農業溫室大棚溫濕度檢測系統設計

楊光

摘?要：針對目前傳統的農業溫室大棚中溫濕度無法實時監測的狀況，本文以STC89C52為主控芯片，溫度傳感器DS18B20檢測溫室大棚內的環境溫度，HS1101濕敏元件與555定時器構成濕度傳感器檢測大棚內的濕度狀況，時鐘芯片DS1302實現檢測日期的記錄，LCD進行數據的實時顯示，使用LED和蜂鳴器實現溫濕度超限的聲光報警系統。經試驗，該系統能夠滿足設計的需求。

關鍵詞：STC89C52;溫度傳感器DS18B20;HS1101濕敏元件;555定時器

溫度和濕度的檢測是研究發展溫室大棚的重要因素，作物的一切生命活動直接受其影響，溫濕度的不適應造成作物的低產，鑄成了大量的損失。[1]所以提高溫室大棚內的溫度濕度監測刻不容緩。在傳統的溫室大棚溫濕度檢測中很大程度上依賴使用人工使用濕度試紙，濕度計等傳統儀器測量，檢測結果受外界環境干擾，人為的測量方式不正確，儀器精密度不高等因素的影響而造成了誤差，并且如此還會造成各種資源的大量浪費。[2]因此設計一種價格合理，操作便捷，且檢測精度較高的溫濕度檢測儀是十分重要的。

一、系統設計及實現

針對系統需求選用STC89C52芯片，它具有I/O口多，定時器、中斷等功能齊全強大，技術發展成熟，且價格低廉。使用溫度傳感器DS18B20進行溫度的測量，它與系統的連接僅僅占用一個數據口，不憑借其他原件，就可以直接將環境的溫度轉換為可測的數字信號。選用HS1101濕敏元件連接555定時器構成濕度傳感器，可實現零到一百相對濕度的檢測，誤差為+2%RH。選擇LCD12864液晶顯示屏，可顯示八行，一行一百二十八個字符，以及64*259點陣顯示RAM（GDRAM），可顯示中文，與單片機的接口可采用并行與串行兩種方式，且自帶強大的中文字庫[4-6]。

以STC89C52為數據運算處理模塊，DS18B20溫度傳感器將檢測的溫度傳送給CPU進行數據處理，HS1101電容式濕敏元件連接555定時器構成單穩態振蕩電路，輸出頻率，連接到主控芯片的P3^5引腳。由T0定時器設置1s的定時，T1定時器計算頻率個數，所得的頻率個數即是濕度，再經過公式轉換為數值[7-9]。LCD12864將處理后的數據進行輸出顯示，設置+，-按鍵對顯示的時間進行調節，和“設置”按鍵對報警值進行調節，并且顯示精度。DS1302時鐘芯片實時顯示時間以便記錄數據，選用蜂鳴器，LED燈來起到溫濕度超限報警的作用。分別對溫度，濕度進行比較，然后超過預設值后，進入中斷，判斷中斷優先級，進入中斷，進行報警[10]，見圖1所示。

DS18B20實現對溫度檢測的原理是用兩個晶振受溫度的影響而改變振蕩頻率，當高溫振蕩器進行工作時，計數門打開，高溫振蕩器所產生的頻率送入減法計數器2進行減操作，同時低溫振蕩器工作，將所產生的頻率信號送入計數門對頻率進行計數，計數的數值隨后送入減法計數器1。此時的減法計數器的初值為-55℃時所對應的頻率值。當計數器1的減法運算結果為零時，溫度寄存器的數值（計數器1的初值）自動加一。當減法計數器2的數值運算結果為零時，結束計數。此時的寄存器數值即為溫度值，一個測量周期結束。其中還有一個斜率累加器用來溫度補償以及對數值的線性補償，提高其精確度。溫度傳感器原理圖如圖2所示。

HS1101濕度檢測模塊濕度檢測的工作原理為HS1101濕度檢測傳感器與555多諧振蕩器相連由于濕敏電容隨濕度而改變電容值進而影響輸出頻率，最后計算頻率數轉換來實現。在555定時器CV腳TR腳之間使用HS1101作為一個可變電容接入，DC引腳的作用是使電阻R2造成短路，可變電容HS1101通過充電達到門限電壓，通過放電到達到高電平，然后R2通過DC引腳接地，通過不同的電阻充放電，形成一段近似的方波頻率。其周期計算如下：

T?充電=C*（R1+R2）*In2;（1）

T?放電=C*R1*In2;（2）

由此可知輸出方波頻率為：

f=1/（T?充電+T?放電）=1/[C*（R2+2R1）*In2];（3）

空氣濕度通過由555定時器構成的測量振蕩電路，轉變為與之成反比例的頻率信號。濕度傳感器模塊原理圖如圖3所示。具體的濕度測量轉換輸出則由單片機的兩個定時器來完成。定時器T1實現頻率的計數功能。定時器T0實現計時功能。每隔1s對NE555輸出的頻率進行一次采集再由定時器T1對頻率進行計數，頻率經過確定范圍計算出相應的濕度值。

二、測試分析

通過對上述系統硬件的搭建和軟件算法的調試，為了測試溫度傳感器和濕度傳感器的檢測范圍及精度

選用DHT11作為參考，使三個傳感器在同樣的環境中進行檢測顯示。測試數據表如表1和表2所示。

由以上實物調試結果分析由：

DS18B20傳感器測得結果與DHT11進行比較計算可得溫度測量的精度提高了9.1%。這種測量大大提高了對溫室大棚內的溫度檢測，減少了因測量誤差而造成的損失，而且又由測量范圍可知DS18B20可試用的作物種植范圍較大。

對于濕度的檢測，HS1101是一個濕敏可變電容，不易損壞。且其測量的濕度范圍與精度有很大的提高。由上所述符合設計要求，并且適合應用于溫室大棚的溫濕度檢測報警。

三、結論

本設計是溫室大棚溫濕度監測系統，完成了以STC89C52為核心，DS18B20為溫度檢測模塊，HS1101濕敏元件連接555定時器構成濕度檢測模塊，LCD12864為數據顯示模塊以及按鍵設置模塊和聲光報警模塊的溫濕度檢測系統的實物搭建與調試。經試驗驗證本設計達到了系統要求，實現了溫度的檢測和濕度的檢測并且實現了報警值的修改，為今后科技農業的發展提供一份力量和參考。

參考文獻：

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