育秧大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計

張艷麗， 牛國玲， 姜永成， 孫忠良

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007)

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育秧大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計

張艷麗， 牛國玲*， 姜永成， 孫忠良

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007)

根據(jù)我國育秧大棚的設(shè)施水平低、自動化程度不足等問題，進行了育秧大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計，從而自動、快捷地控制光照程度和溫濕度?？刂葡到y(tǒng)的軟硬件設(shè)計包括主控回路、溫濕度采集、溫濕度調(diào)節(jié)等部分，分別給出了具體的設(shè)計方案。該系統(tǒng)自動化程度較高，并且滿足了育秧農(nóng)戶自動化的需求，具有推廣價值。

育秧；大棚；單片機；傳感器

我國是農(nóng)業(yè)大國，水稻在我國農(nóng)業(yè)體系中占據(jù)著不可替代的地位，而育秧技術(shù)對水稻種植起著關(guān)鍵的作用，沒有良好的秧苗就無法保證較高的糧食產(chǎn)量。我國目前處于地少人多的狀況，由于無法增加水稻的種植面積，又要保證每年的糧食產(chǎn)量，就必須采用新技術(shù)來提高糧食種子質(zhì)量和種植技術(shù)，但傳統(tǒng)的單層溫室大棚溫濕度不方便控制且光照不均勻。目前，雙層育秧溫室大棚是解決這一問題的較好選擇，國外已經(jīng)實現(xiàn)計算機遠程對雙層大棚的控制，也實現(xiàn)一點對多點的控制，即一臺工業(yè)PC機，便可在一個地方檢測和管理多個大棚的情況，這些大棚可以集群控制也可以獨立進行控制[1]。目前我國雙層大棚并不普遍，而且大棚內(nèi)的許多設(shè)施，如溫度、濕度、光照度、排水供水系統(tǒng)大都采用人工手動控制，不僅浪費了大量的人力和物力，而且在人工控制的情況下，會導(dǎo)致控制的精度、實時性滿足不了系統(tǒng)要求，控制不當很容易造成一定的經(jīng)濟損失。為此，筆者基于單片機AT89C51進行了育秧大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計。這不僅大大節(jié)約了設(shè)備成本，提高了育秧的效率和質(zhì)量，也極大改變了我國目前育秧現(xiàn)狀，從而推動我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

雙層大棚是在傳統(tǒng)大棚外部搭建一層可活動的大棚，在兩層之間搭建通風口，在外層鋪設(shè)遮陰布控制光照，在內(nèi)層搭建溫濕度模塊控制溫濕度，已達到更好地控制整個大棚內(nèi)的通風、光照、溫濕度的新型大棚。雙層大棚的優(yōu)點是抗擊自然災(zāi)害的能力強，溫濕度控制容易，缺點是造價略高，但是可以通過提高利用率來改善。

系統(tǒng)具有如下操作：①溫度調(diào)節(jié)。將測得的溫度與設(shè)定界限值比較，執(zhí)行加熱/制冷措施。②濕度調(diào)節(jié)。將測得的濕度與設(shè)定界限值比較，執(zhí)行加濕/去濕措施。③光照調(diào)節(jié)。將測得的溫濕度與設(shè)定界限值比較，執(zhí)行遮光布的升降、閉合。④報警。當傳感器所采集的數(shù)據(jù)超出設(shè)定值的范圍時進行聲音報警。⑤按鍵。用戶人工輸入溫濕度的設(shè)定界限值。⑥顯示。實時顯示測得的溫濕度數(shù)據(jù)和設(shè)定界限值。

2　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)總結(jié)方案將要實現(xiàn)的功能，以及綜合考慮溫室內(nèi)的環(huán)境情況，選用AT系列的89C51單片機芯片作為該設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制的芯片[2]。采用中央集中控制的方式完成對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和聯(lián)動控制，以單片機作為中央控制器，以傳感器作為信號采集設(shè)備，以特定的傳感器作為兩模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，以LCD顯示屏作為數(shù)據(jù)的監(jiān)控界面，同時可以外接溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備，如加熱設(shè)備、加濕設(shè)備、減濕設(shè)備以及通風設(shè)備來進行溫濕度的調(diào)節(jié)。溫濕度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　溫濕度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖Fig.1　Overall design of temperature and humidity control system

2.1 控制核心部件該系統(tǒng)的控制核心是AT89C51單片機，利用該系列的單片機以及溫濕度傳感器來對大棚內(nèi)的溫濕度進行實時性的監(jiān)測。通過單片機處理將數(shù)值在液晶顯示屏LCD12864上顯示出來，同時單片機將采集到數(shù)據(jù)與設(shè)定值范圍進行比較，當超出設(shè)定值范圍時，自動啟動報警模塊和溫濕度調(diào)節(jié)模塊來進行相應(yīng)的操作以實現(xiàn)恒溫恒濕環(huán)境。其中單片機還可以通過串行口把溫室中的溫度、濕度等參數(shù)及時上傳至上位機進行保存[3]。

在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用推廣的性價比，在選用經(jīng)濟實惠的器件的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)要求的精度。該系統(tǒng)以89C51單片機為控制核心，以DHT11為溫濕度傳感器，傳感器將采集到數(shù)據(jù)后經(jīng)由NRF905無線傳輸模塊傳輸給單片機并在液晶顯示屏LCD12864上顯示出所采集的數(shù)據(jù)數(shù)值，可以分為測量溫濕度部分、按鍵設(shè)置部分、報警部分以及電機執(zhí)行部分。通過按鍵設(shè)定溫濕度報警的范圍，當超過或者低于設(shè)定的范圍時，報警部分動作，同時電機執(zhí)行部分帶動相應(yīng)的電機執(zhí)行動作。當溫濕度恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)時，報警器停止，同時電機部分停止動作。

2.2溫濕度采集設(shè)計設(shè)計該系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境面對的是溫室，溫室環(huán)境參數(shù)變化不頻繁，同時要實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)經(jīng)濟方便的功能，因此預(yù)計設(shè)計的系統(tǒng)將選用可同時采集溫室溫濕度信息的傳感器。針對不同作物應(yīng)用的環(huán)境，選用不同的傳感器，有的作物對環(huán)境要求較高，就需要傳感器檢測環(huán)境參數(shù)的變化更快速，可更及時地控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整環(huán)境參數(shù)；有的作物對環(huán)境要求不高，可選用數(shù)據(jù)采集較慢，精確度不高，但卻更經(jīng)濟、方便、實用的傳感器。綜合考慮，最終該設(shè)計選用同時采集溫度、濕度信息的傳感器來設(shè)計系統(tǒng)[4]。

溫濕度傳感器己由模擬化向著數(shù)字化的方向發(fā)展，而數(shù)字傳感器已得到廣泛的應(yīng)用。為使傳感器與單片機通信方便，同時減少I/O口的使用，該設(shè)計選用DHT11數(shù)字式的溫濕度一體傳感器。該傳感器包括一個電阻式感濕電阻和一個NTC測溫元件，同時采用了將數(shù)字模塊與溫濕度采集模塊獨立出，保證傳感器的穩(wěn)定性。該傳感器內(nèi)含經(jīng)過精確校準后的校準系數(shù)，在進行信號處理時都要調(diào)用這些校準系數(shù)，從而保證傳感器采集溫濕度的精確性。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷；超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20 m以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。

2.3溫濕度調(diào)節(jié)功能設(shè)計該系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用環(huán)境是溫室，外界的環(huán)境對溫室內(nèi)的溫濕度影響幾乎可以忽略不計。因此就需要控制系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)溫濕度等環(huán)境情況，適時調(diào)整其相關(guān)參數(shù)，使室內(nèi)的環(huán)境更有益于作物的生長。溫室的溫度與其光照有關(guān)，而室內(nèi)的濕度則與溫室的通風條件或灑水條件有關(guān)。為滿足室內(nèi)溫濕度可調(diào)節(jié)的功能，預(yù)采取的功能是：當溫室內(nèi)溫度較低時，通過增強光照來提高溫室內(nèi)的溫度，而且光照強度的增強也可以促進作物的光合作用，間接地促進了作物的生長；當溫室內(nèi)濕度較高時，通過給開風扇，給室內(nèi)通風實現(xiàn)降低室內(nèi)濕度的功能；當溫室內(nèi)濕度較低時，通過適度的噴灑水來給室內(nèi)補充濕度。溫濕度調(diào)節(jié)具體設(shè)計電路如圖2所示。

圖2　溫濕度調(diào)節(jié)電路Fig.2　Temperature and humidity regulating circuit

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

此次設(shè)計的大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)由一個主程序調(diào)用多個子程序，包括上位機通信子程序、DHT11溫濕度采集子程序、無線傳輸子程序、LCD12864液晶顯示子程序、輸出控制子程序、鍵盤輸入子程序、報警子程序。主程序主要就是調(diào)用各個子程序的C語言文件中定義的函數(shù)，實現(xiàn)DHT11、LCD12864初始化等操作，然后測量溫濕度，調(diào)用函數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，最后進行顯示并輸出控制信號。主程序流程圖如圖3所示。

圖3　主程序設(shè)計流程Fig.3　Main program design process

4　 結(jié)論

為提升育秧效率和大棚溫濕度控制自動化程度，滿足我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，該研究進行了以單片機為控制核心的新型雙層育秧大棚集溫濕度光照采集與控制于一體的系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫濕度光照實時采集與調(diào)節(jié)，極大地提高了性能，具有高性能、低功耗等優(yōu)點，提高了大棚溫濕度控制的自動化程度、減少了農(nóng)民的工作量、提高了溫濕度控制的精確度，改善了我國當前育秧大棚溫濕度控制系統(tǒng)簡單粗放、自動化程度低、育秧效率低下的現(xiàn)狀，極大推動了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。該設(shè)計性價比高，能夠滿足大多數(shù)農(nóng)民的操作要求，且適用面廣，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益。

[1] 吳濱.水稻育秧大棚綜合利用技術(shù)模式[J].北方水稻,2014,44(3):60-61.

[2] 梅榮.基于單片機的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機化研究，2012(1):131-134.

[3] 潘璐璐.基于STC12系列單片機的智能溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2014.

[4] 陸榮鑑,李品,孫周. SHT10傳感器在溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012,31(9):136-138.

Design of Temperature and Humidity Control System in Seedling Culture Greenhouse

ZHANG Yan-li, NIU Guo-ling*, JIANG Yong-cheng et al

(Mechanical Engineering Institute of Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007)

According to problems of seedling cultivation greenhouse in China, such as low level of facilities, insufficient automation, temperature and humidity control system of seedling culture greenhouse was designed, so as to control light and temperature and humidity automatically and quickly. The control system included main control circuit, temperature and humidity acquisition and adjustment, the specific design scheme was proposed. This system had high degree of automation, met the automation demands of seedling culture, and had the promotion value.

Seedling culture; Greenhouse; Single chip microcomputer; Sensor

田間作業(yè)裝備創(chuàng)新團隊項目(cxtd-2013-01);黑龍江大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510222037, 201610222106);佳木斯大學校長基金項目(xzyf2016-15);國家基金青年項目(61203052);黑龍江省教育廳科研項目(12521539)。

張艷麗(1974- )，女，黑龍江巴彥人，講師,博士，從事農(nóng)業(yè)電氣化及田間作業(yè)裝備研究。*通訊作者，副教授，從事農(nóng)業(yè)電氣化及控制系統(tǒng)研究。

2016-08-08

S 625.5

A

0517-6611(2016)24-228-02