賈繼鵬，李延彬，李延成

（西寧城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 西寧 810016）

近年來，隨著智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展，新技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的塑料大棚由于投資少、見效快，發(fā)展迅速，但是存在智能化程度低、人工作業(yè)量大、溫濕度掌握不精準等弊端，傳統(tǒng)的育種大棚對溫濕度的控制方法已經(jīng)不能有效適應(yīng)當下育種作業(yè)的精細化發(fā)展需求。所以，采用智能數(shù)字式溫濕度傳感器等器件，實現(xiàn)對溫濕度信號的實時監(jiān)控和管理，已成為趨勢[1]。為了克服人工控制大棚的弊端，本系統(tǒng)設(shè)計基于STC89C52的控制系統(tǒng)，利用傳感器的特性，根據(jù)環(huán)境條件適時調(diào)整降溫、灌溉等裝置，提出了大棚精細化、智能化管理的新思路。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本育種大棚控制系統(tǒng)設(shè)計主要以STC89C52為主要控制芯片，并通過溫濕度采集傳感器DHT11，通過單片微電腦讀出傳感器的溫濕度后，將數(shù)值送入1602液晶屏上進行顯示。另外，該控制系統(tǒng)還能通過鍵盤設(shè)置大棚溫度、濕度報警聲音的范圍。如果超過設(shè)定的正常溫度、濕度范圍，將立即開啟聲光報警，同時通過相應(yīng)的控制措施，可以模擬大棚內(nèi)各種升溫、降溫、增濕以及氣液分流的實際環(huán)境狀況，使環(huán)境內(nèi)濕度能夠恒定控制在合理范圍內(nèi)。

整個系統(tǒng)設(shè)計見圖1，以STC89C52迷你式單片機系統(tǒng)為內(nèi)核器件，并配合電阻、電容、晶振等元器件，組成嵌入式單片機的最小管理系統(tǒng)[2]。在功能設(shè)計上主要包括溫濕度采集、按鍵輸入控制、液晶顯示功能、蜂鳴報警功能、狀態(tài)指示燈、恒溫恒濕控制功能等。使用與DHT11溫濕度合一的感應(yīng)采集器，將所收集的溫度和濕度數(shù)據(jù)分析后傳給單片機。使用了市面上最常用的輕觸鍵盤作為系統(tǒng)的鍵盤輸入模塊，可以調(diào)節(jié)育種大棚正常工作下的溫濕度范圍。在輸出功能上，包括了3個部分，一是采用1602液晶對溫濕度測量的數(shù)值進行結(jié)果的顯示輸出；二是采用蜂鳴器和LED指示燈報等實現(xiàn)對系統(tǒng)不同狀態(tài)的警示狀態(tài)的控制；三是采用了多組繼電器實現(xiàn)對恒溫恒濕的裝置的控制，用檢測的數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)程序開展升溫或降溫的調(diào)節(jié)，對于空氣的濕度的控制則可以通過系統(tǒng)控制繼電器從而開啟增濕或除濕負載來實現(xiàn)對大棚濕度的功能控制。育種大棚的電源供電則可以通過5 V的USB充電線予以供電。

圖1 系統(tǒng)功能圖Fig.1 The system function diagram

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件以圍繞STC89C52為核心的外圍功能元件展開，文章重點從溫濕度傳感器、液晶顯示電路、蜂鳴器模塊、鍵盤輸入模組、繼電器及負載電路五個方面開展硬件介紹與功能設(shè)計。

2.1 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款具有已校準數(shù)碼信號的溫濕度綜合感應(yīng)器[3]。傳感器中含有一組電阻型感濕單元和一組NTC感溫單元，可測20%～95%相對濕度，誤差為±5%，0℃～50℃時，誤差范圍±2℃。該產(chǎn)品安全性好、可靠性高、尺寸超小、耗電量極低，信息傳遞范圍達到20 m以上，是農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)中采集裝置的最佳選擇。其電路連接見圖2。

圖2 溫濕度傳感器電路Fig.2 The temperature and Humidity sensor circuit

2.2 顯示電路設(shè)計

本系統(tǒng)顯示模塊主要采用1602型液晶顯示屏，用來顯示溫濕度的數(shù)值、報警信息等內(nèi)容。液晶顯示電路連接中，第1腳和第2腳作為電源輸入，分別接到了電路的GND和VCC見圖3。第3腳通過一個10K的電位器連接到地端，主要用來調(diào)節(jié)顯示屏的對比度。第4腳是液晶的寄存器控制端，接到了STC89C52的P12端口上。第5腳是液晶的讀寫控制端口，接到了單片機的P13端口上。第6腳是液晶的使能端，接到了單片機的P14端口上。第7～14腳是液晶的數(shù)據(jù)/地址8位總線，接到了單片機的P0口上。最后的15、16腳連接液晶顯示的背光電源，接入VCC和GND的端口。

圖3 LCD電路Fig.3 The LCD circuit

2.3 蜂鳴器模塊

為了解決蜂鳴器工作電流需求大、單片機輸出電流小的問題，本設(shè)計選用S8550型PNP型有源三極管，其內(nèi)部包含內(nèi)置電路，只需單片機輸出高低電平即可有效工作，極大地方便了程序的設(shè)計且有效地利用了三極管的開關(guān)功能使得蜂鳴器能夠正常工作。蜂鳴器電路設(shè)計見圖4。

圖4 蜂鳴器電路設(shè)計Fig.4 The buzzer circuit design

2.4 按鍵設(shè)計電路

本系統(tǒng)設(shè)計中使用的按鍵數(shù)量相對較少，分別是“加”“減”“設(shè)置”，故使用了獨立按鍵的設(shè)計方法。具體的按鍵接線電路設(shè)計見圖5。

圖5 按鍵電路設(shè)計Fig.5 The key circuit design

2.5 繼電器電路

本產(chǎn)品設(shè)計中所使用的繼電器均為5 V的電磁式繼電器。電磁繼電器通常由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點彈簧等所構(gòu)成。通過系統(tǒng)控制繼電器的吸合、釋放，從而達到導(dǎo)通、切斷電路的目的。繼電器系統(tǒng)的實際工作回路見圖6～圖9。由于在繼電器從導(dǎo)通到關(guān)閉的瞬間，會產(chǎn)生電磁感應(yīng)，所以會在繼電器保護開關(guān)控制線圈的低壓端出現(xiàn)一種瞬時電流尖峰。而通過在繼電器兩端連接一個二極管，將在二極管的負端經(jīng)常接到VCC，可以有效控制電流尖峰，從而保護電子元件的功能。當單片機的輸入輸出口給PNP型三極管基極一個低電平后，三極管就能導(dǎo)通，使得繼電器得電，從而將負載設(shè)備接入5 V電壓。

本設(shè)計中采用的繼電器是5 V的電磁式繼電器。電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。通過系統(tǒng)控制繼電器的吸合、釋放，從而達到導(dǎo)通、切斷電路的目的。繼電器模塊的電路見圖6～圖9。由于繼電器由導(dǎo)通到關(guān)斷瞬間，工作線圈中會存在電感，會在繼電器線圈的低電壓端產(chǎn)生一個瞬間電壓尖峰。通過在繼電器兩端接入一個二極管，由于二極管的負端常接到VCC，因此電壓尖峰將被抑制，起到保護電子元件的作用。在本系列的繼電器控制電路設(shè)計中，主要包括了恒溫控制負載的電路設(shè)計、加熱檢測電路設(shè)計、祛濕檢測電路設(shè)計、加濕控制電路設(shè)計等，從而有效完成智能育種大棚的系統(tǒng)設(shè)計[4]。

圖6 恒溫控制電路設(shè)計Fig.6 The thermostatic control circuit design design

圖7 加熱控制電路設(shè)計Fig.7 The heating control circuit

圖8 祛濕控制電路設(shè)計Fig.8 The desiccant control circuit design

圖9 加濕控制電路設(shè)計Fig.9 The humidification control circuit design

3 系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計

本系列的軟件工作流程見圖10，最開始時要完成液晶顯示器的最初化，隨后包含了液晶顯示器操作最初化和液晶顯示器相關(guān)內(nèi)容的初始化，接下來是報警值的初始化。然后進入到下一套循環(huán)體，首先是讀出有關(guān)溫濕度的檢測結(jié)果并表示出來，隨后確定讀取到的溫濕度是否超過設(shè)定的報警范圍，如果處于非正常范圍，則蜂鳴器開始告警，并同時點亮相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，同時配套開啟相應(yīng)的升溫、降溫、增濕和祛濕等負載執(zhí)行裝置，使空氣濕度和溫度恒定在設(shè)定范圍以內(nèi)。然后評判設(shè)置按鈕有沒有被按下，如果按下就開始報警范圍設(shè)定，再進行簡短的延時，至此完成一輪循環(huán)，開始進入下一次的循環(huán)體繼續(xù)執(zhí)行。

圖10 育種大棚系統(tǒng)設(shè)計軟件流程圖Fig.10 The breeding shed system design software flow chart

4 結(jié)語

文章以STC89C52單片機為核心，綜述了育種大棚系統(tǒng)的整體設(shè)計過程，在設(shè)計中選擇了性能優(yōu)越的硬件裝置，完成了育種大棚全功能設(shè)計，提出了軟件設(shè)計的流程，能夠較好地幫助育種人員精準掌握大棚內(nèi)的實時環(huán)境狀況，自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的生長環(huán)境因素，確保為植物種子快速發(fā)芽、茁壯成長提供優(yōu)質(zhì)、適宜的生長環(huán)境?？傊?，本次系統(tǒng)設(shè)計一定程度上解決了傳統(tǒng)溫室大棚的部分缺陷，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了新的思考，同時能夠為農(nóng)業(yè)育種或大棚作物經(jīng)營管理者提供智能化升級的理念，有利于較少勞動力，減輕工作強度，提高農(nóng)業(yè)大棚的經(jīng)濟效益。