溫室大棚自動控制系統的設計

王思瓔

遼寧錦州渤海大學工學院

溫室大棚自動控制系統的設計

王思瓔

遼寧錦州渤海大學工學院

溫室大棚的問世對我國農業產業鏈的發展起到了顯著的促進作用。隨著信息自動化技術的不斷拓新，對溫室大棚的自動控制也顯得尤為重要。本文采用AT89C51單片機為主芯片的監控系統，來對將溫室大棚內的溫度和濕度進行檢測及控制。控制系統中的傳感器采用DHT11，通過它對外界的溫度和濕度進行采集，并采用模塊化設計，將檢測結果通過1602液晶屏顯示出來。同時采用越限聲光報警隨即啟動外部設備，最終得到適宜的環境，保證大棚內的蔬菜生長在優質舒適的環境內以順應生產需要。

AT89C51單片機 DHT11 模塊化

1 引言

現代農業生產中對農作物周圍環境的控制是提高農作物質量的重要一環。溫室大棚的出現克服了傳統農業生產對自然環境因素的依賴性，而溫室設施的關鍵技術是溫度控制，如何快速、準確的獲取溫室中光照強度、濕度和溫度等參數的變化情況，對溫室生產中自動控制有著積極意義。

2 系統的硬件設計

該系統主要有單片機控制電路，鍵盤電路，溫濕度傳感器電路，顯示器電路，控制電路，電源電路等組成。其中以單片機為控制核心，用溫濕度傳感器測量大棚內實際的溫度和濕度，弱電控制強電部分控制相應動作，調節內部溫度和濕度，并把溫度和濕度顯示在1602上。

系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2.1 單片機及其最小系統電路

本系統通過AT89C51單片機進行數據采集、傳輸、顯示，判斷越限，聲光報警啟動外部設施。如果采集到的溫濕度數據超過預設范圍，那么對應的紅黃二極管會發光，并且蜂鳴器會報警，同時啟動相應的外部設備。此監控系統中的單片機編寫是運用C語言，編寫相對簡單，而且運用了DHT11單總線技術。

本系統的主要核心控制器件是AT89C51單片機，讓它進行系統的控制操作使系統的各個模塊協調工作，它的作用僅相當于人的大腦。單片機能合理分配模塊工作，且把手機的數據在液晶屏上顯示相應的值。越限報警是通過發光二極管和蜂鳴器進行完成，如果高出了之前設定的溫度濕度范圍，系統便會自動報警，LED發光和蜂鳴器鳴響，此系統會自動啟動相應的外部設備來調節溫室大棚的內部環境。AT89C51單片機共40個引腳，可劃分為以下3種，如表1所示。

表1 AT89C51單片機引腳功能

AT89C51的引腳封裝如圖2所示。

圖2 AT89C51的引腳封裝

2.2 溫濕度傳感器電路

DHT11溫濕度傳感器與單片機的連接也是相對比較簡單的。單片機的P2.0端口是數據端口，專門負責串行數據的接收和發送，讓這個端口和傳感器的引腳2相連。在傳感器引腳2和正電源之間接上一個10K左右的電阻來保證傳輸距離和數據的準確性。

2.3 電源電路

由于本系統設計時需要5V供電端。為了接線方便，12V直接由外部開關電源供電；取12V電壓經過一個7805穩壓電路調整成5V電壓輸出，供給系統其它器件使用。

2.4 溫濕度調節控制電路

本次設計的溫濕度控制系統主要監控溫度和濕度2個量。單片機將設計1個溫度和濕度的正常區域。當前溫度或者濕度不存在正常區域是單片機將做出相應的處理：①當溫度高于正常區域時，啟動風扇排風功能；②當溫度低于成長區域時，啟動大功率白熾燈制熱功能；③當濕度高于正常區域時，啟動排風機；④當濕度低于正常區域時，啟動小型噴水機。

2.5 報警器模塊設計

蜂鳴器是一種電子發聲器件，它是根據電子發聲學的原理制造出來的。體積小，供電電壓小，便宜，使用方便。我們平時都用它來作為聲音報警的最佳選擇，附加二極管便可以構成聲光報警。用它也可以完成獨立的實驗，奏出音符旋律，兒歌，總之它在單片機的實驗中的作用非常大。壓電蜂鳴器和磁電蜂鳴器是蜂鳴器的兩種類型。

當系統檢測到溫濕度其中有一個超出了預先設定的溫濕度范圍，系統便自動啟動蜂鳴器進行報警，于此同時LED發光二極管被點亮，單片機控制對應的繼電器，讓外部設備進行工作用來及時的調節溫室內的溫濕度，工作人員也可以根據具體的情況來采取相應的措施查也可看相應的區域問題。當系統檢測數據符合給定的要求時，聲光報警系統就會停止工作，外部設備也停止工作，這時一切恢復正常。

3 系統軟件設計

3.1 程序設計的總體方案

該設計采用模塊化設計思路，將系統設計劃分為初始化模塊、溫濕度檢測子程序、按鍵檢測子程序、LCD顯示子程序、溫度處理子程序、24C04子程序、數據處理子程序，這幾個程序模塊構成了整個系統軟件的主程序。系統主程序流程圖如圖3所示：

圖3 系統主程序流程圖

3.2 溫濕度采樣電路子程序

這個系統中很重要的模塊之一便是溫濕度檢測模塊，它要負責溫濕度的采集。如果這個系統沒有了溫濕度采集那它就算不了是一個系統，它就失去了最主要的元件。它將采集到的數據變成數字式的，然后和單片機進行數據傳輸，所以它在整個系統中的地位是相當高的。作為數字式溫濕度傳感器，DHT11它是直接把采集測試到的結果作為數字量來傳輸的單芯片微控制器，這樣處理后，便可以通過單片機傳輸在液晶顯示屏上顯示測到的數據。由于溫度和濕度傳感器值的準確性將對檢測和控制系統有直接影響，也就影響到了整個系統的精度。所以本系統采用低價格，高性能，高精度的數字溫濕度傳感器DHT11。

DHT11溫濕度傳感器將在溫室的各個點采集溫濕度的數據，每隔一定的時間會將該數據進行記錄。然后進行循環的記錄和傳送。當溫濕度不在正常區域是，系統啟動相關處理方案。上電初始化各個變量，通過按鍵設定需要設定的參數，然后溫濕度傳感器通過采集到的數據與按鍵設定的值進行比較，如果實際值越過了某個設定的界限，從而實現相應的動作。如果當前傳感器測量到的溫濕度不在當前設定的范圍內，則啟動報警系統。

3.3 開窗和閉窗及開幕和閉幕電路子程序

本設計以AT89C51為核心，具有采集數據處理數據功能，同時具有檢測實時溫濕度不在設置溫度或濕度范圍內時，從而打開天窗和適當的拉開和關閉帷幕的功能，此設計不僅可以節約管理的成本，而且可以調節作物生長合適的光照，有利于作物的生長。

3.4 報警模塊

聲報警和光報警是報警模塊的兩個功能。LED燈報警來吸引用戶的注意，它是由單片機控制，而蜂鳴器報警是吸引聽覺。LED燈的點亮條件是，當溫濕度傳感器采集到的溫濕度只要其中至少有一個超出了它的預設定范圍，那么相應的LED發光二極管就會被點亮，同時蜂鳴器鳴響；當溫濕度在設定范圍內那么一切正常，不做任何改變。

4 系統測試

通過對系統的軟硬件聯調測試，通過測試數據分析可知，該設計基本達到預期設計要求，但是有些誤差還是避免不了。總結起來有以下幾點：

①DHT11是電容性期間，其測量值要滯后于實際值；

②其次，板子上芯片供電和步進電機用得是同一電源，電機在工作時略微使板子和DHT11供電電壓偏低；

③測試時溫濕度可能具有局部性，實際加熱時不同地方可能存在微量差值。

5 總結

本文以AT89C51單片機為控制核心，DHT11傳感器測量溫濕度，并將模擬信號轉換數字信號之后輸入給單片機分析處理。試驗證明，可以通過溫濕度傳感器的反饋信號實現對增降溫除濕的控制，從而調節相應控制，溫濕度可以通過液晶實時顯示，基本上實現任務的要求。

[1]劉瑩,吳蓬勃,李新龍.基于單片機的精密儀器生產車間溫濕度自動控制系統.2014

[2]王亭亭,李雪穎,周亞羅.溫室大棚智能控制系統設計.科技視界,2015

[3]李興山,崔衛青.基于溫室溫濕度控制系統的研究[J].安徽農業科技,2009,37(22)