基于單片機(jī)農(nóng)業(yè)溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了提高農(nóng)業(yè)溫室的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一種基于農(nóng)業(yè)溫室的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，采用性?xún)r(jià)比較高的溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)溫室溫濕度的測(cè)量與控制。通過(guò)調(diào)整溫度和濕度的限值，可以對(duì)針對(duì)不同的農(nóng)作物。當(dāng)參數(shù)越限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并通過(guò)繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè)溫室 單片機(jī) 監(jiān)控 溫濕度

我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)裝備水平與勞動(dòng)生產(chǎn)率水平均較低，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，隨著科技的進(jìn)步，做為以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)大國(guó)來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化水平的不斷發(fā)展，將是引導(dǎo)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素，尤其是自動(dòng)化控制水平在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越受到重視。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)中，以農(nóng)業(yè)溫室為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)揮著巨大的作用。在農(nóng)業(yè)溫室中的溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)直接關(guān)系到蔬菜等農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期，溫室環(huán)境的變化與農(nóng)作物的發(fā)芽、生長(zhǎng)、光合作用等密切相關(guān)。因此，對(duì)于農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效地進(jìn)行農(nóng)作物栽培的重要保證。

當(dāng)前我國(guó)大多數(shù)農(nóng)業(yè)溫室對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)與控制還停留在人工管理階段，特別是在冬季，晝夜溫差較大，溫濕度控制精度很低并且不夠及時(shí)，很容易造成蔬菜等農(nóng)作物生長(zhǎng)緩慢，不僅浪費(fèi)了人力資源，而且還極大的降低了生產(chǎn)的收益，造成經(jīng)濟(jì)損失。為了提高農(nóng)業(yè)溫室的自動(dòng)化控制水平和生產(chǎn)效率，更科學(xué)合理地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)，更有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，因此必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)技術(shù)原理與性能指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)原理

以單片機(jī)為控制核心的農(nóng)業(yè)溫室溫、濕度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，能夠?qū)r(nóng)業(yè)溫室大棚溫、濕度進(jìn)行有效地檢測(cè)與控制。根據(jù)農(nóng)作物種植的需求，設(shè)計(jì)適合于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)用的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括溫度和濕度等參數(shù)的監(jiān)控和調(diào)節(jié)功能，該系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、使用方便、成本低和工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。不僅可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)溫室，大棚，花窖，也可以用于其他需要恒溫恒濕的場(chǎng)合，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)

實(shí)現(xiàn)基本功能：溫、濕度參數(shù)顯示；溫、濕度檢測(cè)；聲光報(bào)警；鍵盤(pán)設(shè)置；系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置；A/D轉(zhuǎn)換等。主要技術(shù)參數(shù)溫度檢測(cè)范圍為-10℃到+85℃之間，測(cè)量的溫度精度約為±0.5℃；濕度檢測(cè)范圍為輸出模擬電壓信號(hào)0-3V，濕度測(cè)量范圍10% - 95%RH；測(cè)量分辨率為16 bit；輸出為單總線數(shù)據(jù)信號(hào)；顯示方式溫濕度均為三位液晶顯示；

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源作為系統(tǒng)的供電方式，在單片機(jī)總體控制下，具有溫、濕度參數(shù)檢測(cè)；通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)參數(shù)基本信息輸入，當(dāng)溫、濕度等相關(guān)參數(shù)超限時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警顯示，同時(shí)通過(guò)光電耦合裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖l所示。

2 硬件電路及關(guān)鍵設(shè)備

2.1 單片機(jī)控制器選擇

該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，溫、濕度傳感器等相關(guān)參數(shù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)單片機(jī)處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警及控制輸出。單片機(jī)選用AT89S52型單片機(jī)，這種單片機(jī)兼容性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，信價(jià)比較高，能完成相關(guān)控制及處理。

2.2 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量采用DS18B20型溫度傳感器，該傳感器采用單總線接口，采用的是1-Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，能夠滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)作物環(huán)境的溫度精度要求。采用DS18B20設(shè)計(jì)的溫度參數(shù)采集模塊，如圖2所示。

2.3 濕度傳感器電路設(shè)計(jì)

濕度采集模塊采用了CHTM-02NA型濕度傳感器，模擬電壓信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的PC1口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

2.4 液晶顯示模塊

顯示模塊采用的是RTl2864M漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊。該模塊可顯示漢字及圖形，其內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16×16點(diǎn)陣），128個(gè)字符（8 X 16點(diǎn)陣）及64×256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度和濕度，也可顯示設(shè)定的溫度和濕度，顯示結(jié)果更加方便直觀。

2.5 光電耦合模塊

該執(zhí)行單元由光電耦合元件控制輸出繼電器組成，當(dāng)溫、濕度值超過(guò)設(shè)定的參數(shù)限值時(shí).單片機(jī)控制相應(yīng)的工作單元繼電器動(dòng)作，由繼電器接通相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整溫、濕度等。

2.6 報(bào)警模塊

當(dāng)溫、濕度等參數(shù)超過(guò)限制值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)聲音、光、顯示等報(bào)警環(huán)節(jié)，提醒操作人員注意。

2.7 其他輔助電路

硬件部分還包括其他輔助電路，如鍵盤(pán)電路、復(fù)位電路等。其他參數(shù)的測(cè)量，可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行增減，如CO2濃度測(cè)量可采用MG811型傳感器，測(cè)量范圍為350—10000ppm，輸出模擬電壓30-50mV。外部DC電壓給H-H端加熱元件加熱，當(dāng)其表面溫度足夠高時(shí)，MG811元件相當(dāng)于一個(gè)電池，其AB兩端會(huì)輸出電壓信號(hào)，根據(jù)該電壓信號(hào)的大小可測(cè)量CO2濃度。如光照度測(cè)量可采用光電池，光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件，通過(guò)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來(lái)檢測(cè)待測(cè)量。針對(duì)LED對(duì)作物的補(bǔ)光照射的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)光照采集系統(tǒng)和光譜范圍可調(diào)的光照控制系統(tǒng)，可以方便地應(yīng)用在不同類(lèi)型的植物補(bǔ)光場(chǎng)合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了主程序、顯示程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行程序模塊。系統(tǒng)上電后，主程序先完成系統(tǒng)初始化，然后再初始化傳感器，使傳感器工作。主程序調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊讀取傳感器的數(shù)據(jù)，并調(diào)用顯示模塊在液晶顯示器上顯示。數(shù)據(jù)處理程序?qū)Σ杉瘉?lái)的數(shù)據(jù)與設(shè)定的限值進(jìn)行比較，若溫濕度在設(shè)定的限值范圍內(nèi)，返回重新讀取數(shù)據(jù)。如此進(jìn)行循環(huán)；若超出限值范圍，則使相應(yīng)的輸出繼電器動(dòng)作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整溫濕度，然后再返回重新讀取數(shù)據(jù)（主程序流程框圖見(jiàn)圖4）。

4 結(jié)論

系統(tǒng)監(jiān)控的目的是要為農(nóng)作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的溫、濕度等優(yōu)化的環(huán)境條件，調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程和成熟上市時(shí)間，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。農(nóng)業(yè)溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)溫室的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。當(dāng)溫室內(nèi)的溫濕度超限時(shí)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的同時(shí)，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使溫濕度控制在正常范圍內(nèi)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的智能化控制和溫室作物的科學(xué)管理，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。系統(tǒng)硬件部分采用AT89S52單片機(jī)和溫濕度傳感器，采用液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)，控制輸出采用輸出繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制。

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作者簡(jiǎn)介

馬東（1975-），男，遼寧省遼陽(yáng)市人。沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)橹悄軆x器儀表、計(jì)算機(jī)測(cè)控。

作者單位

沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)市 110159