基于單片機的溫室自動控制系統設計研究　

關鍵詞：單片機；溫室自動控制系統；STC89C52 單片機

中圖分類號：TP273；TP368.1 文獻標識碼：A

0 引言

溫室大棚種植的反季農作物不僅能夠滿足人們的日常飲食需求，還能夠為種植者增加經濟收入。隨著科學技術的發展，溫室技術自動化將成為未來發展趨勢，自動化系統的構建不僅能夠節省人工成本，還能夠根據種植要求實現各項參數的有效控制和調節，真正實現溫室大棚的智能化管理，為種植效益的提升提供保障。

1 溫室自動控制系統的硬件設計

1.1 整體結構

溫室自動控制系統主要是對溫室內部環境中的溫度、濕度和光照度進行控制。該系統包含測量單元、控制單元和執行單元3 個部分，利用物聯網中的傳感器技術完成溫度、濕度和光照度的測量，并將測量值與設定值進行對比。根據兩者的比較結果和農作物的生長屬性，有效調節溫室內部環境的溫度、濕度和光照度，從而將溫室內的狀態參數控制在標準范圍內。

1.2 控制器

本文選用STC89C52單片機作為核心控制器，針對溫室和區域進行細致劃分，通過對溫度、濕度和光照度進行有效調節，在確保滿足溫室基本要求的基礎上實現節電、節水。STC89C52單片機屬于8位單片機，其功耗低、性能強，具備8kB的程序存儲空間和512B的數據存儲空間。

1.3 傳感器

如圖1 所示，溫室參數測量器件包含溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器和光照度傳感器。溫度傳感器主要是對溫室內部的溫度進行控制；空氣濕度傳感器是控制溫室內的空氣濕度，確保其在設定范圍內；土壤濕度傳感器是利用噴水量控制土壤的濕度，促進溫室內作物的生長；光照度傳感器是通過補光或遮光的設計，為溫室內作物的生長提供適宜的光源。

1.3.1 溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器具備速度快、引腳少、體積小的優勢，尤其是調節溫度數值所需的時間較短，其測量數值范圍為-55 ～ 125℃，特別是在-10 ～ 85℃ 時，測量精度可以達到±0.5℃。溫度傳感器的應用使溫室內的溫度保持在設定范圍內，為作物生長提供了基本條件。

1.3.2 空氣濕度傳感器

DHT11 濕度傳感器的線性度較高，分辨率高達0.1% RH，其濕度測量范圍為0 ～ 100% RH，適用的溫度范圍為-40 ～ 80℃。空氣濕度傳感器主要是對溫室內空氣濕度條件進行調控，從而為作物生長提供適宜的環境。

1.3.3 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器主要是通過電位器根據土壤需求進行濕度調節，從而實現對水泵開關的控制。例如，當土壤的濕度低于設定溫度時，繼電器會自動吸合，從而啟動水泵，確保土壤的濕度能夠達到相關要求。

1.3.4 光照度傳感器

GY-30 光照度傳感器能夠直接輸出數字量，無須區分環境光源，測定精度較高，其范圍為0 ～65 535 lx。此外，光照度傳感器內置16 位模擬數字（analog to digital，A/D）轉換器，采用NXP 公司的集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）通信協議標準和5 V 單片機的輸入/ 輸出（input/output，I/O）進行銜接。光照度傳感器主要是對溫室內光照情況進行調控，從而滿足溫室內的光照情況。

由于不同傳感器輸clROzXtUhNAju+yILgfPoFNGrg/VW56OB+qa2EfVuzA=出信號形式不同，因此溫度、空氣濕度和光照度等各個參數傳感器在讀取過程中，單片機能夠直接讀取傳感器輸出的數字量。然而，在讀取土壤濕度參數時，需要利用繼電器對水泵開關進行控制，以比較實際土壤濕度與設定土壤濕度。

1.4 執行機構執行機構

包括加熱片、制冷片、加濕器、通風機、遮光簾和補光燈等，利用不同的執行機構對溫度、濕度以及光照度進行控制和調節。

1.4.1 加熱片與制冷片

溫度的控制可以借助加熱片和制冷片進行操作。當溫室內的實際溫度高于設定溫度時，需要啟動制冷片，通過物理降溫的原理將溫度控制在設定范圍內；當溫室內的實際溫度低于設定溫度時，則需要啟動加熱片，以升高溫室內的溫度。此外，通過設計1℃ 雙邊控制地區，當溫度超出或低于1℃時，加熱片或制冷片不會出現啟動或停止，從而避免加熱片和制冷片反復啟停造成的機器故障，同時延長該執行機構的使用壽命。

1.4.2 加濕器與通風機

濕度的控制主要是利用加濕器和通風機。加濕器主要是對溫室起到增濕的作用，而通風機則負責降低濕度。例如，當溫室內的實際濕度低于設定范圍時，就會啟動水泵開關，通過調節噴水量來增加濕度。而當溫室內的濕度高于設定范圍時，則利用通風機來達到降低濕度的目的。

1.4.3 遮光簾與補光燈

光照度的控制主要是利用遮光簾和補光燈[1]。其中，遮光簾通常選擇百葉窗，根據室內光照度對百葉窗的角度進行調整，進而滿足光照需求。例如，陽光較為充分的中午，利用單片機算法對百葉窗的角度進行控制，使其發揮遮光作用，而在光照不足時，則利用照明設備進行補光，確保溫室內有充足的光照[2]。

1.5 顯示機構

在本次溫室自動控制系統設計的過程中，選用LCD1602 作為顯示元件，用于顯示各個參數的設定值與測量值。其中，點陣型液晶顯示模塊主要用于數字、字母、符號等元素的顯示。

1.6 按鍵機構

獨立式按鍵電路具備靈活性強、軟件編程簡便等優勢，在其應用的過程中能夠利用簡捷操作完成相應的任務。例如，通過查詢算法查詢某根I/O 口線是否為低電平，可以確認I/O 口線所對應的按鍵是否已按下，之后跳轉至該鍵的功能處理程序[3]。

2 溫室自動控制系統的軟件控制

如圖2 所示，溫室自動控制系統包含系統初始化，系統自檢、定值設定，測量參數，數據顯示，參數超限，加熱、補光以及執行機構調整等流程。在系統完成初始化后，定時器可以對各個程序的狀態進行控制，以2 min 為單位測量和處理相關參數，并根據溫室內的參數狀態對執行機構進行調整，保證溫度、濕度和光照度處于可控范圍內[4]。一旦溫度、濕度和光照度等相關參數超出范圍，蜂鳴器則報警，同時相關執行機構啟動，使參數值向設定值靠近[5]。

3 功能測試與結果分析

3.1 測試目的

系統進行功能測試的目的是及早發現系統運行中存在的問題，排除系統中出現的錯誤，從而完善系統功能，為溫室自動控制系統的正常運行提供根本保障。

3.2 測試方法

在電路連接完成后，按照溫室內作物對溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照度等各個參數的需求在計算機上完成設定。一旦溫室內的溫度高于設定范圍，則啟動制冷片，反之則關閉制冷片；一旦空氣濕度低于設定值，則立即啟動水泵開關，反之，則開啟通風機；一旦土壤中的濕度未能夠滿足設定需求，則啟動水泵開關，反之則關閉水泵開關；一旦溫室內的光照不足，補光燈則會自動亮起，而一旦光照度滿足設定需求，補光燈則自動熄滅。

3.3 測試結果分析

測試結果顯示，盡管各個傳感器都存在一定的誤差，但所取得的測試數據都在標準范圍內。此外，水泵、制冷片以及補光燈的反應速度較快，證實了該溫室自動控制系統的測量精度較高，能夠切實滿足溫室內作物的生長需求，基本達到實際應用要求。

4 結論

綜上，基于單片機的溫室自動控制系統設計有效結合了溫室農作物的實際生長需求，將溫度、濕度和光照度控制在適合農作物生長發育的最佳值，為溫室智能化管理和種植者經濟效益的提升提供有效保障。此外，該溫室自動控制系統還可以應用于多種作物的生長環境控制中，在節省人工成本的同時，提高溫室大棚的種植效益。