王思瓔

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王思瓔

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

溫室大棚的問(wèn)世對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展起到了顯著的促進(jìn)作用。隨著信息自動(dòng)化技術(shù)的不斷拓新，對(duì)溫室大棚的自動(dòng)控制也顯得尤為重要。本文采用AT89C51單片機(jī)為主芯片的監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)對(duì)將溫室大棚內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)及控制。控制系統(tǒng)中的傳感器采用DHT11，通過(guò)它對(duì)外界的溫度和濕度進(jìn)行采集，并采用模塊化設(shè)計(jì)，將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)1602液晶屏顯示出來(lái)。同時(shí)采用越限聲光報(bào)警隨即啟動(dòng)外部設(shè)備，最終得到適宜的環(huán)境，保證大棚內(nèi)的蔬菜生長(zhǎng)在優(yōu)質(zhì)舒適的環(huán)境內(nèi)以順應(yīng)生產(chǎn)需要。

AT89C51單片機(jī) DHT11 模塊化

1 引言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)農(nóng)作物周?chē)h(huán)境的控制是提高農(nóng)作物質(zhì)量的重要一環(huán)。溫室大棚的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)自然環(huán)境因素的依賴(lài)性，而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是溫度控制，如何快速、準(zhǔn)確的獲取溫室中光照強(qiáng)度、濕度和溫度等參數(shù)的變化情況，對(duì)溫室生產(chǎn)中自動(dòng)控制有著積極意義。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制電路，鍵盤(pán)電路，溫濕度傳感器電路，顯示器電路，控制電路，電源電路等組成。其中以單片機(jī)為控制核心，用溫濕度傳感器測(cè)量大棚內(nèi)實(shí)際的溫度和濕度，弱電控制強(qiáng)電部分控制相應(yīng)動(dòng)作，調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度和濕度，并把溫度和濕度顯示在1602上。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.1 單片機(jī)及其最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)通過(guò)AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示，判斷越限，聲光報(bào)警啟動(dòng)外部設(shè)施。如果采集到的溫濕度數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)范圍，那么對(duì)應(yīng)的紅黃二極管會(huì)發(fā)光，并且蜂鳴器會(huì)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備。此監(jiān)控系統(tǒng)中的單片機(jī)編寫(xiě)是運(yùn)用C語(yǔ)言，編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且運(yùn)用了DHT11單總線技術(shù)。

本系統(tǒng)的主要核心控制器件是AT89C51單片機(jī)，讓它進(jìn)行系統(tǒng)的控制操作使系統(tǒng)的各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，它的作用僅相當(dāng)于人的大腦。單片機(jī)能合理分配模塊工作，且把手機(jī)的數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示相應(yīng)的值。越限報(bào)警是通過(guò)發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行完成，如果高出了之前設(shè)定的溫度濕度范圍，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)報(bào)警，LED發(fā)光和蜂鳴器鳴響，此系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)溫室大棚的內(nèi)部環(huán)境。AT89C51單片機(jī)共40個(gè)引腳，可劃分為以下3種，如表1所示。

表1 AT89C51單片機(jī)引腳功能

AT89C51的引腳封裝如圖2所示。

圖2 AT89C51的引腳封裝

2.2 溫濕度傳感器電路

DHT11溫濕度傳感器與單片機(jī)的連接也是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的。單片機(jī)的P2.0端口是數(shù)據(jù)端口，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，讓這個(gè)端口和傳感器的引腳2相連。在傳感器引腳2和正電源之間接上一個(gè)10K左右的電阻來(lái)保證傳輸距離和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 電源電路

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要5V供電端。為了接線方便，12V直接由外部開(kāi)關(guān)電源供電；取12V電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)7805穩(wěn)壓電路調(diào)整成5V電壓輸出，供給系統(tǒng)其它器件使用。

2.4 溫濕度調(diào)節(jié)控制電路

本次設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)主要監(jiān)控溫度和濕度2個(gè)量。單片機(jī)將設(shè)計(jì)1個(gè)溫度和濕度的正常區(qū)域。當(dāng)前溫度或者濕度不存在正常區(qū)域是單片機(jī)將做出相應(yīng)的處理：①當(dāng)溫度高于正常區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇排風(fēng)功能；②當(dāng)溫度低于成長(zhǎng)區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)大功率白熾燈制熱功能；③當(dāng)濕度高于正常區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)排風(fēng)機(jī)；④當(dāng)濕度低于正常區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)小型噴水機(jī)。

2.5 報(bào)警器模塊設(shè)計(jì)

蜂鳴器是一種電子發(fā)聲器件，它是根據(jù)電子發(fā)聲學(xué)的原理制造出來(lái)的。體積小，供電電壓小，便宜，使用方便。我們平時(shí)都用它來(lái)作為聲音報(bào)警的最佳選擇，附加二極管便可以構(gòu)成聲光報(bào)警。用它也可以完成獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，奏出音符旋律，兒歌，總之它在單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)中的作用非常大。壓電蜂鳴器和磁電蜂鳴器是蜂鳴器的兩種類(lèi)型。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫濕度其中有一個(gè)超出了預(yù)先設(shè)定的溫濕度范圍，系統(tǒng)便自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，于此同時(shí)LED發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，單片機(jī)控制對(duì)應(yīng)的繼電器，讓外部設(shè)備進(jìn)行工作用來(lái)及時(shí)的調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫濕度，工作人員也可以根據(jù)具體的情況來(lái)采取相應(yīng)的措施查也可看相應(yīng)的區(qū)域問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)符合給定的要求時(shí)，聲光報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)停止工作，外部設(shè)備也停止工作，這時(shí)一切恢復(fù)正常。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)的總體方案

該設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為初始化模塊、溫濕度檢測(cè)子程序、按鍵檢測(cè)子程序、LCD顯示子程序、溫度處理子程序、24C04子程序、數(shù)據(jù)處理子程序，這幾個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 溫濕度采樣電路子程序

這個(gè)系統(tǒng)中很重要的模塊之一便是溫濕度檢測(cè)模塊，它要負(fù)責(zé)溫濕度的采集。如果這個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有了溫濕度采集那它就算不了是一個(gè)系統(tǒng)，它就失去了最主要的元件。它將采集到的數(shù)據(jù)變成數(shù)字式的，然后和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以它在整個(gè)系統(tǒng)中的地位是相當(dāng)高的。作為數(shù)字式溫濕度傳感器，DHT11它是直接把采集測(cè)試到的結(jié)果作為數(shù)字量來(lái)傳輸?shù)膯涡酒⒖刂破?，這樣處理后，便可以通過(guò)單片機(jī)傳輸在液晶顯示屏上顯示測(cè)到的數(shù)據(jù)。由于溫度和濕度傳感器值的準(zhǔn)確性將對(duì)檢測(cè)和控制系統(tǒng)有直接影響，也就影響到了整個(gè)系統(tǒng)的精度。所以本系統(tǒng)采用低價(jià)格，高性能，高精度的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。

DHT11溫濕度傳感器將在溫室的各個(gè)點(diǎn)采集溫濕度的數(shù)據(jù)，每隔一定的時(shí)間會(huì)將該數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。然后進(jìn)行循環(huán)的記錄和傳送。當(dāng)溫濕度不在正常區(qū)域是，系統(tǒng)啟動(dòng)相關(guān)處理方案。上電初始化各個(gè)變量，通過(guò)按鍵設(shè)定需要設(shè)定的參數(shù)，然后溫濕度傳感器通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)與按鍵設(shè)定的值進(jìn)行比較，如果實(shí)際值越過(guò)了某個(gè)設(shè)定的界限，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。如果當(dāng)前傳感器測(cè)量到的溫濕度不在當(dāng)前設(shè)定的范圍內(nèi)，則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

3.3 開(kāi)窗和閉窗及開(kāi)幕和閉幕電路子程序

本設(shè)計(jì)以AT89C51為核心，具有采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)功能，同時(shí)具有檢測(cè)實(shí)時(shí)溫濕度不在設(shè)置溫度或濕度范圍內(nèi)時(shí)，從而打開(kāi)天窗和適當(dāng)?shù)睦_(kāi)和關(guān)閉帷幕的功能，此設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約管理的成本，而且可以調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)合適的光照，有利于作物的生長(zhǎng)。

3.4 報(bào)警模塊

聲報(bào)警和光報(bào)警是報(bào)警模塊的兩個(gè)功能。LED燈報(bào)警來(lái)吸引用戶(hù)的注意，它是由單片機(jī)控制，而蜂鳴器報(bào)警是吸引聽(tīng)覺(jué)。LED燈的點(diǎn)亮條件是，當(dāng)溫濕度傳感器采集到的溫濕度只要其中至少有一個(gè)超出了它的預(yù)設(shè)定范圍，那么相應(yīng)的LED發(fā)光二極管就會(huì)被點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器鳴響；當(dāng)溫濕度在設(shè)定范圍內(nèi)那么一切正常，不做任何改變。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，該設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，但是有些誤差還是避免不了?？偨Y(jié)起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

①DHT11是電容性期間，其測(cè)量值要滯后于實(shí)際值；

②其次，板子上芯片供電和步進(jìn)電機(jī)用得是同一電源，電機(jī)在工作時(shí)略微使板子和DHT11供電電壓偏低；

③測(cè)試時(shí)溫濕度可能具有局部性，實(shí)際加熱時(shí)不同地方可能存在微量差值。

5 總結(jié)

本文以AT89C51單片機(jī)為控制核心，DHT11傳感器測(cè)量溫濕度，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)之后輸入給單片機(jī)分析處理。試驗(yàn)證明，可以通過(guò)溫濕度傳感器的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)增降溫除濕的控制，從而調(diào)節(jié)相應(yīng)控制，溫濕度可以通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示，基本上實(shí)現(xiàn)任務(wù)的要求。

[1]劉瑩,吳蓬勃,李新龍.基于單片機(jī)的精密儀器生產(chǎn)車(chē)間溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng).2014

[2]王亭亭,李雪穎,周亞羅.溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).科技視界,2015

[3]李興山,崔衛(wèi)青.基于溫室溫濕度控制系統(tǒng)的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科技,2009,37(22)