周世新，尤 軍，李藝文，陳洪利

(1．遼寧省盤(pán)錦市氣象局，遼寧盤(pán)錦124010;2．山東省氣象局，山東濟(jì)南250031;

3．中國(guó)石油撫順石油化工公司教育培訓(xùn)中心，遼寧撫順113015)

1 氣象要素微機(jī)控制概述

蔬菜大棚氣象要素監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是針對(duì)蔬菜大棚溫度濕度和大棚外大風(fēng)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)，同時(shí)也可用于糧食倉(cāng)儲(chǔ)、冷庫(kù)及煙葉發(fā)酵等場(chǎng)合的溫度濕度監(jiān)測(cè)。塑料大棚是開(kāi)發(fā)日光資源、充分利用太陽(yáng)光能的主要形式之一，為蔬菜生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)良好環(huán)境。蔬菜大棚作為一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，其內(nèi)部形成了一個(gè)小氣候環(huán)境，良好的空氣環(huán)境是蔬菜正常生長(zhǎng)的重要條件。為了增產(chǎn)、增收，要注意大棚內(nèi)部的氣體、溫度和濕度3個(gè)重要因素。氣體主要是指棚內(nèi)的二氧化碳的含量。當(dāng)空氣中的二氧化碳濃度提高到0．1%時(shí)，可使蔬菜的光合作用速率增加1倍以上，增產(chǎn)20% ～80%;若使二氧化碳濃度降至0．005%時(shí)，光合作用幾乎停止。蔬菜生長(zhǎng)的適宜溫度為20～30℃。大棚內(nèi)白天增溫快，當(dāng)棚外平均氣溫為15℃時(shí)，棚內(nèi)可達(dá)40～50℃。因此，要適時(shí)調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度，避免高溫危害。塑料大棚經(jīng)常處于密閉狀態(tài)，蒸發(fā)量大大減小，內(nèi)部濕度一般在80% ～90%，濕度過(guò)大極易導(dǎo)致病蟲(chóng)害的發(fā)生。目前對(duì)大棚內(nèi)氣體、溫度和濕度的有效調(diào)節(jié)，主要是通過(guò)適時(shí)的通風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。二氧化碳含量過(guò)大和濕度過(guò)大都會(huì)導(dǎo)致溫度升高。通過(guò)調(diào)節(jié)溫度濕度可以有效地控制二氧化碳濃度。因此，對(duì)棚內(nèi)溫度濕度的控制是非常重要的。該研究介紹的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測(cè)預(yù)警控制系統(tǒng)，直接監(jiān)測(cè)每個(gè)棚內(nèi)不同部分的溫度濕度，通過(guò)對(duì)溫度濕度的良好控制，有效地提高蔬菜的產(chǎn)量。

2 系統(tǒng)硬件組成

2．1 系統(tǒng)的硬件組成 該系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)的蔬菜大棚溫度濕度檢測(cè)和棚外大風(fēng)巡回檢測(cè)與預(yù)警控制系統(tǒng)，以AT89C2051單片微型計(jì)算機(jī)為核心，再加上外圍器件組成。主要組成部分如下:AT89C2051單片微型計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，溫度傳感器，濕度傳感器，風(fēng)速傳感器，LM339電壓比較器和外圍元件組成的溫度濕度大風(fēng)檢測(cè)部分，由8050三極管及外圍元件組成的控制通風(fēng)的繼電器，由9013三極管及外圍元件組成的報(bào)警電路，7805、7812穩(wěn)壓電源等。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定、使用方便等特點(diǎn)［1］。

2．2 單片機(jī)AT89C2051簡(jiǎn)介 AT89C2051是該系統(tǒng)的核心控制器件，它是一種低電壓、高性能的8位CMOS微型計(jì)算機(jī)，帶2K字節(jié)的閃存和可擦可編程只讀存儲(chǔ)器。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失性技術(shù)生產(chǎn)，與工業(yè)級(jí)MCS-51架構(gòu)組相兼容。AT89C2051將一片通用的8位CPU與閃存集成在單塊芯片上，是一種功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)，它為許多嵌入式控制提供了高靈活性低成本的解決方案。AT89C2051的標(biāo)準(zhǔn)特性如下:2K字節(jié)閃存，128字節(jié)RAM，15個(gè)I/O口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)五矢量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行通信口，1個(gè)精準(zhǔn)模擬比較器、芯片級(jí)振蕩器和時(shí)鐘電路。另外，AT89C2051用靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)，可在低至0頻下工作，支持2種軟件可選節(jié)能模式?？臻e模式下CPU不工作，而RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作［2］。

3 系統(tǒng)的硬件工作原理

3．1 系統(tǒng)原理 該系統(tǒng)作為一個(gè)自動(dòng)的蔬菜大棚氣象要素巡回檢測(cè)與控制系統(tǒng)，主要由AT89C2051單片機(jī)、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、通風(fēng)控制繼電器及外圍元件、報(bào)警預(yù)警電路和穩(wěn)壓電源等組成。自然界環(huán)境氣侯狀態(tài)變化，引起各溫度，濕度要素變化，使得相應(yīng)的傳感器變化，進(jìn)而使得相應(yīng)的傳感器輸出的電信號(hào)產(chǎn)生變化。溫度、濕度要素的傳感器所感應(yīng)到不同的電壓值，其中溫度傳感器采用PT-100鉑電阻，鉑電阻具有較高的穩(wěn)定性和良好的復(fù)現(xiàn)性隨溫度變化，鉑電阻的阻值也發(fā)生變化，在一定測(cè)量范圍內(nèi)，溫度和阻值呈線性關(guān)系，溫敏電阻與其他電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)得到模擬電壓值送到電壓比較器的同相端，經(jīng)過(guò)LM339電壓比較器和外圍元件組成的比較器與反相端接入的設(shè)定值進(jìn)行比較后得出高低電平值，再送到AT89C2051單片微型計(jì)算機(jī)CPU判斷處理，發(fā)出相對(duì)應(yīng)的控制指令輸出到放大器蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)控制指令輸出到放大器繼電器電路及報(bào)警指示電路。同樣濕度傳感器采用濕敏電阻作為測(cè)濕傳感器，由于空氣濕度變化使?jié)衩綦娮柚蹈淖?，在一定測(cè)量范圍內(nèi)，空氣相對(duì)濕度和濕敏電阻值是對(duì)應(yīng)關(guān)系，濕敏電阻與其他電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)得到模擬電壓值送到電壓比較器的同相端，經(jīng)LM339電壓比較器和外圍元件組成的比較器與設(shè)定值進(jìn)行比較后送到AT89C2051單片微型計(jì)算機(jī)CPU判斷處理，發(fā)出相對(duì)應(yīng)的控制指令［3］。

風(fēng)速檢測(cè)與溫濕度檢測(cè)原理類似，不再贅述。

3．2 溫濕度檢測(cè)電路 系統(tǒng)檢測(cè)電路的電壓比較器由LM339和外圍元件組成，其中電阻R1與正溫度系數(shù)溫敏電阻R3組成溫度檢測(cè)電路，電阻R2與可調(diào)電阻R4組成溫度設(shè)定電路，調(diào)整R4可設(shè)定不同的環(huán)境溫度值，當(dāng)環(huán)境溫度小于設(shè)定溫度時(shí)A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，LM339輸出低電平送到CPU的P1．1端口，供CPU分析判斷。當(dāng)環(huán)境溫度大于設(shè)定溫度時(shí)A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，LM339輸出高電平送到CPU的P1．1端口，供CPU分析判斷。溫濕度檢測(cè)電路見(jiàn)圖1。

當(dāng)CPU的P1．1端口為低電平時(shí)，CPU由軟件控制循環(huán)檢測(cè)環(huán)境溫度，當(dāng)CPU的P1．1端口為高電平時(shí)，CPU調(diào)用由軟件產(chǎn)生的發(fā)聲報(bào)警程序發(fā)出報(bào)警，同時(shí)CPU調(diào)用繼電器控制程序控制繼電器開(kāi)啟通風(fēng)降溫操作，直至蔬菜大棚內(nèi)溫度與設(shè)定溫度相同時(shí)CPU內(nèi)控制軟件終止通風(fēng)降溫操作。環(huán)境濕度檢測(cè)電路和工作過(guò)程與溫度檢測(cè)電路和工作過(guò)程基本相同，只是把溫敏傳感器換成濕敏傳感器，LM339電壓比較器輸出端接CPU的P1．2端口即可。

3．3 風(fēng)速檢測(cè)電路 風(fēng)速檢測(cè)電路由風(fēng)速傳感器，分壓電阻R7，可調(diào)電阻R8和電壓比較器LM339組成。當(dāng)大棚外風(fēng)速小于設(shè)定值時(shí)電壓比較器LM339同相端電壓值小于電壓比較器反相端電壓值電壓比較器輸出端輸出低電平，此低電平輸出到單片機(jī)P1．3端口供單片微型計(jì)算機(jī)分析判斷。當(dāng)大棚外風(fēng)速大于設(shè)定值時(shí)，電壓比較器LM339同相端電壓值高于電壓比較器反相端電壓值，電壓比較器輸出端輸出高電平，此高電平輸出到單片機(jī)P1．3端口供單片微型計(jì)算機(jī)分析判斷。風(fēng)速檢測(cè)電路見(jiàn)圖2。

3．4 控制電路 如圖3所示，控制電路由反相器、CD4069、三極管8050及繼電器等組成。由CPU的P3．2端口輸出的低電平控制信號(hào)通過(guò)反相器CD4069反相后經(jīng)限流電阻R6，三極管8050驅(qū)動(dòng)后去驅(qū)動(dòng)控制繼電器動(dòng)作開(kāi)啟通風(fēng)操作，直至蔬菜大棚內(nèi)溫度與設(shè)定溫度相同時(shí)CPU的P3．2端口輸出高電平終止通風(fēng)降溫操作。

3．5 報(bào)警電路 如圖4所示，報(bào)警電路由限流電阻R5、三極管9013及蜂鳴器組成。由軟件編程形成的間歇音頻報(bào)警信號(hào)通過(guò)CPU的P3．1端口經(jīng)9013驅(qū)動(dòng)和蜂鳴器發(fā)出間歇音頻警報(bào)。

4 系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)控制軟件是利用MCS-51單片微型計(jì)算機(jī)匯編指令集在KEIL集成環(huán)境下完成工程建立及匯編程序的輸入，原程序經(jīng)過(guò)編譯后再通過(guò)MCS-51編程器寫(xiě)入AT89C2051單片機(jī)的片內(nèi)存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程見(jiàn)圖5。

［1］陳偉人．單片微型計(jì)算機(jī)原理及其應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1994．

［2］王俊蜂．電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與制作［M］．北京:人民郵電出版社，2005．

［3］強(qiáng)錫富．傳感器［M］．北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001．