基于單片機的大棚控制系統

耿秀明

內蒙古電子信息職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010071

隨著生活水平的日益提高，人們越來越重視飲食健康，從而進一步促進了農業生產的發展。在農業生產中，溫室大棚的應用越來越廣泛，已成為現代農業的重要組成部分。國外的溫室設施已發展到比較完備的程度，并形成了一定的標準，但價格比較昂貴，缺乏與我國季候特點相適應的測控軟件。

傳統大棚由農民依據自己的經驗和簡單的溫度計進行監測并手動進行管理控制，很難達到預期的效果。使作物獲得比室外生長更優的環境條件，達到優質、高產、高效的目的對溫室大棚的性能提出了更高的要求[1]。而在溫室大棚中，最關鍵的是溫濕度控制技術。我國現階段大棚多為中小規模，要在大棚中引入自動控制系統還要考慮成本因素，單片機及電子產品的性價比的提高使這一訴求得以解決。結合郊區農戶的需要設計了基于單片機的大棚溫濕度控制系統。

1 溫室大棚溫濕度控制方案

不同的作物對溫度及濕度等生長環境所需條件各不相同，為它們提供一個適合其生長的密閉環境，控制其生長的過程及時間，從而達到經濟效益的最大化。本系統著重解決溫室大棚的溫度及濕度控制。根據不同作物及不同生長階段的需求設計了鍵盤輸入系統，通過鍵盤可以對大棚所需的溫度及濕度進行設定，以便于隨時調節。實現大棚內溫度及濕度的實時監控功能。隨著電子行業的發展，溫濕度控制儀的發展相當迅速。采用將溫度與濕度集于一體的數字溫濕度傳感器可以省去信號調理、校驗等復雜過程。大棚溫濕度顯示功能。為了方便觀察記錄，本系統對大棚的溫濕度設定與實測值通過LCD實時顯示。溫濕度調節，當傳感器檢測的溫濕度與鍵盤所設定的數值不同時，通過啟動加熱裝置、降溫裝置及加濕裝置對大棚內的溫濕度進行調節以達到控制的目的。以AT89C51單片機為核心結合以上所提出的控制要求進行系統設計。系統的控制框圖如圖1所示。

圖1 系統控制框圖

2 硬件系統設計

本系統共分為五個模塊，分別為單片機系統模塊、溫濕度檢測模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊和執行調節模塊（加熱器、噴水機和降溫風扇等）。

單片機系統模塊主要有AT89C51單片機、時鐘電路、復位電路及電源電路構成。時鐘電路由單片機18、19兩管腳外接石英晶體振蕩電路構成，為單片機提供時鐘基準[2]。復位電路包括上電復位和按鍵復位兩種功能。電源電路為系統提供電能，是單片機系統能夠正常運行的保證[3]。

溫濕度檢測模塊采用的傳感器為數字溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。產品為 4 針單排引腳封裝。為保證有效傳輸距離在數據傳輸引腳（2）接5K的上拉電阻，在電源引腳VDD（1）與地引腳GND（4）見接入一個100nF 的電容，以達到去耦濾波的作用[4]。DHT11傳感器應用電路圖如圖2所示。

圖2 DHT11傳感器應用電路圖

鍵盤輸入模塊采用的是電話式鍵盤，鍵盤通過鍵盤掃描芯片（74922）與單片機相連。鍵盤掃描芯片不斷掃描鍵盤，當有鍵按下時DA管腳置1，處理的鍵碼值通過74922的ABCD四個管腳傳遞給單片機。

LCD顯示模塊采用的是LCD128×64液晶顯示器，體積小，質量輕，功耗極低。

執行調節模塊主要根據單片機處理的結果對溫室大棚的溫度及濕度進行調節。由于單片機系統供電只有5V，不能驅動加熱器、噴水機及通風機設備的運行，所以采用繼電器電路來實現。通過繼電器觸點的通斷控制調節設備的運行。繼電器控制電路圖如圖3所示。

圖中IN引腳接單片機控制引腳，當單片機引腳出現低電平時，三極管導通，繼電器線圈通電，觸點閉合控制執行器件開始工作。當出現高電平時線圈斷電，觸點斷開執行器件停止工作。因繼電器線圈屬大感性負載，所以接入二極管起續流的作用[5]。

3 程序設計

圖3 繼電器控制電路

本系統程序設計主要以單片機C51為基礎，采用模塊化設計思想對各個模塊分別設計，最后通過主程序對各模塊程序調用實現系統顯示調節功能[6]。主要包括主程序、鍵盤程序、溫濕度檢測程序、LCD顯示程序和繼電器控制程序幾部分。

主程序流程圖如圖4所示。

主程序對按鍵掃描和完成LCD顯示功能。其中初始化主要完成以下功能：當系統啟動時確定電磁閥關閉、程序設置溫濕度的上下限值的初始值、用于定時器T1、TO及LCD的初始化等。

鍵盤程序主要是當有鍵盤輸入信號時，對按鍵進行判斷。本程序中采用了防止誤動作功能，要使用鍵盤修改參數需要先輸入密碼，密碼正確后鍵盤才進行掃描處理。要對溫度進行設定按“*—數值—*”，對濕度進行設定按“#—數值—#”。

LCD顯示程序完成對設定的溫度和濕度及監測到的溫度和濕度的顯示。LCD128×64四行顯示分別為設定溫度，設定濕度，監測溫度和監測濕度。根據鍵盤輸入的設定值和傳感器檢測到的實際值進行數據實時顯示。主要包括顯示固定字符，顯示變換數據和確定顯示位置等功能。

圖4 主程序流程圖

圖5 鍵盤程序流程圖

溫濕度檢測程序及繼電器控制程序由T0中斷完成，每隔1S處理一次，達到實時監測控制的目的。

中斷程序參考：

void timer0（void） interrupt 1 //T0中斷函數{TH0=（65536-50000）/256：TL0=（65536-50000）%256：jishu++：

if（jishu==20）//1S 計時

{jishu=0：

senordht11（）：//溫濕度檢測程序

if（!（cewen＜wendu1&&cewen＞wendu2））

{if（cewen＞=wendu1）shengwen=0：jiangwen=1：//大于溫度上限降溫

else jiangwen=0：shengwen=1：//小于溫度下限升溫}

else {jiangwen=1：shengwen=1：//在溫度設定范圍內溫度執行器關

if（!（ceshi＜shidu1&&ceshi＞shidu2））

{if（ceshi＞=shidu1）jiashi=0：chushi=1：// 大于濕度上限除濕

else chushi=0：jiashi=1：//小于濕度下限加溫

}

else {chushi=1：jiashi=1：}//在濕度設定范圍內濕度執行器關

}

}}

4 仿真結果分析

利用proteus軟件對系統硬件電路仿真，通過keil軟件進行模塊化程序的編寫，最后進行聯合調試。結果驗證本系統能夠實現鍵盤輸入功能，根據傳感器的溫濕度值與設定的溫濕度值的各種不同假定狀態，能夠正確的驅動相應的執行繼電器動作，從而達到溫室大棚溫濕度調節的功能，并對設定值與檢測值實現實時顯示功能。

[1]高職富. 溫室環境控制技術的現狀及發展前景[J]. 中國市場，2007，（35）：76-77.

[2]徐愛鈞. 單片機原理實用教程. 電子工業出版社，2011.

[3]韓太林. 單片機原理及應用. 電子工業出版社. 2005.

[4]金偉正. 單線數字溫度傳感器的原理與應用[J]. 電子技術與應用，2000，（8）：87-89.

[5]夏志華. 基于單片機的溫度控制系統的研究與實現[J]. 煤炭技術，2013，（2）：100-101.

[6]楊打生. 單片機C51技術應用. 北京理工大學出版社，2011.