李曉歌 ， 李 娜

（1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源與智能工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 漯河 462000）

煙草是我國一種非常重要的經(jīng)濟(jì)作物，育苗是整個煙草種植過程中極其重要的一個環(huán)節(jié)。溫濕度對煙草的育苗質(zhì)量影響非常大。目前的育苗大棚，大多是通過用一些溫度或者濕度測試儀器，如溫度計、濕度試紙等，來對大棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行人工檢測[1]。這種檢測方法工作量非常大，而且檢測的時間受人為因素的影響較大，對棚內(nèi)溫濕度的變化不能及時監(jiān)測及調(diào)整。尤其隨著規(guī)?；N植逐漸成為趨勢，這種檢測方式的弊端就更成為急需解決的問題。

課題組將單片機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等應(yīng)用到了煙草育苗中，設(shè)計一個監(jiān)測控制系統(tǒng)[2]。以單片機(jī)為控制核心，監(jiān)測煙草育苗大棚的實時溫濕度，把溫濕度數(shù)值顯示在液晶屏上，讓檢測人員不用進(jìn)入育苗大棚就可觀察到溫濕度的實時數(shù)據(jù)。如果監(jiān)測到溫濕度超過所設(shè)定的范圍，就會現(xiàn)場及遠(yuǎn)程報警，以便于及時調(diào)整育苗大棚的溫濕度。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

通過對煙草育苗大棚的實地考察，與煙農(nóng)交流，了解育苗的基本過程、育苗溫濕度控制關(guān)鍵點、大棚中溫濕度變化特點。在綜合考慮系統(tǒng)功能與成本的基礎(chǔ)之上，對系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計，基本框圖如圖1所示[3]。系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心器件構(gòu)成主控模塊，由溫濕度傳感器DHT11完成大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的采集，將其傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)分析并處理接收到的信號后發(fā)送到顯示模塊實時顯示。設(shè)置模塊用來設(shè)置溫濕度的上限值和下限值，溫濕度超出設(shè)置范圍時報警模塊報警，同時通過GSM通信模塊發(fā)送信息給管理人員。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 主控模塊

主控模塊采用STC89C51單片機(jī)。STC89C51是一款使用非常廣泛的高性能CMOS 8位微控制器，具有4K字節(jié)系統(tǒng)可編程閃存，實際工作頻率可達(dá)48 MHz?？刂破饔?7個通用I/O口，10位精度ADC功能，2個16 位定時器，在完全滿足功能需求的基礎(chǔ)上，具有較高的性價比。設(shè)計的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示，最小系統(tǒng)主要包含單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路和振蕩電路。

圖2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖

1）電源模塊為系統(tǒng)運行提供穩(wěn)定的電壓，考慮到系統(tǒng)在田野戶外使用的特點，設(shè)計電源模塊為外接5 V直流電源輔助太陽能充電方式。充電模塊主要由太陽能板、可充電電池、升壓部分組成。充電電池3.7 V的電壓通過升壓部分升壓為5 V后可為整個系統(tǒng)供電[4]。

2）晶振電路由晶體振蕩器Y1和C3、C4構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路組成，為單片機(jī)提供基準(zhǔn)時鐘信號，本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式。

3）復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位結(jié)合的方式。對于上電自動復(fù)位，應(yīng)合理選擇R和C值使高電平至少維持兩個機(jī)器周期。一般URST大于3 V就能使單片機(jī)可靠復(fù)位，本設(shè)計復(fù)位電路中選用的電阻R11為10 kΩ，電容C1為10 μF，因此充放電電路的時間常數(shù)為100 ms，復(fù)位時間約等于0.511RC≈51 ms，對振蕩頻率為12 MHz，機(jī)器周期為1 μs的單片機(jī)，滿足復(fù)位時間的要求。

1.2 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器的選擇及布局需考慮要測量的溫濕度數(shù)據(jù)區(qū)間、測量面積的大小。煙草育苗目前大部分使用漂浮育苗，種子播種在填充了基質(zhì)的深度為8 mm～10 mm的育苗托盤中，大棚底部有15 cm～18 cm的水，托盤漂浮于水中。在幼苗發(fā)芽之前，大棚中的溫度應(yīng)該保持在20 ℃～22 ℃，空氣相對濕度保持為85%～87%。在幼苗長成大十字之前，大棚內(nèi)部的溫度保持在22 ℃～24 ℃，相對空氣濕度為80%～84%。在幼苗長成大十字到移栽之前，大棚中的溫度保持在25 ℃～27 ℃，相對濕度為78%～82%。因此，煙草育苗棚的最佳生長環(huán)境溫度范圍為20 ℃～27 ℃，濕度范圍為78%～87%RH。DHT11溫度測量范圍是0～50 ℃，濕度是5%～95%RH，滿足溫濕度范圍[5]。本設(shè)計針對的對象為中小型育苗棚，棚的大小約為20.5 m×5.4 m×2 m，DHT11最大信號傳輸距離為20 m，兼顧到大棚的面積及溫濕度分布特點，給每個大棚均勻放置兩個溫濕度傳感器，放置在距離托盤10 cm處[6]。DHT11的電路圖如圖3所示，其中電源引腳VDD接5 V電源，引腳DATA與單片機(jī)的P1.0引腳連接，引腳NC懸空，GND為接地端。

圖3 DHT11電路圖

單片機(jī)通過P1.0引腳完成和DHT11的狀態(tài)交互和數(shù)據(jù)傳輸。總線空閑狀態(tài)為高電平，首先主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng)，拉低時間必須在18 ms以上，只有這樣DHT11才可以檢測到起始的信號。DHT11接收到主機(jī)的開始信號后拉低總線并發(fā)送80 μs低電平響應(yīng)信號來告訴主機(jī)此時的DHT11正常，之后DHT11拉高總線80 μs左右，開始傳送數(shù)據(jù)。DHT11高低電平的長短決定了數(shù)據(jù)位是0還是1，并且每一位數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時隙開始。數(shù)據(jù)“0”是拉低總線50 μs然后拉高總線25 μs；數(shù)據(jù)“1”是先拉低總線50 μs，然后再拉高總線70 μs。

1.3 顯示模塊

在本系統(tǒng)中所采用的液晶顯示模塊為 LCD1602，它是一種點陣液晶。該模塊界面簡潔、使用方便、功耗低，價格也很便宜。LCD可以顯示16×2個字符，本設(shè)計通過自動切換屏幕的方式顯示所有的數(shù)據(jù)[7]。

LCD1602的電路圖如圖4所示。8位數(shù)據(jù)總線DB0～DB7，連接單片機(jī)的I/O口，接收單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并顯示。本設(shè)計中LCD1602液晶顯示器的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)STC89C51的接口P0.0～P0.7相連。有RS、R/W和E三個控制端口，RS是數(shù)據(jù)命令選擇端，與單片機(jī)接口P2.7相連，控制在高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器；R/W是讀寫選擇端，讀數(shù)據(jù)用于檢測液晶是否處于忙狀態(tài)，本系統(tǒng)程序用延時完成數(shù)據(jù)分時傳送，因此此端接地；E是使能信號，與單片機(jī)接口P2.6相連。

圖4 LCD1602模塊電路圖

1.4 報警模塊

系統(tǒng)報警模塊通過蜂鳴器和發(fā)光二極管分別實現(xiàn)聲音和光線報警。管理員設(shè)置溫濕度的上下限后，系統(tǒng)中的溫濕度傳感器模塊進(jìn)行實時采樣，和設(shè)置值對比后，如果不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)會點亮相應(yīng)的指示燈并驅(qū)動蜂鳴器報警[8]。

燈光報警電路如圖5所示，四個LED燈分別與單片機(jī)的P2.0、P2.2、P2.4、P2.5引腳相連，超限情況發(fā)生時對應(yīng)引腳輸出低電平，對應(yīng)的二極管點亮。第一個紅色LED1燈亮?xí)r代表溫度值過高，第一個綠色LED2燈亮代表溫度過低；當(dāng)?shù)诙€紅色LED3燈亮?xí)r代表濕度值過高，第二個綠色LED4燈亮代表濕度過低。

圖5 報警燈電路圖

圖6 蜂鳴器電路圖

蜂鳴器電路如圖6所示，通過一個PNP型三極管驅(qū)動蜂鳴器，三極管基極與單片機(jī)的P3.2連接，當(dāng)溫濕度超限時，此引腳輸出低電平，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。

1.5 通信模塊

通信模塊用GSM模塊實現(xiàn)溫濕度超限時給管理人員發(fā)送信息。系統(tǒng)選用的GSM模塊是SIM800L。SIM800L模塊的串口引腳是TTL電平，所以可以與單片機(jī)直接相連實現(xiàn)串口通信，單片機(jī)的TXD引腳與模塊的RXD連接，單片機(jī)的RXD與模塊的TXD連接，二者的GND在一起，就可實現(xiàn)單片機(jī)與模塊的通信[9]。模塊電路圖及與單片機(jī)的連接方式如圖7所示，其中 SIM-TXD引腳與單片機(jī)P3.0連接，SIMRXD與單片機(jī)P3.1連接。

圖7 SIM800L模塊電路圖

為實現(xiàn)中文信息發(fā)送，系統(tǒng)使用PDU模式發(fā)送短信，要實現(xiàn)短信發(fā)送功能，需要設(shè)置編碼格式，并根據(jù)該格式進(jìn)行信息整理。首先要把漢字轉(zhuǎn)換為Unicode字符，然后把SMSC地址信息、地址格式、目標(biāo)號碼、編碼方式、用戶信息等所有短信信息編排成PDU串，再加上相關(guān)格式說明，構(gòu)成完整的信息串，然后通過串口發(fā)送。

1.6 設(shè)置模塊

設(shè)置模塊使用按鍵實現(xiàn)對溫濕度上下限的設(shè)置操作。設(shè)置模塊按鍵電路如圖8所示。模塊由S2、S3、S4三個按鍵組成，分別連接單片機(jī)的P1.1、P1.5、P1.6口。S2鍵按下進(jìn)入數(shù)據(jù)設(shè)置狀態(tài)，通過在程序中所設(shè)置模式變量記錄的S2按下的次數(shù)，分別進(jìn)入不同的設(shè)置模式。按下一次時模式值為一，進(jìn)入設(shè)置溫度上限值模式；按下兩次時模式值為二，進(jìn)入設(shè)置濕度上限值模式；按下三次時模式值為三，進(jìn)入設(shè)置溫度下限值模式；按下四次時模式值為四，進(jìn)入設(shè)置濕度下限值模式；按下五次時模式值歸零，進(jìn)入初始顯示狀態(tài)。S3、S4按鍵在模式不為零時有效，根據(jù)模式值通過按下次數(shù)，按S3提高閾值，按S4降低閾值。

圖8 設(shè)置模塊按鍵電路圖

2 實驗結(jié)果

系統(tǒng)軟件在keil中調(diào)試通過后，配合Proteus仿真軟件來實現(xiàn)軟硬件聯(lián)調(diào)及仿真。仿真電路如圖9所示。在仿真實驗中，由于無法獲取真正環(huán)境的溫濕度值，溫濕度值的變化用直接設(shè)置兩個DHT11的溫度和濕度數(shù)據(jù)來模擬。先通過設(shè)置按鍵及加、減按鍵設(shè)置溫濕度的上下限值，然后設(shè)置兩個DHT11的溫濕值為各種可能的情況，可以觀察到對應(yīng)的發(fā)光二極管和蜂鳴器的反應(yīng)與預(yù)設(shè)的狀態(tài)相符，同時顯示器也可以正確顯示數(shù)據(jù)[10]。

圖9 仿真電路圖

通過仿真確認(rèn)設(shè)計基本正確后，焊接實物進(jìn)行模擬環(huán)境試驗，實物運行結(jié)果之一如圖10所示。模擬不同溫濕度環(huán)境，將溫濕度傳感器放置其中，可以觀察到所檢參數(shù)不在設(shè)置閾值范圍時系統(tǒng)能做出相應(yīng)動作，發(fā)生報警時也能正確發(fā)送信息到指定手機(jī)。

圖10 實物運行結(jié)果

3 結(jié)論

課題組針對目前規(guī)?；N植環(huán)境下傳統(tǒng)煙草育苗大棚管理方式面臨的實際問題，在對煙草育苗設(shè)備、環(huán)境、環(huán)節(jié)及育苗各環(huán)節(jié)所需控制的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了可以實現(xiàn)自動實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程報警的監(jiān)測系統(tǒng)。文中對系統(tǒng)各個硬件電路的選型、設(shè)計及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，經(jīng)仿真和實物測試檢驗了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。