張曉雯

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學院，甘肅武威，733006）

0 引言

當前，科技引領(lǐng)下的新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，蔬菜大棚等生產(chǎn)方式大大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和適應(yīng)性。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等一批新型技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚的控制系統(tǒng)中，溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)總體上正朝著無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中溫濕度、光照等參數(shù)控制對于促進農(nóng)作物生長意義重大。農(nóng)村小規(guī)模蔬菜大棚仍采用傳統(tǒng)人工溫濕度控制方式，存在控制精度不高、響應(yīng)不及時等缺點，為解決上述問題，設(shè)計了基于單片機的遠程控制蔬菜大棚環(huán)境控制系統(tǒng)。

溫室大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)課調(diào)控設(shè)備包括各種開窗、強制通風、拉幕保護、輔助調(diào)溫等，可有效改善溫室大棚內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)境。常用蔬菜大棚控制系統(tǒng)中，一般由微控制器、溫濕度檢測及控制、光照強度檢測等模塊構(gòu)成。通過單片機對大棚內(nèi)部環(huán)境中的溫濕度、光照強度進行信號采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)液晶顯示后實時將測量值與閾值進行對比。如參數(shù)超出農(nóng)作物正常適應(yīng)范圍，則通過微控制器驅(qū)動溫濕度、光照強度等控制電路，對大棚內(nèi)部相應(yīng)處理設(shè)備進行控制。當生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)達到農(nóng)作物適宜范圍時則及時關(guān)停處理設(shè)備。若長時間都無法達到生產(chǎn)所需生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)，則通過蜂鳴器進行報警。本設(shè)計以作物最適宜的環(huán)境參數(shù)作為控制重點，經(jīng)對比分析提出總體設(shè)計方案，根據(jù)對比分析確定核心芯片類型的基礎(chǔ)上進行整體電路設(shè)計及程序開發(fā)，完成預(yù)期功能。

1 系統(tǒng)方案對比分析

傳統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)當中，若采用模擬元器件對系統(tǒng)進行設(shè)計，通常會影響測控系統(tǒng)的精確度。本設(shè)計結(jié)合蔬菜大棚實際生產(chǎn)需求，主要對環(huán)境溫濕度及光照強度等進行控制。以STC89C51單片機為控制核心，用DHT11傳感器對環(huán)境中的溫度與濕度進行檢測，使用光敏電阻和PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行光照強度檢測，利用LCD1602顯示模塊對檢測的數(shù)據(jù)進行顯示。如果溫濕度實測值沒有在安全閾值范圍內(nèi)，系統(tǒng)自動燈光報警，并啟動相應(yīng)的溫濕度調(diào)節(jié)控制設(shè)備。如果光照強度過強，則通過單片機驅(qū)動電機進行轉(zhuǎn)動，帶動卷簾實現(xiàn)對光照的合理控制。系統(tǒng)還增加了按鍵電路，實現(xiàn)對溫濕度值的動態(tài)調(diào)整，以及具備了對加濕器、加溫器的實時控制功能。本設(shè)計以農(nóng)作物最適宜的溫濕度范圍作為控制方向，對蔬菜大棚內(nèi)溫濕度進行合理調(diào)整，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

實現(xiàn)對光強進行檢測的傳感器主要有光敏電阻和太陽能電池板。太陽能電池板可采集周圍光照強度并輸出對應(yīng)電壓。而光敏電阻是通過不同強度的光照射所引起的阻值變化，間接表示環(huán)境光照強度。鑒于太陽能電池板在室內(nèi)不同光照強度下，輸出電壓變化不明顯，本設(shè)計采用光敏電阻進行光照強度檢測。本文主要對溫度、濕度及光強三個環(huán)境因素進行控制，檢測到參數(shù)高于或低于上下限閾值時，系統(tǒng)發(fā)注指定控制相關(guān)處理設(shè)備動作實現(xiàn)對相應(yīng)參數(shù)的控制。此外，為保證大棚控制系統(tǒng)安全可靠，采用HK4100F繼電器模塊間接控制對應(yīng)處理設(shè)備。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

設(shè)計采用的STC89C51單片機是一種可在低電壓工作的高性能8位微處理器。其存儲單元有4k容量，兼容51指令系統(tǒng)及80C51產(chǎn)品。單片機控制最小系統(tǒng)由電源、復位、振蕩電路等組成，最小系統(tǒng)中的電源供電采用USB實現(xiàn)。因后續(xù)需驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)電路，設(shè)計采用兩個USB電源接口均為5V/1A。晶振電路可為單片機正常工作提供穩(wěn)定頻率，設(shè)計采用的晶振為單片機提供11.0592MHz的工作主頻。為提高晶振可靠性，采用30pF電容進行去耦。

為防止單片機掉電時寄存器異?；虺绦蜻\行時出現(xiàn)問題，設(shè)計中添加了采用上電復位方式的復位電路，對單片機的寄存器進行清零初始化。STC89C51單片機為高電平復位，一般情況下在復位引腳RST上連接一個10μF的電容到VCC，之后在連接一個10k的電阻到GND，以此形成一個RC充放電回路，用以保證單片機在上電時有足夠時間的的高電平進行復位。單片機最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)圖

2.2 溫濕度采集模塊

設(shè)計中對溫濕度采集采用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器是一款能輸出數(shù)字信號的單總線傳感器。利用數(shù)字模塊采集技術(shù)使得該產(chǎn)品具有穩(wěn)定可靠的性能。DHT11傳感器內(nèi)部包含電阻式感濕元件及NTC測溫元件，可直接與高性能的單片機相連接。DHT11在信號處理過程中會調(diào)用一次性可編程儲存器中的校準系數(shù)，該系數(shù)是在精準校驗室中校準并以程序形式儲存的。采用單線制串行接口使得系統(tǒng)設(shè)計過程中更簡便快捷。

數(shù)字型溫濕度傳感器實現(xiàn)了高度集成化，將溫度檢測、濕度檢測、A/D轉(zhuǎn)換及信號變換等功能集成在一起，通過數(shù)字式串型數(shù)據(jù)接口輸出數(shù)字信號。溫濕度檢測模塊的電路相對簡單，僅需提供5V電源，輸出引腳外加一個上拉電阻提高輸出能力，即可保證模塊正常工作。在連接線長度短于20米時建議使用5k上拉電阻，當連接線長度大于20米時可根據(jù)實際情況選擇合適的上拉電阻。溫濕度采集模塊電路如圖3所示。

圖3 溫濕度采集電路原理圖

2.3 光照強度采集模塊

本設(shè)計采用的光敏電阻是一種利用光電效應(yīng)制作而成的電阻器。該電阻器光譜特性與人眼對可見光的響應(yīng)很接近，對光線較為敏感。在全黑暗環(huán)境中阻值大于10k。有光照射時，阻值變化至200歐，用其對蔬菜大棚環(huán)境中光照強度進行檢測可滿足設(shè)計需求。

因光敏電阻輸出信號為模擬信號，需通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將其模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便單片機可直接進行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用的是PCF8591。在單電源工作下，便可以實現(xiàn)4路的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片與單片機通信接口為標準的I2C接口，支持一個總線上掛載多個芯片。PCF8591主要承擔模數(shù)轉(zhuǎn)換作用，將光敏電阻與2k電阻串聯(lián)分壓得到的電壓進行采集，實現(xiàn)將光強轉(zhuǎn)換成電能后的模擬電壓讀取，并傳輸給單片機，光照強度采集模塊電路如圖4所示。

圖4 光照強度采集電路原理圖

2.4 參數(shù)處理及控制模塊

溫濕度控制電路運行由繼電器控制實現(xiàn)，通過繼電器通斷實現(xiàn)打開和關(guān)閉溫濕度控制電路的操作。為保證繼電器導通，采用三極管放大電路增大驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動繼電器開、關(guān)。電流通過電阻后進入三極管，對電流信號進行放大，之后進入繼電器，繼電器進行閉合操作，開關(guān)打開，水泵開始工作。設(shè)計中通過繼電器實現(xiàn)了對加熱器、加濕器、除濕器、降溫器這四種大功率電器的控制，最終保證了大棚環(huán)境當中對溫濕度的調(diào)節(jié)與控制。4個繼電器控制引腳接入單片機P1.4-P1.7引腳中。

為實現(xiàn)大棚內(nèi)部光照強度的控制和調(diào)節(jié)，需要基于電機實現(xiàn)對大棚卷簾進行開閉合控制的功能。設(shè)計選用直流減速電機作為卷簾控制電機，該電機的控制需采用專用正反轉(zhuǎn)控制芯片進行。本設(shè)計采用外電路相對簡單的L9110S進行電路設(shè)計，通過單片機的P2.0、P2.1這兩個引腳，實現(xiàn)對電機正反轉(zhuǎn)的控制，參數(shù)處理與控制電路原理圖如圖5所示。

圖5 參數(shù)處理及控制電路原理圖

3 軟件程序設(shè)計

采用C語言進行軟件程序設(shè)計，較之匯編語言C語言不需分配每一RAM單元，結(jié)構(gòu)方面層次分明。采用Keil4 C51軟件進行C語言編寫和調(diào)試，該軟件具有豐富的庫函數(shù)，目標代碼生成效率較高。其中uVision模塊是C51系列單片機在Windows當中的集成開發(fā)環(huán)境，可進行程序的編寫、編譯、調(diào)試等開發(fā)過程。利用Keil4 C51進行程序編寫時，需要先建立工程，選擇好保存的路徑。之后選擇對應(yīng)的單片機型號進行保存，在工程中新建文件，保存時其后綴應(yīng)設(shè)置為.c格式。

3.1 主程序設(shè)計

軟件程序設(shè)計采用模塊化方式，將程序分為主程序和多個子程序。在主程序開始時對單片機以及液晶進行初始化，之后設(shè)置參數(shù)的控制范圍，接著開始檢測溫濕度的值，將檢測到的溫濕度與設(shè)定的參數(shù)進行對比，判斷是否進行溫濕度的控制。之后模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片開始初始化，對光照強度進行檢測，判斷是否需要通過電機對光照強度進行調(diào)節(jié)。最后將溫濕度以及光照強度在液晶屏上面顯示，主程序的設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 主程序設(shè)計流程圖

對主程序進行設(shè)計時，通過檢測按鍵狀態(tài)對溫濕度的上下限閾值進行調(diào)節(jié)。只要檢測到對應(yīng)的I/O為低電平說明對應(yīng)的按鍵被按下，程序就會執(zhí)行相應(yīng)的指令。開始一般都會給I/O口賦一個高電平，之后開始檢測按鍵是否為被按下。通過延遲去抖，再次檢測按鍵是否為低電平狀態(tài)，如果在低電平狀態(tài)就會賦加一的值給該變量，從而實現(xiàn)對按鍵增加的設(shè)置。

3.2 參數(shù)檢測程序設(shè)計

利用DHT11傳感器實現(xiàn)對蔬菜大棚環(huán)境當中的溫濕度檢測時需要編寫該模塊驅(qū)動程序。將采集到的溫濕度信號進行轉(zhuǎn)換，由單片機進行處理決定輸出控制策略，在單片機開始讀取DHT11的溫濕度數(shù)據(jù)之前，需要先給一個持續(xù)18ms以上的低電平，以保證DHT11能檢測到起始信號。由于DHT11獲取數(shù)據(jù)的方式也是低電平，因此在主控芯片輸出低電平之后需立即拉高，給20至40ms延遲以穩(wěn)定系統(tǒng)。程序設(shè)計中采用大約24ms進行延遲。在對光照強度進行采集的時候，將光敏電阻與2k電阻串聯(lián)分壓得到的電壓數(shù)據(jù)進行采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片PCF8591將采集到的電壓進行讀取并轉(zhuǎn)換，輸送至單片機進行顯示。

3.3 參數(shù)控制程序設(shè)計

在大棚溫濕度控制程序設(shè)計中，首先開始檢測當前環(huán)境溫濕度情況。如果此時的溫濕度在設(shè)置的合理范圍內(nèi)，則不需要對農(nóng)作物進行溫濕度調(diào)節(jié)。如果溫濕度超出設(shè)置的閾值范圍，單片機驅(qū)動繼電器打開溫濕度控制回路，實現(xiàn)對農(nóng)作物的溫濕度控制操作。直到溫濕度達到閾值范圍，再關(guān)閉繼電器回路，停止對農(nóng)作物的溫濕度控制?；诠鈴姍z測電路實現(xiàn)對光照強度的實時監(jiān)測。一旦發(fā)生光照強度超出設(shè)定值的情況，單片機驅(qū)動L9110S實現(xiàn)對卷簾電機的正反轉(zhuǎn)控制，從而實現(xiàn)了對光照強度的適時調(diào)節(jié)控制。

3.4 軟件仿真及分析

針對前述硬件電路，為確保軟件程序設(shè)計合理性，應(yīng)用Proteus軟件對電路進行了仿真分析。Proteus軟件可進行原理圖布圖、程序調(diào)試以及外圍電路協(xié)同仿真。仿真搭建的模塊包括單片機最小系統(tǒng)、溫濕度采集模塊、光照強度采集模塊等。

仿真時，需要先確定好仿真的內(nèi)容以及實現(xiàn)的效果，本次仿真采用可調(diào)電阻對光敏電阻進行模擬，將檢測到的模擬量通過PCF8591芯片進行模擬信號與數(shù)字信號間的轉(zhuǎn)換。將信號輸入到單片機的最小系統(tǒng)中，液晶屏上將會顯示所檢測到的光照強度。在仿真當中電機驅(qū)動用LED進行模擬，通過對仿真電路當中的電阻進行調(diào)節(jié)，可以看到液晶屏上面的顯示值，在超過上限閾值或低于下限閾值時，單片機對應(yīng)的LED燈均被點亮，由此驗證了光照模塊的可行性。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與調(diào)試

4.1 硬件電路制作

軟硬件系統(tǒng)設(shè)計完成后，根據(jù)硬件電路進行了系統(tǒng)整體系統(tǒng)的焊接與調(diào)試。首先檢查線路是否有虛焊，采用萬用表完成檢測。當電路沒有短路、斷路時，可通電進行測試。通電測試主要測量各個節(jié)點的電氣特性。通過對電路進行焊接以及對各模塊進行組裝，得到了系統(tǒng)的硬件電路部分。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試及分析

將所設(shè)計程序下載到單片機后就可進行硬件調(diào)試。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)正常運行結(jié)果如圖7所示?？芍壕恋谝恍酗@示出濕度、溫度、光照強度的數(shù)值，第二行則是溫濕度保護范圍的閾值上限和閾值下限。該系統(tǒng)液晶顯示模塊工作正常。長按K1按鍵，可對濕度的上限閾值在20-60%RH之間進行調(diào)節(jié)。經(jīng)調(diào)試按鍵設(shè)置符合程序設(shè)計要求。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)軟硬件運行均正常，可實現(xiàn)溫度、濕度以及光照強度的檢測與控制功能，基本達到了預(yù)期目標。

圖7 系統(tǒng)運行結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文采用模塊化設(shè)計理念分析了蔬菜大棚溫濕度及光照強度等影響因素，設(shè)計了以STC89C51單片機為核心的環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)。利用DHT11溫濕度傳感器對環(huán)境溫濕度進行檢測并經(jīng)液晶顯示，通過按鍵電路對溫濕度上下限閾值進行調(diào)節(jié)。采用繼電器作為系統(tǒng)控制輸出模塊，實現(xiàn)了對溫濕度、光照處理設(shè)備的控制。由光敏電阻及PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成的光照強度檢測模塊，根據(jù)設(shè)定光照值的高低利用電機實現(xiàn)對卷簾開關(guān)的控制。本文對系統(tǒng)的硬件以及軟件進行了分析，利用Keil4軟件對程序進行編輯以及調(diào)試，采用Proteus8.6對系統(tǒng)進行了仿真，調(diào)試了檢測、按鍵及控制等模塊。經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫濕度及光強的檢測與控制，當所檢測參數(shù)不在設(shè)置閾值范圍時系統(tǒng)能做出相應(yīng)動作。