機的片內(nèi)存儲器中。系統(tǒng)軟件運行流程見圖5。

［1］陳偉人．單片微型計算機原理及其應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1994．

［2］王俊蜂．電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計與制作［M］．北京:人民郵電出版社，2005．

［3］強錫富．傳感器［M］．北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001．