薄英男++陳恒峰++郭輝++高國民++王樺++蔣暢
摘要:我國溫室多為中小型塑料大棚,內(nèi)部溫度、濕度等因素受自然環(huán)境影響較大。針對(duì)中小型塑料溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度調(diào)控問題,以單片機(jī)為控制中心設(shè)計(jì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng),提高控制精度及管理效率。
關(guān)鍵詞:?jiǎn)纹瑱C(jī);控制系統(tǒng);傳感器;溫度;濕度
中圖分類號(hào):S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-1161(2017)05-0017-04
溫室栽培是我國北方地區(qū)冬季蔬菜瓜果的主要種植方式,能夠有效緩解冬季蔬菜瓜果供應(yīng)壓力。我國現(xiàn)有的溫室多為中小型塑料大棚,內(nèi)部溫度、濕度等因素受自然環(huán)境影響較大,如果不能及時(shí)調(diào)整,就會(huì)影響植物正常生長。目前,大部分溫室的溫度和濕度調(diào)節(jié)依靠手動(dòng)設(shè)備,精度較差,且易造成資源浪費(fèi)。通過溫室環(huán)境控制系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,可以提高控制精度及管理效率,為作物生長提供適宜條件。
1 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜工作,涉及知識(shí)面較廣,包含內(nèi)容較多。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件部分和軟件部分。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為:根據(jù)中小型塑料大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求,用戶可通過液晶顯示屏對(duì)溫室內(nèi)部的溫度濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并可進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置,使溫室環(huán)境穩(wěn)定在適宜植物生長的狀態(tài)。
2 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
硬件是環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分,主要包括控制器、傳感器、鍵盤設(shè)定、控制報(bào)警、顯示屏和程序下載電路??刂铺幚聿糠滞瓿蓴?shù)據(jù)處理和外部設(shè)備控制;傳感器用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集;鍵盤電路用于環(huán)境參數(shù)設(shè)定;控制報(bào)警電路控制溫室內(nèi)部的調(diào)控設(shè)備及進(jìn)行報(bào)警提示;顯示屏接口電路用于顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)值。
2.1 控制器電路
控制器是系統(tǒng)的核心部分,主要作用是數(shù)據(jù)處理、對(duì)外發(fā)布控制命令、協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分工作。工作時(shí),控制器電路先讀取傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù),并由顯示屏實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)判斷檢測(cè)數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定范圍。若超出設(shè)定范圍,則啟動(dòng)控制電路和報(bào)警電路,對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控和報(bào)警提示。
控制器選用STC89C51單片機(jī),其價(jià)格低廉,具有較好穩(wěn)定性,外部擴(kuò)展功能強(qiáng)大。STC89C51單片機(jī)有多種封裝形式,系統(tǒng)使用雙列直插式,具有寬電壓輸入范圍,對(duì)輸入電壓的要求較低且功耗較小。STC89C51單片機(jī)需外接復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。復(fù)位電路在啟動(dòng)或運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)提供復(fù)位信號(hào);時(shí)鐘電路提供時(shí)鐘基準(zhǔn),保證正常工作。STC89C51控制器電路如圖1所示。
2.2 傳感器接口電路
系統(tǒng)選用傳感器DHT11來采集溫室內(nèi)部溫度和濕度數(shù)據(jù)。是溫濕度復(fù)合型傳感器,精度較高,價(jià)格低廉。DHT11輸出數(shù)字信號(hào),可直接與控制器進(jìn)行連接,通過一根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)串行傳輸。DHT11的接口電路如圖2所示,VDD接電源正極,NC為空管腳,進(jìn)行懸空處理即可,DATA串行數(shù)據(jù)傳輸線,GND接地端。DHT11的供電電壓為3.0~5.5 V。為穩(wěn)定傳感器與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸,需要在DATA管腳添加1個(gè)10 K上拉電阻。
2.3 鍵盤輸入電路
系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定通過鍵盤完成,按鍵被賦予不同功能,通過各按鍵配合完成調(diào)控參數(shù)設(shè)定。鍵盤由3顆按鍵組成,第一個(gè)按鍵為功能按鍵,主要用于溫度和濕度設(shè)定之間切換;第二個(gè)按鍵和第三個(gè)按鍵主要用于溫濕度設(shè)定值調(diào)節(jié)。鍵盤輸入電路如圖3所示。
2.4 控制報(bào)警電路
控制部分主要管理溫室內(nèi)部設(shè)備,根據(jù)單片機(jī)指令控制溫室設(shè)備工作??刂齐娐分饕砷_關(guān)三極管、續(xù)流二極管和繼電器等組成。三極管主要對(duì)單片機(jī)的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大,繼電器用于控制220 V用電設(shè)備的電源。報(bào)警部分的電路主要由開關(guān)三極管、發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。開關(guān)三極管對(duì)控制器信號(hào)進(jìn)行功率放大,蜂鳴器和發(fā)光二極管用于聲光等信號(hào)輸出。控制報(bào)警電路如圖4所示。
2.5 液晶屏顯示電路
選用1602液晶屏對(duì)溫室內(nèi)部的環(huán)境信息進(jìn)行顯示。1602液晶顯示屏結(jié)構(gòu)小巧、耗電少、性價(jià)比較高,可以方便地進(jìn)行字符和數(shù)字輸出。其接口電路如圖5所示。
2.6 程序下載電路
系統(tǒng)通過RS232串口電路進(jìn)行程序下載,主要在單片機(jī)串口的TTL電平和232電平之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。RS232串口電路如圖6所示。
3 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序的開發(fā)和調(diào)試由Keil軟件完成,程序開發(fā)采用C語言。系統(tǒng)程序分為主程序和子程序,主程序是系統(tǒng)程序的主體部分,通過不斷調(diào)用各子程序完成對(duì)硬件部分的控制。
系統(tǒng)主程序的流程圖如圖7所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入初始化狀態(tài),此后主程序調(diào)用液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)程序,對(duì)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)界面進(jìn)行設(shè)置;主程序根據(jù)用戶操作對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,并對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。
4 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)仿真
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,在Proteus軟件內(nèi)進(jìn)行仿真,完成對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)。Proteus軟件可以比較真實(shí)地反應(yīng)電路的實(shí)際運(yùn)行效果,并支持單片機(jī)加載程序進(jìn)行仿真。在Proteus軟件內(nèi)繪制系統(tǒng)仿真電路并進(jìn)行仿真測(cè)試。通過對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真,驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)路設(shè)計(jì)是否合理。根據(jù)仿真效果對(duì)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,可有效提高系統(tǒng)的可靠性和精度。
5 結(jié)論
系統(tǒng)主要適用于中小型塑料溫室大棚,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以51系列單片機(jī)為控制中心,采用可靠性和性價(jià)比較高的傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸,能夠有效降低系統(tǒng)成本。
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