基于單片機的植物生長環境智能控制系統

林賀邦，廖苑鑄，劉雁，徐玉瓊

（廣州應用科技學院，廣東廣州，510000）

0 引言

目前，植物生長環境控制技術方面在全球農業設施發達的國家已經達到了成熟且使用階段。國外在環境控制數據處理系統技術方面的研究比較早，在上一個世紀的七十年代就已經開始，起初是各種模擬型和多因子分析控制的儀表，后來又有了各種分布式的控制系統，現在已經成為了計算機數據采集和進行數據處理的多因子分析和控制的系統。

本文結合國內外植物環境控制系統的現狀和未來國內市場的需求，在客觀的條件限制下，以微控制器技術、藍牙無線技術和傳感器技術為基礎構造出一種簡單、實用、廉價、高效地適用于植物環境的溫濕度光照的植物生長環境控制系統。植物生長環境控制系統即是利用傳感器、計算機、繼電器等控制裝置對影響植物生長的濕度、溫度、光照等因素進行半自動化或自動化的調節和控制。此系統功能包括環境數據采集、加濕濕度控制、加熱與降溫的溫度控制、光照環境控制。

1 系統的整體方案設計

把微控制器單片機技術、傳感器采集溫濕度、光照采集技術和藍牙無線通訊技術相互構架結合，組成一個功能齊全、成本低廉的環境監測和條件植物環境控制系統。在這里通過濕度、溫度、光照檢測模塊，把濕度、溫度、光照轉換為0 ～5V 的電壓再利用模數轉換芯片轉化成了數字量與信號并傳送至微控制器單片機。由微控制器單片機系統對土壤濕度或環境溫度或植物光照情況進行分析與處理，如果環境溫度、土壤濕度、光照數值超過用戶所設置的閾值，會出現蜂鳴器開始警示、紅色LED 燈亮與對應的升降溫或加濕或補光響應控制模塊工作，該閾值可以由按鍵在控制板進行調節與設置。而且這些數據可以通過液晶顯示屏進行各數據展示，更是可以通過藍牙通訊模塊發送到手機移動端在藍牙調試軟件中顯示窗口。軟硬件系統總設計方案如圖1 所示。

圖1 軟硬件系統總設計方案

圖2 采集電路模塊

圖3 報警電路圖

2 硬件系統設計

硬件系統包括由土壤濕度采集板塊、環境溫度采集板塊和環境光照采集板塊構成的采集電路模塊，由揚聲器示警板塊、LED 燈點亮提示板塊和繼電器板塊構成的控制響應電路模塊，由無線藍牙板塊和LCD 液晶顯示板塊構成的傳輸和顯示電路模塊，由STC89C52RC 微控制器最小應用系統和按鍵設置板塊構成的主控制判斷及處理電路模塊。

■2.1 采集電路模塊

YL-69 土壤濕度傳感器經3.3V~5V 的上拉電阻直接與ADC0832 芯片的CH0 引出端口連接，還有一個接地線，當土壤缺水時輸出高電平，反之亦然。其模塊為雙輸出模式，數字輸出簡單并且模擬量輸出更為精準。AD 模數轉換電路的核心由ADC0832 組成。由于單片機接收的信號為數字信號而YL-69 濕度采集模塊輸出的信號為模擬信號，YL-69 濕度采集模塊輸出的模擬信號不能被微控制器單片機接受故需要ADC0832 作為介質讓其轉換成可以直接接受的數字信號。ADC0832 總共引出8 個端口。

DS18B20 有三個外接引出端口分別是1 號引出端口連接地線、2 號引出端口單線數據傳輸總線和3 號引出端口連接外部電源線。其輸出信號DQ 單線數據傳輸總線端口經提高電平穩定性的10k 上拉電阻與單片機的P17 引出端口連接到一塊。DS18B20 中供電方式有數據線供電和外接電源兩種：（1）數據線供電需要單片機的上拉電阻且長時間的溫度轉化其通過內部電容從數據線獲取能量來完成溫度轉換，這里VDD 與GND 地相連。（2）外接電源即3 號引出端口直接接+5V 電壓縮短采取溫度所耗費的時間。現在這里DS18B20 與微控制器單片機的連接運用的是第二種方式接外部電源即3 號引出端口直接接+5V 電壓。DS18B20智能溫度傳感器采集并轉換溫度信號輸出為數字溫度值直接給微控制器，微型控制器單片機接受并存儲數據。DS18B20 直接將溫度信號轉換成數字信號省去了復雜的模數轉換電路實現了與單片機的直接連接。

BH1750 內置16 位的AD 轉換芯片可直接輸出數字信號，其采用串行總線接口，通過I2C 與單片機進行數據傳輸。該模塊可以檢測1-65535XL 范圍的光照，誤差小精確高。PD 光敏二極管（光信號經過光伏效應轉化為電信號）在檢測到外部光照后經AMP 模塊放大后由ADC 模塊采集電壓再經logic 模塊和I2C 接口獲得16 位的二進制數。在這里OSC 振蕩器的作用是作為內部振蕩器給光照傳感器供給內部邏輯時鐘，引出的時鐘線和數據線通過I2C 與單片機通訊可提取光照數值。

在設計中，LCD1602 液晶顯示屏和手機藍牙調試界面可以實時顯示由數字光照傳感器采集到的光照值。采集到的光照數值傳輸到微控制器單片機與經按鍵電路設置的光照閾值進行比較判斷，若超出光照閾值則微控制器會發出光照不足對應的指令打開LED 燈進行光照補光。

■2.2 控制響應電路模塊

報警電路主要由起放大作用的PNP 型三極管、起續流作用的二極管、1k 的限流電阻和揚聲器構成。由于揚聲器工作發聲需要的電流相對大而微控制器單片機的輸入輸出端口提供不了大的電流故需要一個晶體三極管來驅動它。當晶體三極管導通時揚聲器也導通接通電源且流過的導通電流逐漸逐步增大（揚聲器是一種感性元件），而關斷時揚聲器本身存儲的電流就可通過“揚聲器本身——起限流作用的電阻——起續流作用的二極管”這條回路來消耗從而可減免電感電流存在而產生的反向沖擊。

LED 燈指示電路有五只LED 燈分別為一個紅色的電源電路提示燈、兩個紅色的與繼電器相連接判別繼電器是否工作提示燈、一個紅色的與報警電路連接的提示燈和一個黃色的光照補光燈。為了限制流過LED 燈的電流，需要在電源與LED 燈之間接一個電阻，和LED 燈相匹配成套也有五個電阻，防止其被燒壞。該電阻阻值的大小可根據公式 計算，LED 燈和電阻串聯在一起總電壓為5V，其中LED 燈的可以正常工作的電壓在一般情況下規定為3V，由串聯電路分電壓那么電阻的兩端電壓即是總電壓源與LED 燈工作分擔的一部分電壓相減那即是5V-3V=2V。該LED 燈點亮要在3 ～20mA 之間的電流，由串聯電路電流處處相等這意味著流過電阻的電流和流過LED 燈的電流相等也是在3 ～20mA的范圍。由上面式子的阻力值在100 ～667Ω 范圍。不過，在這范圍的電阻值與LED 燈相接時LED 燈會過亮了，造成使用壽命短或燒壞，故對電阻值應該適當增加一些，以1K的電阻會比較合適。LED 燈指示電路如圖4 所示。

圖4 指示燈電路圖

圖5 藍牙模塊電路圖

圖6 LCD1602 液晶顯示電路圖

圖7 按鍵電路圖

■2.3 傳輸和顯示電路模塊

藍牙板塊電路為單獨的DX-BT05-A。DX-BT05-A 直接與微控制器單片機連接，需要外部供電和接地；直接與微控制器單片機連接的兩個引出端口RXD 和TXD 分別是模塊的串行輸入和模塊的串行輸出，不能直接在單片機相同名字端口要反過來分別與單片機上的TXD 和RXD 相接即RXD-TXD、TXD-RXD。DXBT05-A 是一個低功耗且可遠距離傳輸的藍牙模塊。

LCD 液晶顯示板塊由一個可調節的滑動電阻器和擁有16 個引出端口字符型LCD 液晶顯示屏（其內部組成有HD44780 微控制器+驅動電路+LCD 顯示屏三大板塊）構成的LCD1602 液晶顯示電路。LCD1602 液晶顯示器是可以顯示阿拉伯數字像123、一般的符號如“！”“*”和英文字母如ABC 的。

■2.4 主控制判斷及處理電路模塊

最小應用系統機指用最少的元件組成的完整系統，可由1 個按鈕、1 個電阻和1 個電容組成的復位電路+由1 個晶體振蕩器和2 個電容組成的晶振電路+STC89C52RC 單片機+5V 電源組成可工作的系統。復位電路主要有10μF 電解電容+10k 電阻+按鍵組成，當上電瞬間“電源——電容——電阻——地線”這條回路將導通，電容處于充電狀態，RST獲得高電位電路復位，隨著時間的推移電容逐漸充滿電，而RST 的電位也會逐漸降低當降到3.5V 及以下時即為低電位狀態電路為正常工作的狀態。直到電容充電完畢后此回路相當于斷路沒有電流通過電阻兩端電壓為0V，RST 低電平狀態繼續保持。當按下復位按鈕時，VCC-電阻-GND導通電阻兩端電壓立即升高RST 得到高電平電路返回到其起始狀態。

按鍵電路選用的是常開電路，當按鍵按下時電路即可導通。按鍵是用來設置濕度、溫度和光照閾值的，總共有三個按鍵一個用來增加數值，一個用來降低數值，另一個用于選擇對象設置閾值。

3 總體程序設計

上電后微控制器單片機自主初始化，各傳感器模塊分別采集環境溫度，土壤濕度，環境光照值，通過微控制器和藍牙模塊顯示在1602 顯示屏和手機端。通過按鍵按下處理按鍵程序對環境溫度，土壤濕度和環境光照設置閾值。各傳感器模塊采集到的環境溫度，土壤濕度和環境光照傳輸到微控制器，然后與環境溫度，土壤濕度和環境光照閾值相比較，判斷是否在范圍內，若不在范圍內則蜂鳴器報警并啟動相對應的控制進行加濕或升溫或降溫或補光。總體程序設計流程圖如圖8 所示。

圖8 總體程序設計流程圖

按鍵程序設計為初始狀態的時候，按鍵復位先判斷按鍵是否按下，沒有按下則循環下一環節，按下時讀取按鍵值送入微控制器單片機，總共有三個按鍵，按下第一個可選擇需要設置的對象，第二個按鍵為加值，第三個按鍵為減值，每按下一次對應增加或減少一個單位值。按下按鍵微控制器單片機存儲數據，1602 顯示屏可以看到設置閾值。

4 系統的程序調試

打開Keil 軟件，建立工程文件并命名temple，為工程文件選擇CPU 為STC89C52，建立并添加C 文件，即可在C文件里面編寫程序且生成hex 文件，檢查并調試仿真沒有問題后就可以下載到電路板系統了。在給單片機板下載程序前，需要檢查電路板看看有沒有存在問題。同時為了防止藍牙模塊占用串口需將藍牙模塊先拔取出來。檢查完畢且沒有問題后，將下載器插在芯片主板并連接電腦。啟動PZ_ISP 軟件，選擇STC89C52RC 芯片和下載器對應的串口號xx，然后添加hex 文件，關掉單片機板的電源，點擊下載后稍等一會，下載完后會有“嘀”提示音和顯示下載完成提示。電路板下載好程序之后再插回DX-BT05-A 藍牙模塊，繼而把電源接通，開啟手機上藍牙和藍牙調試軟件并與植物生長環境控制系統的藍牙模塊進行配對連接，匹配連接成功即能無線數據傳輸。

植物環境生長環境控制系統實物如圖9 所示。

圖9 植物生長環境控制系統實物圖

5 總結

本文從總體方案設計、硬件系統選型與工作原理、總體程序設計框架與程序調試幾個方面介紹了植物生長環境培養控制系統。通過實物搭建好的模型測試，該系統可以應用于農業生產，智能控制農作物生長環境，減輕農作物管理員勞作強度，同時提高農作物的產量，也可以應用于家庭盆栽養護，一定程度上的滿足了人們的需求，提高人們生活質量。