溫室大棚溫度控制系統設計研究

王 淏 亢娟娜

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅武威 733006）

溫室大棚是一個半開放、半封閉的系統，比較復雜，內部不僅受到種植作物的影響，更與大棚的結構、保溫設施的使用等有關。而外部更與外界環境直接進行空氣循環，因此外界的溫度和光照對溫室大棚內部的溫度更有直接的影響。溫室大棚內溫度控制是一個非常復雜的系統，僅僅依靠手動調控或者是簡單的功能控制系統難以將溫室大棚環境保持在最佳狀態，嚴重制約了溫室作物產量的提高。因此，開發適應我國不同區域情況，具備先進技術水平和優良控制作用的溫室大棚溫度控制系統，對于農業發展和國民生活都具有重要意義。

1 溫室大棚溫度控制系統硬件設計

溫室大棚溫度控制系統設計的主要目的是對溫室大棚內的溫度進行實時監測并根據種植戶預設的溫度進行自動調控，確保瓜果蔬菜在不同生長期對溫度的要求得到滿足。因此，整個系統需要具備自動監測以及自動控制等功能。

1.1 系統硬件組成 系統硬件組成主要包括溫度傳感器、顯示屏、報警裝置、通風風機和加熱設備等。發揮核心作用的通常是單片機，能夠對溫度傳感裝置交互的溫度信息進行接收，并將其在顯示屏之中及時顯示[1]。與此同時，報警裝置也會收到溫度信息，倘若進行報警，意味著溫度與預先設定的標準不符合，此時空調系統將會在報警之后立即開啟，從而對大棚溫度進行合理調控，使棚內保持恒溫狀態。串口通信是將各種器件依托串口進行連接，讓信息實現交互，以確保各個功能穩定發揮。

1.2 控制器選擇 根據溫室大棚溫度控制系統的特點，本系統使用STC 公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8 位單片機STC89C52。該型號單片機具有8 K 字節可編程Flash存儲器、512字節的RAM 存儲器，可用于存儲運算的中間數據；具有32位I/O口線、看門狗定時器、內置4 KB EEPROM、MAX810 復位電路、3 個16 位定時計數器、4 個外部中斷、一個7 向量4 級中斷結構和全雙工串行口。其完全兼容標準51 單片機，并提升了運行速度。

1.3 溫度傳感器選擇 對于溫室大棚溫度控制系統而言，溫度是其主要控制對象，因此如果要形成閉環反饋，則需通過室內環境傳感器并將其送入主控芯片。溫度傳感器在系統中的作用是 “眼睛” 和 “耳朵”，因此其采集的準確性、快速性和穩定性直接決定整個系統控制品質的高低。溫度傳感器的種類眾多，傳統意義上的測溫元件有熱電偶、NTC 熱敏電阻、Pt100等，目前的溫度傳感器測溫模塊有TS105系列測溫模塊、DS18B20 測溫模塊等。考慮到測溫的精確性和使用的便利性，在一些性能要求較高的場合，往往采用集成溫度傳感器。

在溫度控制系統的設計中，考慮到后續的系統升級和功能擴展，可采用DHT11 溫濕度數字傳感器。其除了具備DS18B20 等數字傳感器電路簡潔、精度高、使用方便的諸多優點之外，最重要的是DHT11 能夠同時測量空氣的相對濕度，在系統中可以作為一個預留功能，如后期有濕度測量控制需求，則可以不用更改系統硬件，通過程序編寫便可以完成功能升級[2]。

1.4 LCD1602 顯示屏簡介 使用顯示屏主要是為了隨時觀察和監視溫室大棚溫度參數，可選用LCD1602 顯示屏。它是一種常用的工業字符型液晶顯示屏，能夠同時顯示16×02 即32個字符，工作電壓為3.3 V 或5 V，其顯示對比度可調整，并內含復位電路，同時提供各種控制命令，如清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能。其內部包括80 字節顯示數據存儲器DDRAM，且具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧等特點。

1.5 報警裝置 報警裝置的主要功能由蜂鳴器實現，在對溫室大棚內部溫度進行控制的過程中，一旦預設標準溫發生變化，溫度過高或過低，報警器就能夠發出報警信息。工作人員可根據顯示數據采取有效的解決措施，將溫室大棚內的溫度保持在預設范圍中，達到智能控溫的目標。

1.6 串口通信標準 串口通信是將各種器件依托串口進行連接，讓信息實現交互。為了確保該功能穩定發揮，將RS-232C 作為串口通信標準。以該標準為基礎，操作人員能夠對電氣特性進行確定。同時，在對串口通信設計時，常常會用到兼容性較強的VSPD 軟件，該軟件的功能與COM 端口類似，能夠將所有的信號線進行有效連接。同時，VSPD 軟件擁有虛擬性特征，加之有兩個串口，能夠將上下位機進行有效連接。

2 溫室大棚溫度控制系統軟件設計

2.1 主程序設計 主程序設計主要包含讀取溫度模塊、液晶顯示器LCD1602 模塊、電機的控制模塊、報警器模塊以及串口通信模塊等，主要基于不同模塊的要求與功能，編輯相關的語言程序。

2.2 讀取溫度設計 通常來講，單總線要與溫度讀取裝置進行串聯，由單總線為讀取裝置提供必要的電流，且與高信號線連接，這樣能夠從其獲取一定能量，一旦電路出現了低信號狀態，那么系統將會中斷通電，當電平恢復之后，整個電源才會與系統聯通。當裝置讀取溫度時，需要由5 V 外部電源提供電能。

在使用C 語言編寫溫度數據讀取程序時，還要對讀取時間進行限制，使裝置的各個讀取指令能在固定時間內完成。在讀取溫度過程中，通常會出現整數和小數，而處理過程中需要將小數部分進行整化。通常儀器所獲得溫度都是代碼形式，需要工作人員進行轉化，可精確到0.1℃。

2.3 風機、加熱設備的控制 在溫室大棚溫度控制系統之中，通風風機與加熱設備控制模塊很重要，可通過控制其運行速率來調控溫度變化。多數園藝作物的下限溫度為5℃～15℃、最適溫度為20℃～28℃、上限溫度為30℃～35℃，因此一般將溫度上界限設置為28℃，并根據不同作物種植設置下限溫度。當溫室內溫度低于溫度上限，通風風機處于非運行狀態；當反饋溫度超過該界限，通風風機會自動啟動；當溫度低于下限溫度時，加熱設備啟動；當溫度達到一定程度時，通風風機或加熱設備運行會處于平衡狀態[3]。

2.4 報警器的啟動 倘若要讓系統能夠對大棚溫度進行智能控制，那么報警器啟動的精準性非常關鍵。為了確保報警啟動的精準性，設計時可以將28℃作為界限，一旦超過界限，報警裝置則會啟動，并發出聲響。同時，需要對警聲控制的主程序進行設計，例如報警信號、頻率等，可根據自身要求進行調整。

2.5 串口通信模塊 在對串口通信模塊進行設計時，設計人員要先確定線路類型，然后再設計連接形式。串口通信模塊可以選擇的線路包括TXD、RXD、GND 等。這幾種線路均可以構建成串口，確保交互任務能夠有效完成。

3 系統調試

在完成溫室大棚溫度控制系統設計之后，需要嚴格按照硬件設計圖對其進行安裝，完成系統安裝之后，接下來需要進行調試，達到相關標準和要求后方可進行實際應用。在對溫室大棚溫度控制系統進行調試時，需要對檢測到的溫度進行校準，通常通過檢查顯示屏顯示數值來完成。在調試溫度過程中，工作人員可通過使用水銀溫度計測量溫室大棚內部實際溫度，然后與顯示屏顯示的數值進行對比，如果兩者偏差不大，說明系統檢測數據基本不存在偏差。否則需要通過對溫度值轉換程序相關參數進行修改，來調整誤差。