基于單片機的環(huán)境檢測與自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

周興達，韋焱文，劉潔，楊文武，姜鑫蕾

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

隨著高新技術(shù)的興起，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)逐漸改變。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地使用嵌入式微控制器、傳感器結(jié)合單片機技術(shù)實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物生長環(huán)境進行實時監(jiān)測和控制，不僅節(jié)約人力又實現(xiàn)了對植物生長環(huán)境的實時檢測和精確控制[1]。目前我國將這類技術(shù)逐步投入到智能家居的使用中，像智能花盆等，但類似的設(shè)計功能單一，僅能檢測卻無法進行自動控制。該系統(tǒng)將種植者的電腦作為檢測終端，在控制端對植物的生長環(huán)境進行檢測并自動調(diào)節(jié)溫度、濕度和光照強度，通過無線模塊傳輸數(shù)據(jù)到終端進行存儲和后期維護。實現(xiàn)了人與植物間的交互，自動調(diào)節(jié)生長的環(huán)境，能提升植物的生命周期和品質(zhì)，使植物種植變得更加智能化。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該設(shè)計主要有兩種功能，分別是實時檢測功能和自動調(diào)節(jié)功能。主要電路模塊有單片機最小系統(tǒng)、液晶驅(qū)動電路、溫濕度傳感器、光照強度傳感器、繼電器驅(qū)動電路、外部光源電路和排氣扇電路等，采用相關(guān)程序?qū)υO(shè)計的硬件進行編寫和調(diào)試。硬件系統(tǒng)邏輯圖如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)邏輯圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

該設(shè)計主要有實時檢測和自動調(diào)節(jié)兩種功能。實時檢測功能就是能夠在液晶屏上實時顯示溫度、濕度和光照強度的參數(shù)[2]。并且通過無線模塊能夠在PC 端上實時檢測到當(dāng)前參數(shù)的數(shù)據(jù)。自動調(diào)節(jié)功能就是以植物最適當(dāng)?shù)纳L環(huán)境為中心，通過按鍵設(shè)定好適宜的溫度、濕度和光照強度。當(dāng)環(huán)境的溫度和濕度小于或者等于設(shè)定的初始值時，風(fēng)機不工作；當(dāng)溫度和濕度只要有一方大于設(shè)定的初始值時，風(fēng)機就會開始運行。當(dāng)光照強度低于所需的光照強度時，輔光就會自動打開；當(dāng)光照強度高于所需強度時，輔光不工作。其次，在液晶顯示屏上應(yīng)顯示當(dāng)前植物生長環(huán)境的實時數(shù)據(jù)，通過無線串口模塊也能在電腦上實時顯示和保存這些數(shù)據(jù)。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

選用STC89C52RC單片機作為核心[3]，最小系統(tǒng)主要包括電源電路、復(fù)位電路和晶體振蕩電路，這是單片機工作的最基本的電路。最小系統(tǒng)的設(shè)計會直接關(guān)系和影響到單片機工作的運行狀態(tài)以及穩(wěn)定性，進而影響整個系統(tǒng)的工作情況[4]，最小系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)原理圖

2.2 液晶驅(qū)動電路設(shè)計

采用LCD1602 液晶顯示模塊[5]。為了方便編程，將八位數(shù)據(jù)線與單片機的一個完整的端口八位輸出相連，該功能設(shè)計選擇的是P0 口。由于其他控制線均使用位控制，所以為了布線方便，在數(shù)據(jù)位確定后與其他控制引腳就近連接，液晶驅(qū)動原理圖如圖3所示。

圖3 液晶驅(qū)動原理圖

2.3 溫濕度傳感器電路設(shè)計

選用的DHT11 溫濕度傳感器具有4 個引腳[6]，一個數(shù)據(jù)引腳和兩個供電引腳，另外有一個引腳置為空。在使用的模塊中廠家只對3 個有用的引腳進行了引出，讓數(shù)據(jù)腳與單片機的P10 口進行連接[7]，電路設(shè)計如圖4 所示。

圖4 溫濕度傳感器電路原理圖

2.4 光照強度傳感器電路設(shè)計

設(shè)計所使用的BH1750 光照強度傳感器有5 個引腳[8]，分別為兩個供電引腳、兩個IIC 通信引腳和一個模擬量輸出引腳。由于在設(shè)計中并沒有用到模擬量的讀取，所以模擬輸出引腳置為空，單片機的P11和P12 引腳與IIC 通信的兩個引腳相連，電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 光照強度傳感器電路原理圖

2.5 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計

采用S8550 三極管來驅(qū)動繼電器[9]。繼電器的一條控制線連電源正極，另一引腳連在集電極，三極管的發(fā)射極接地，在它的基極串聯(lián)電阻后與單片機的P13引腳和P14 引腳相連接。系統(tǒng)開始工作后，繼電器的工作狀態(tài)和單片機輸出的電平以及三極管的工作區(qū)有關(guān)，工作狀態(tài)如表1所示，電路設(shè)計如圖6所示。

表1 繼電器工作狀態(tài)表

圖6 繼電器驅(qū)動電路原理圖

3 軟件部分設(shè)計

軟件部分利用C 語言，采用Keil 軟件來進行編寫[10]。系統(tǒng)軟件部分設(shè)計主要包括串口通信程序、液晶驅(qū)動程序、溫濕度數(shù)據(jù)讀取與校驗程序、光照強度獲取程序以及按鍵程序等。

3.1 串口通信程序設(shè)計

通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線通信模塊，由無線通信模塊將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一塊無線通信模塊再轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。因沒有用到從上位機接收數(shù)據(jù)的功能，所以串口通信程序設(shè)計部分只包括串口初始化[11]以及串口發(fā)送[12]兩部分，串口通信程序流程圖如圖7 和圖8 所示。

圖7 串口初始化流程圖

圖8 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

3.2 液晶驅(qū)動程序設(shè)計

液晶驅(qū)動程序包括初始化和控制兩部分，液晶驅(qū)動程序的初始化是對液晶工作模式的設(shè)置，控制部分是對液晶顯示內(nèi)容的設(shè)置。液晶初始化首先需要發(fā)送打開顯示命令，再設(shè)置隱藏光標(biāo)和顯示指針，在顯示完成所有字節(jié)后會自動加一，這有利于簡化程序提高程序的運行效率，最后執(zhí)行清屏操作[13]。

3.3 溫濕度數(shù)據(jù)讀取與校驗程序設(shè)計

該部分是讀取溫度和濕度的程序并且校驗。將DHT11 模塊的數(shù)據(jù)引腳電平拉低18 ms 再拉高40 μs（大于20 μs），此時DHT11 模塊響應(yīng)，則會將電平拉低。如果電平?jīng)]有被拉低則結(jié)束；如果電平被拉低，就會開始讀取數(shù)據(jù)，共讀取40 位數(shù)據(jù)。若與校驗位相同則通過，就把測得的臨時數(shù)據(jù)復(fù)制到指定變量中；如果沒有通過，則校驗結(jié)束[14]。

3.4 光照強度獲取程序設(shè)計

在通信協(xié)議方面，GY-30 模塊使用BH1750 光照度采集芯片，該芯片與控制器之間為IIC 協(xié)議。由于單片機內(nèi)沒有集成的硬件IIC 控制器，要用單片機的普通I/O 口進行模擬操作[15]。在通信內(nèi)容上，BH1750的默認(rèn)地址為0x46，先向總線發(fā)送BH1750 的地址并等待其響應(yīng)，再發(fā)送初始化和轉(zhuǎn)換命令，最后根據(jù)數(shù)據(jù)格式依次讀出傳感器檢測到的信息，由于每次只能傳輸8 bit 的信息，而芯片內(nèi)的AD 采樣為16 bit，則在讀取完成后對讀取到的數(shù)據(jù)進行拼接[16]。

3.5 按鍵程序設(shè)計

設(shè)計的按鍵部分采用6 個獨立的按鍵。按下按鍵后，相應(yīng)引腳電平被拉低，程序讀取到對應(yīng)端口的數(shù)據(jù)位是邏輯“0”，即代表按鍵被按下。當(dāng)發(fā)現(xiàn)按鍵被按下時，首先會進行10 ms 的防抖延時，若檢測到的確是被按下，則會執(zhí)行相應(yīng)的程序；若檢測到未按下，將不執(zhí)行任何操作，然后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖9 通過按鍵設(shè)置初始值，設(shè)置溫度上限為25 ℃，濕度上限為55%，光照下限為300 lux，系統(tǒng)檢測到當(dāng)前環(huán)境中的溫度為15 ℃、濕度為49%，低于設(shè)定的初始值時，風(fēng)機不工作；且此時檢測到的光照強度為487 lux 高于設(shè)定的光照強度，輔光也不工作。圖10 為PC 端上顯示的數(shù)據(jù)，可以看到和液晶顯示屏上數(shù)據(jù)一致。

圖9 風(fēng)機和補光不工作時

圖10 PC端上對應(yīng)圖9的實時顯示

圖11仍設(shè)置溫度上限為25 ℃，濕度上限為55%，光照下限為300 lux，系統(tǒng)只要檢測到溫度和濕度有一方高于設(shè)定的初值時，風(fēng)機就會開始運行進行排氣和降溫，此時檢測到溫濕度均高于初值，風(fēng)機工作。且此時檢測到當(dāng)光照強度為212 lux，低于所需的光照強度時，輔光自動打開。在圖12 PC 端上看到數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)的整個過程的參數(shù)和顯示屏上一致。

圖11 風(fēng)機和補光工作時

圖12 PC端上對應(yīng)圖11的實時顯示

5 結(jié)論

該設(shè)計基于單片機技術(shù)，模擬對植物生長環(huán)境進行檢測與自動調(diào)節(jié)，其主芯片為STC89C52RC 單片機，采用C 語言設(shè)計的環(huán)境檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。結(jié)合了單片機及各種傳感器以及補光燈、排氣扇等執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了對植物生長環(huán)境中的光照強度、溫度和濕度等要素的實時監(jiān)測和控制。在未來智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，以及在面向家庭的植物種植體系中，能夠更加智能化，可以解放大量的勞動力并提升植物的品質(zhì)和生命周期，相關(guān)設(shè)計的廣泛應(yīng)用定能最大限度地方便農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，具有較高的使用價值。