基于STC89C52的智慧農業育種大棚系統設計

賈繼鵬，李延彬，李延成

（西寧城市職業技術學院，青海 西寧 810016）

近年來，隨著智能控制技術的迅速發展，新技術在智慧農業領域也得到了廣泛應用。傳統的塑料大棚由于投資少、見效快，發展迅速，但是存在智能化程度低、人工作業量大、溫濕度掌握不精準等弊端，傳統的育種大棚對溫濕度的控制方法已經不能有效適應當下育種作業的精細化發展需求。所以，采用智能數字式溫濕度傳感器等器件，實現對溫濕度信號的實時監控和管理，已成為趨勢[1]。為了克服人工控制大棚的弊端，本系統設計基于STC89C52的控制系統，利用傳感器的特性，根據環境條件適時調整降溫、灌溉等裝置，提出了大棚精細化、智能化管理的新思路。

1 系統設計思路

本育種大棚控制系統設計主要以STC89C52為主要控制芯片，并通過溫濕度采集傳感器DHT11，通過單片微電腦讀出傳感器的溫濕度后，將數值送入1602液晶屏上進行顯示。另外，該控制系統還能通過鍵盤設置大棚溫度、濕度報警聲音的范圍。如果超過設定的正常溫度、濕度范圍，將立即開啟聲光報警，同時通過相應的控制措施，可以模擬大棚內各種升溫、降溫、增濕以及氣液分流的實際環境狀況，使環境內濕度能夠恒定控制在合理范圍內。

整個系統設計見圖1，以STC89C52迷你式單片機系統為內核器件，并配合電阻、電容、晶振等元器件，組成嵌入式單片機的最小管理系統[2]。在功能設計上主要包括溫濕度采集、按鍵輸入控制、液晶顯示功能、蜂鳴報警功能、狀態指示燈、恒溫恒濕控制功能等。使用與DHT11溫濕度合一的感應采集器，將所收集的溫度和濕度數據分析后傳給單片機。使用了市面上最常用的輕觸鍵盤作為系統的鍵盤輸入模塊，可以調節育種大棚正常工作下的溫濕度范圍。在輸出功能上，包括了3個部分，一是采用1602液晶對溫濕度測量的數值進行結果的顯示輸出；二是采用蜂鳴器和LED指示燈報等實現對系統不同狀態的警示狀態的控制；三是采用了多組繼電器實現對恒溫恒濕的裝置的控制，用檢測的數據利用系統程序開展升溫或降溫的調節，對于空氣的濕度的控制則可以通過系統控制繼電器從而開啟增濕或除濕負載來實現對大棚濕度的功能控制。育種大棚的電源供電則可以通過5 V的USB充電線予以供電。

圖1 系統功能圖Fig.1 The system function diagram

2 系統的硬件設計

系統硬件以圍繞STC89C52為核心的外圍功能元件展開，文章重點從溫濕度傳感器、液晶顯示電路、蜂鳴器模塊、鍵盤輸入模組、繼電器及負載電路五個方面開展硬件介紹與功能設計。

2.1 DHT11數字溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款具有已校準數碼信號的溫濕度綜合感應器[3]。傳感器中含有一組電阻型感濕單元和一組NTC感溫單元，可測20%～95%相對濕度，誤差為±5%，0℃～50℃時，誤差范圍±2℃。該產品安全性好、可靠性高、尺寸超小、耗電量極低，信息傳遞范圍達到20 m以上，是農業大棚智能控制系統中采集裝置的最佳選擇。其電路連接見圖2。

圖2 溫濕度傳感器電路Fig.2 The temperature and Humidity sensor circuit

2.2 顯示電路設計

本系統顯示模塊主要采用1602型液晶顯示屏，用來顯示溫濕度的數值、報警信息等內容。液晶顯示電路連接中，第1腳和第2腳作為電源輸入，分別接到了電路的GND和VCC見圖3。第3腳通過一個10K的電位器連接到地端，主要用來調節顯示屏的對比度。第4腳是液晶的寄存器控制端，接到了STC89C52的P12端口上。第5腳是液晶的讀寫控制端口，接到了單片機的P13端口上。第6腳是液晶的使能端，接到了單片機的P14端口上。第7～14腳是液晶的數據/地址8位總線，接到了單片機的P0口上。最后的15、16腳連接液晶顯示的背光電源，接入VCC和GND的端口。

圖3 LCD電路Fig.3 The LCD circuit

2.3 蜂鳴器模塊

為了解決蜂鳴器工作電流需求大、單片機輸出電流小的問題，本設計選用S8550型PNP型有源三極管，其內部包含內置電路，只需單片機輸出高低電平即可有效工作，極大地方便了程序的設計且有效地利用了三極管的開關功能使得蜂鳴器能夠正常工作。蜂鳴器電路設計見圖4。

圖4 蜂鳴器電路設計Fig.4 The buzzer circuit design

2.4 按鍵設計電路

本系統設計中使用的按鍵數量相對較少，分別是“加”“減”“設置”，故使用了獨立按鍵的設計方法。具體的按鍵接線電路設計見圖5。

圖5 按鍵電路設計Fig.5 The key circuit design

2.5 繼電器電路

本產品設計中所使用的繼電器均為5 V的電磁式繼電器。電磁繼電器通常由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點彈簧等所構成。通過系統控制繼電器的吸合、釋放，從而達到導通、切斷電路的目的。繼電器系統的實際工作回路見圖6～圖9。由于在繼電器從導通到關閉的瞬間，會產生電磁感應，所以會在繼電器保護開關控制線圈的低壓端出現一種瞬時電流尖峰。而通過在繼電器兩端連接一個二極管，將在二極管的負端經常接到VCC，可以有效控制電流尖峰，從而保護電子元件的功能。當單片機的輸入輸出口給PNP型三極管基極一個低電平后，三極管就能導通，使得繼電器得電，從而將負載設備接入5 V電壓。

本設計中采用的繼電器是5 V的電磁式繼電器。電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。通過系統控制繼電器的吸合、釋放，從而達到導通、切斷電路的目的。繼電器模塊的電路見圖6～圖9。由于繼電器由導通到關斷瞬間，工作線圈中會存在電感，會在繼電器線圈的低電壓端產生一個瞬間電壓尖峰。通過在繼電器兩端接入一個二極管，由于二極管的負端常接到VCC，因此電壓尖峰將被抑制，起到保護電子元件的作用。在本系列的繼電器控制電路設計中，主要包括了恒溫控制負載的電路設計、加熱檢測電路設計、祛濕檢測電路設計、加濕控制電路設計等，從而有效完成智能育種大棚的系統設計[4]。

圖6 恒溫控制電路設計Fig.6 The thermostatic control circuit design design

圖7 加熱控制電路設計Fig.7 The heating control circuit

圖8 祛濕控制電路設計Fig.8 The desiccant control circuit design

圖9 加濕控制電路設計Fig.9 The humidification control circuit design

3 系統軟件流程圖設計

本系列的軟件工作流程見圖10，最開始時要完成液晶顯示器的最初化，隨后包含了液晶顯示器操作最初化和液晶顯示器相關內容的初始化，接下來是報警值的初始化。然后進入到下一套循環體，首先是讀出有關溫濕度的檢測結果并表示出來，隨后確定讀取到的溫濕度是否超過設定的報警范圍，如果處于非正常范圍，則蜂鳴器開始告警，并同時點亮相應的狀態指示燈，同時配套開啟相應的升溫、降溫、增濕和祛濕等負載執行裝置，使空氣濕度和溫度恒定在設定范圍以內。然后評判設置按鈕有沒有被按下，如果按下就開始報警范圍設定，再進行簡短的延時，至此完成一輪循環，開始進入下一次的循環體繼續執行。

圖10 育種大棚系統設計軟件流程圖Fig.10 The breeding shed system design software flow chart

4 結語

文章以STC89C52單片機為核心，綜述了育種大棚系統的整體設計過程，在設計中選擇了性能優越的硬件裝置，完成了育種大棚全功能設計，提出了軟件設計的流程，能夠較好地幫助育種人員精準掌握大棚內的實時環境狀況，自動調節大棚內的生長環境因素，確保為植物種子快速發芽、茁壯成長提供優質、適宜的生長環境。總之，本次系統設計一定程度上解決了傳統溫室大棚的部分缺陷，為智慧農業發展提出了新的思考，同時能夠為農業育種或大棚作物經營管理者提供智能化升級的理念，有利于較少勞動力，減輕工作強度，提高農業大棚的經濟效益。