農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

馬英哲 陳偉利 李玉麗 尚澤

(吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 概述

近年來(lái)伴隨著社會(huì)的飛速發(fā)展,各行各業(yè)都在向著科技化與自動(dòng)化的方向前進(jìn),而我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面更是重視。但傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測(cè)模式多為人工監(jiān)測(cè),通過觀察、記錄、測(cè)量各種數(shù)據(jù),導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的因素過多,不利于對(duì)生產(chǎn)過程的管理與控制,還容易產(chǎn)生一些不必要的資源浪費(fèi)和財(cái)產(chǎn)損失。隨著各種現(xiàn)代化設(shè)備的加入與互聯(lián),農(nóng)業(yè)的科技化更為明顯,尤其是在溫室大棚中的應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)要求

2.1 溫濕度、光照的實(shí)時(shí)測(cè)量及顯示。

2.2 在不同時(shí)期,操作人員可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整作物適宜的生長(zhǎng)條件。

2.3 設(shè)置報(bào)警功能。

2.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù),差值過大時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)采用STC89C52 作為核心部件,用DHT11 采集信號(hào)和處理,圖1。單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后通過LCD1602 實(shí)時(shí)顯示溫濕度的數(shù)據(jù),主要任務(wù)要求有以下幾點(diǎn)：

3.1 用C 語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制溫度、濕度。

3.2 使用溫濕度傳感器DHT11 采集溫濕度,將采集到的數(shù)據(jù)傳送到的單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,控制溫度范圍在0—75之間,控制濕度范圍在25—80%RH。

3.3 保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定,支持長(zhǎng)時(shí)間工作。

圖1

4 硬件設(shè)計(jì)與選擇

選擇STC89C52 的原因主要是其該單片機(jī)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。

4.1 復(fù)位電路部分

復(fù)位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成, 當(dāng)接通電源,RST 腳將會(huì)出現(xiàn)高電平,時(shí)間由電路的RC 值來(lái)決定,并且51 單片機(jī)當(dāng)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將自動(dòng)復(fù)位,所以讓RC 的值取在適當(dāng)范圍就可以保證此模塊正常工作。

4.2 顯示模塊

采用LCD1602 液晶顯示屏,該模塊的優(yōu)點(diǎn)是體積小并且易安裝,對(duì)于環(huán)境的要求也不是很高,此模塊也被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,它可以顯示兩行,每行16 個(gè)字符,相當(dāng)于32 個(gè)LED 數(shù)碼管,此外它的供電系統(tǒng)為5v,配置一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的外圍電路,也可降低成本,如圖2 所示。

圖2

4.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器的選擇DHT11,作為一款性價(jià)比高的溫濕度傳感器,常用于單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例中。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件,并與一個(gè)高性能8 位單片機(jī)相連接。DHT11 接入單片機(jī)電路時(shí)需要上拉電阻,因?yàn)镈HT11 的單總線需要工作在高電平的情況下,接線的電路圖如圖3 所示。

4.4 光電傳感器

光電傳感器選擇HA2003 光照傳感器。其優(yōu)點(diǎn)為精確度高,IP65 防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)使其十分堅(jiān)固,電流輸出在長(zhǎng)纜線傳輸?shù)臅r(shí)候沒有信號(hào)衰減采用真實(shí)太陽(yáng)光標(biāo)定,使光源影響較小。

4.5 按鍵掃描

按鍵總共為4 個(gè)按鍵并且直接和單片機(jī)連接,還有一端接地。按鍵是否被按下由單片機(jī)檢測(cè),按下時(shí)單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的引腳同時(shí)被拉低,單片機(jī)檢測(cè)到低電平后執(zhí)行相應(yīng)的程序。

圖3

4.6 報(bào)警電路

通過單片機(jī)AT89S52 控制紅色LED2、綠色LED1、蜂鳴器U1 和監(jiān)測(cè)信號(hào)端口J2,C3 排除干擾信號(hào)。圖中S2、EC1 和R2組成單片機(jī)復(fù)位電路,三極管Q0 起音頻放大作用,晶振Y0 為12MHz,J1 接DC5V 電源。

安全情況下,綠燈點(diǎn)亮,紅燈熄滅,喇叭無(wú)聲；一旦信號(hào)監(jiān)測(cè)端口有脈沖或電平變化(依場(chǎng)合設(shè)置為高脈沖或低脈沖,高電平或低電平)出現(xiàn),即觸發(fā)報(bào)警器進(jìn)入報(bào)警狀態(tài),紅綠燈交替閃爍,喇叭發(fā)出警報(bào)聲。除非關(guān)閉電源或按下復(fù)位鍵,否則會(huì)報(bào)警不止,從而達(dá)到報(bào)警目的。

4.7 電源電路

電源使用的是外接5v 電源,D1 為檢測(cè)電源是否正常運(yùn)行的指示燈。電路圖如圖4 所示。

圖4

5 程序設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)流程圖(圖5)

圖5

5.2 單總線程序

DHT11 的初始化,是為了檢測(cè)DHT11 這個(gè)模塊是否存在,由51 單片機(jī)發(fā)送的開始信號(hào)將單總線電平拉低至少18ms,然后再將總線電平拉高,做檢測(cè)結(jié)束信號(hào)。這時(shí)DHT11 開始響應(yīng),拉低總線電位80us,然后再拉高總線電位80us,此時(shí)則代表DHT11 的初始化完成,接下來(lái)就開始傳輸數(shù)據(jù)了。DHT11 的初始化成功后,單片機(jī)就準(zhǔn)備接收來(lái)自DHT11 的數(shù)據(jù),一個(gè)完整的數(shù)據(jù)一共有40bit ,濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)各兩個(gè)字節(jié),還有一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)數(shù)據(jù),溫度數(shù)據(jù)加上濕度數(shù)據(jù)之和正好等于校驗(yàn)數(shù)據(jù),如果校驗(yàn)不通過,則不更新顯示數(shù)據(jù)。下面的程序就是用來(lái)讀取5 個(gè)字節(jié)并校驗(yàn)：其中在讀取一個(gè)字節(jié)時(shí)也要有嚴(yán)格的時(shí)序,數(shù)據(jù)類型不同時(shí)高電平的持續(xù)時(shí)間不同來(lái)表示,數(shù)據(jù)為0 時(shí)以高電平持續(xù)時(shí)26-28us 表示,數(shù)據(jù)為1 以高電平持續(xù)時(shí)間為70us 表示,電平的時(shí)間是一樣的為50us。那么我們可以捕獲上升沿,通過延時(shí)一點(diǎn)時(shí)間在判讀是否高電平的方法來(lái)確定是數(shù)據(jù)0 還是數(shù)據(jù)1。

6 總結(jié)與展望

本設(shè)計(jì)中,選取單片機(jī)作核心元件,關(guān)于溫濕度和光照強(qiáng)度智能控制進(jìn)行簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)和闡述。此設(shè)計(jì)中使用了模塊化和層次化的電路設(shè)計(jì)理念,選取硬件為主,軟件為輔的設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)檢測(cè)精度較高、電路較簡(jiǎn)單、集成度較高、工作比較穩(wěn)定以及調(diào)試簡(jiǎn)單。試驗(yàn)證實(shí),此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測(cè)和準(zhǔn)確的溫濕度和光照強(qiáng)度的控制,可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果,有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。