基于單片機(jī)的溫室大棚移動監(jiān)測儀的硬件設(shè)計

竇悉絲，江鈺婷，于云霞，鄒 雪

（成都理工大學(xué) 信息與通信工程系，四川 成都 610059）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展也取得了較好的成績，任何事情都有其兩面性，在取得進(jìn)步的同時也凸顯出許多問題。第一個問題就是：我國是一個人口大國，自然資源豐富，但人均占有量少；第二個問題就是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技含量低且生產(chǎn)成本高，普遍為家庭式生產(chǎn)，沒有形成規(guī)模化生產(chǎn)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

中國可以算得上最早有溫室技術(shù)的國家，大多數(shù)溫室種植都使用的薄膜技術(shù)，薄膜很容易受環(huán)境的影響。20世紀(jì)末，我國從歐美、日等國家引進(jìn)了一系列現(xiàn)代化溫室系統(tǒng)：加溫系統(tǒng)、濕簾降溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、監(jiān)測與集中控制系統(tǒng)等進(jìn)行研究，正因?yàn)橛辛诉@些鋪墊，在2007年6月，我國第一套單井抽灌淺層地能溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院落成[1]。

荷蘭是世界上溫室生產(chǎn)最發(fā)達(dá)的國家，它的溫室主要用玻璃筑成，覆蓋面積廣，位居世界前列。美國根據(jù)自然環(huán)境的特點(diǎn)和開發(fā)的計算機(jī)控制與管理系統(tǒng)，對溫室內(nèi)的土壤水的含量、溫度、空氣濕度、肥料、二氧化碳濃度等環(huán)境因子進(jìn)行自動調(diào)控。日本是世界上果樹栽培面積最大且種植技術(shù)領(lǐng)先的國家，其研制的計算機(jī)控制系統(tǒng)能夠自動地檢測環(huán)境因子的變化，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；并且可以對采摘后的農(nóng)作物進(jìn)行清洗、篩選、包裝、保鮮等操作，全程自動化[2-4]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)框如圖1所示，首先，通過單片機(jī)編寫代碼設(shè)定溫濕度和光照強(qiáng)度的上下限值，然后按下遙控器相應(yīng)的數(shù)碼，小車進(jìn)行移動。到達(dá)指定地點(diǎn)后，溫濕度傳感器和光敏電阻傳感器開始采集數(shù)據(jù)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將采集后的數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù)傳輸給顯示屏并顯示出來。當(dāng)單片機(jī)檢測到數(shù)據(jù)值超過設(shè)定值就會驅(qū)動蜂鳴器報警[5]。

2.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)發(fā)展歷史可分為3個階段：（1）在初始階段，因?yàn)楣に嚰夹g(shù)還比較初級，單片機(jī)采用的是雙片形式，功能也比較簡單，例如仙童公司生產(chǎn)的F8單片機(jī)。（2）低性能單片機(jī)階段。單片機(jī)片內(nèi)集成有8位CPU，并行I/O口，8位定時計數(shù)器，RAM及ROM等，但是沒有串行口，中斷簡單。（3）高性能單片機(jī)階段。低成本，高性能，操作簡單，多型號，可滿足不同的需求。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們對微型控制器的需求量也不斷地在增加，單片機(jī)的應(yīng)用滲透到人們生活的各個領(lǐng)域，比如各種儀表的控制、信息通訊、實(shí)時數(shù)據(jù)采集等，這也刺激了市場對單片機(jī)的生產(chǎn)，各個廠家的競爭也越來越激烈，從而有利于單片機(jī)制作工藝和性能的提高[6]。

圖1 系統(tǒng)框

2.2 LCD12864液晶模塊

液晶顯示屏有體積小、功耗小、操作簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。顯示屏的種類也有很多，有字符型、點(diǎn)陣型等，常用的是點(diǎn)陣型的。大多數(shù)單片機(jī)開發(fā)板上的顯示屏是LCD1602，顯示范圍太小，不能滿足實(shí)時顯示溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的要求，因此選用LCD12864來滿足此類要求。LCD12864是一種具有8位/4位并行、3線或2線串行接口方式；其顯示分辨率為128×64，128個16×8點(diǎn)ASCII字符集，內(nèi)置8192個16×16點(diǎn)漢字。該模塊接口方式可操作性強(qiáng)、靈活，方便執(zhí)行指令，可全中文人機(jī)交換圖形界面。

2.3 聲光報警電路

當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)檢測到環(huán)境溫度和濕度高于或小于某一設(shè)定值時，單片機(jī)發(fā)出信號驅(qū)動指示燈發(fā)光，同時蜂鳴器發(fā)出報警聲，當(dāng)溫濕度處于正常范圍時，聲光報警解除。

2.4 智能遙控小車設(shè)計

2.4.1 總體思路

智能遙控小車由兩個主體部分組成：紅外遙控部分和智能控制部分。紅外遙控部分采用模塊化的遙控鍵盤作為發(fā)射端，一體化的HX1838作為接收端；智能部分以STC89C52單片機(jī)作為總控制中心，利用L293D電機(jī)驅(qū)動模塊控制直流電機(jī)，進(jìn)而控制小車的轉(zhuǎn)彎、啟停、速度快慢。

2.4.2 紅外遙控模塊

紅外遙控分為接收和發(fā)射兩個部分，發(fā)射電路通過鍵盤、編碼調(diào)制將信號通過紅外線發(fā)送給接收器；由于信號很微弱，接收器接收到信號后會將其放大、濾除不需要的信號、整形后得到TTL電平的編碼信號，再傳送給單片機(jī)，單片機(jī)解碼后，發(fā)出相應(yīng)的指令，控制相應(yīng)的部分運(yùn)轉(zhuǎn)。

紅外接收頭采用的是TL1838，有3個接線端：接地端、信號輸出端、供電端。

2.4.3 直流電機(jī)驅(qū)動模塊

單片機(jī)的輸出電流太小，而直流電機(jī)需要較大的驅(qū)動電流，因此需要電機(jī)驅(qū)動電路來配合單片機(jī)使電機(jī)正常運(yùn)行。

L293D是專門為方便驅(qū)動電機(jī)而生產(chǎn)的芯片，此模塊輸入電壓可達(dá)36 V，工作電壓為5 V，輸出電流±600 mA，含有4個控制端，4個輸出端。A為輸入控制端，Y為輸出控制端，1A控制1Y，2A控制2Y，3A控制3Y，4A控制4Y，A=1時，Y輸出12伏；A=0時，Y輸出0 V。1,2EN和3,4EN使能端口需要短接，芯片最高工作電壓為7 V。

2.5 DHT22溫濕度傳感器介紹

溫濕度檢測可分別使用DS18B20溫度傳感器和HS1101濕度傳感器，但設(shè)計電路復(fù)雜，因此采用DHT22作為溫濕度檢測模塊。DHT22是一款單片智能數(shù)字化復(fù)合傳感器，它采用專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，使傳感器具有高度的可靠性和長期穩(wěn)定性。它包括一個能隙式測溫元件和一個電容式聚合體測濕元件，并與一個8位的單片機(jī)緊密相連，體積小、測量范圍廣、性價比高。可測0%～100%RH濕度，誤差±2%RH，-40 ～80℃，誤差±0.5 ℃。

2.6 光敏電阻傳感器介紹

光敏傳感器是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，實(shí)際上相當(dāng)于一個PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上有些不同，為了增加入射光照的面積，PN結(jié)的面積比較大，電極面積比較小，在使用時需要一個與光接觸的窗口，當(dāng)光線有明暗變化時，PN結(jié)自動導(dǎo)通或關(guān)閉。光照強(qiáng)度檢測，主要使用光敏傳感器模塊測量。該模塊主要由一個LM393電壓比較器和光敏電阻組成。本系統(tǒng)采用薄片式光敏電阻作為傳感器，入射光增強(qiáng)、電阻減小、入射光減弱、電阻增大，進(jìn)而將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過電壓比較器轉(zhuǎn)換為高低電平輸送給單片機(jī)[7-8]。

3 測試結(jié)果分析

隨著測試環(huán)境溫度的上升，顯示屏顯示溫度數(shù)據(jù)也隨著上升；濕度呈現(xiàn)波動，基本維持在45RH%，比較符合常溫下室內(nèi)濕度。有一點(diǎn)不足之處就是顯示屏反應(yīng)速度有一點(diǎn)緩慢，在綜合考慮實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、硬件、軟件等條件下，監(jiān)測結(jié)果能滿足設(shè)計的需要，但還需要在軟件和硬件上進(jìn)行優(yōu)化。隨著光照強(qiáng)度的增加，光敏電阻的阻值減小，光敏模塊輸出電壓減小。顯示屏顯示數(shù)據(jù)和實(shí)際測得的數(shù)據(jù)比較符合，存在一定的測量誤差，可能是因?yàn)樵跍y量電壓時手指出現(xiàn)抖動或是硬件電路不夠完善，導(dǎo)致接觸不良。溫濕度模塊測試如圖2所示。

圖2 溫濕度模塊測試

4 結(jié)語

本次設(shè)計由于實(shí)驗(yàn)室條件、知識、經(jīng)驗(yàn)和時間的不足，監(jiān)測儀還有許多地方有待完善，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有將監(jiān)測儀放入生產(chǎn)中，不斷調(diào)試，才能了解系統(tǒng)所存在的問題，進(jìn)而解決問題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國越來越重視農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，對科研的投入越來越多，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低、受環(huán)境影響大，還需消耗大量的人力物力，隨著高新技術(shù)引入農(nóng)業(yè)種植，未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)肯定會邁向集約化、高產(chǎn)、規(guī)模化、高水平道路。

[1]萬軍.基于單片機(jī)大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[2]牛甲.基于模糊控制的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.農(nóng)業(yè)部關(guān)于促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的意見[Z].〔2008〕3號.

[4]姚傳安.無線溫濕度測量傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2007（2）：165-167.

[5]范茂軍.傳感器技術(shù)[M].北京：北京國防工業(yè)出版社，2008.

[6]馬斌，劉志輝.基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].新疆農(nóng)業(yè)科技，2010（3）：87-92.

[7]王俊杰，曹麗.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[8]張義和.例說51單片機(jī)[M].北京：人民郵電出版社，2010.