胡保玲,馬 俊,周 磊,余志偉,解思博,吳慶洋

(1.巢湖學院 計算機與人工智能學院,安徽 巢湖 238024;2.巢湖學院 電子工程學院,安徽 巢湖 238024)

農業(yè)溫室大棚是在人工條件下實現(xiàn)作物生長的主要場所,也是現(xiàn)代化農業(yè)中一個非常重要的設施.為實現(xiàn)高效且科學化的生產(chǎn)模式,需利用自動化裝置來科學合理地控制農業(yè)大棚內溫度和濕度,使得大棚能夠為農作物提供更加適宜的生長環(huán)境,從而產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益.因此,設計精確有效的農業(yè)大棚空氣溫濕度控制系統(tǒng),具有十分重要的意義.國內學者對其進行了大量研究,并取得了豐碩的成果.劉盛竹等[1]設計了一種具有芯片擴容功能的溫度自動控制系統(tǒng),通過AT89C51微型處理器有效實現(xiàn)了溫度的精確控制.楊金祥等[2]利用STC89C52單片機為控制核心,設計了一種溫濕度控制器以實現(xiàn)大棚內部保持恒溫恒濕環(huán)境.胡超等[3]設計了一種基于單片機控制的大棚溫濕度控制系統(tǒng),通過溫度傳感器、濕度傳感器分別對大棚里的溫度、濕度進行實時檢測,從而實現(xiàn)溫濕度的精確控制.張葉茂等[4]設計了一套智能溫室控制系統(tǒng),有效地實現(xiàn)了溫室大棚參數(shù)的實時采集、信號傳輸和智能控制.陳輝江等[5]利用物聯(lián)網(wǎng)技術,開發(fā)了環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),設計出一種農業(yè)大棚溫濕度控制系統(tǒng),有效地監(jiān)測與調控農業(yè)大棚內部環(huán)境信息.蘇恒陽等[6]基于智能計算機溫濕度控制技術,并通過智能化控制模塊的相關指令,有效實現(xiàn)農作物大棚溫度控制.張儷亭等[7]在分析了溫室大棚溫濕度控制需求的基礎上,設計了一種基于STC89C52的溫室大棚溫度濕度自動控制系統(tǒng),有效實現(xiàn)了溫室內溫濕度的自動調節(jié).張云帆等[8]設計了一種以單片機為核心,結合溫濕度、光傳感器、繼電器和風機箱,設計了一種溫濕度智能控制系統(tǒng),能夠實時監(jiān)測采集數(shù)據(jù),并根據(jù)反饋數(shù)據(jù)實時做出調節(jié).孫萬麟等[9]設計了一種以AT89C51單片機作為主控器的溫濕度測控系統(tǒng),實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集,并設置超限指示燈報警功能.李倩等[10]在STC89C51單片機基礎上,設計了蔬菜大棚溫濕度自動控制系統(tǒng),并預先設置溫濕度合理值,當測量溫濕度不在預設值內時,系統(tǒng)將會發(fā)出蜂鳴報警并采取相應措施.

本文在上述研究的基礎上,設計了一種更加靈敏完善的農業(yè)大棚空氣溫濕度智能控制系統(tǒng),通過溫濕度傳感器實時檢測環(huán)境變化,并配置液晶顯示模塊,使觀察更加準確,從而有效地滿足人們對大棚智能控制與檢測的需求.

1 系統(tǒng)及硬件設計

農業(yè)大棚空氣溫濕度智能控制系統(tǒng)主要具備溫度值與濕度值的檢測功能,并將檢測結果通過單片機處理并利用顯示模塊與執(zhí)行模塊輸出,以達到實時監(jiān)測和改善大棚環(huán)境的目的.本設計采用STC89C51單片機為處理器,通過DHT11型溫濕度傳感器來實時測量大棚內溫濕度的數(shù)值,然后通過數(shù)碼管顯示模塊實時顯示檢測的溫濕度數(shù)值是否超過警報閾值,并利用執(zhí)行模塊實時調節(jié)溫濕度信息.該系統(tǒng)主要包含6大模塊,即單片機及其最小系統(tǒng)、溫濕度檢測模塊、數(shù)碼管顯示模塊、繼電器執(zhí)行模塊、系統(tǒng)報警模塊和電源模塊(本文主要闡述前4個主要模塊),其核心系統(tǒng)組成框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體組成框架

1.1 AT89C51單片機及其最小系統(tǒng)

本設計采用應用最為廣泛的STC89C51單片機為核心處理器,它是一種低功耗卻有著極高性能的8位微處理器,有40個引腳和3種封裝方式.其中40個引腳大致可分為4類:時鐘、電源、控制和4組I/O引腳.所謂最小系統(tǒng),是指能使單片機正常工作的最小組成部分,包括單片機核心處理器本身、復位電路以及時鐘電路,其電路結構如圖2所示.

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路結構

1.2 溫濕度傳感器模塊設計

傳感器DHT11將數(shù)據(jù)輸入/輸出的管腳與I/O口進行直接連接,再通過微處理器對傳感器進行操控,將所采集的農業(yè)大棚溫濕度信息輸送到處理器中運算,溫濕度傳感器結構如圖3所示.

圖3 溫濕度傳感器模塊

1.3 數(shù)碼管顯示模塊設計

LCD1602液晶顯示模塊是一種工業(yè)字符型液晶,能夠同時顯示16列2行,即32個字符,數(shù)碼管顯示電路如圖4所示.

圖4 數(shù)碼管顯示模塊

1.4 繼電器執(zhí)行模塊設計

本設計中的繼電器模塊是通過4個三極管來驅動的,當測量出的溫濕度數(shù)值不在設定范圍內時,信號由高電平轉變?yōu)榈碗娖?三極管導通,繼電器吸合,繼電器相當于開關的作用,能夠驅動負載.當濕度高于預設上限時,Q4導通、發(fā)光二極管D3發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲、風扇轉動進行烘干;當濕度低于預設下限時,Q5導通、D4發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲、微型水泵工作進行加濕;當溫度高于預設上限時,Q3導通、D2發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲、風扇轉動進行降溫;當溫度低于預設下限時,Q2導通、D1發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲,加熱棒開始工作進行升溫.繼電器電路如圖5所示.

圖5 繼電器執(zhí)行模塊

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計是該系統(tǒng)的重要組成部分,決定系統(tǒng)是能否正常工作.首先,鍵入設定的溫濕度閾值,并利用傳感器工作檢測環(huán)境中的溫濕度,讀取成功后對數(shù)據(jù)進行線性擬合,并在LCD1602液晶屏上進行顯示;中心處理器判斷所讀數(shù)據(jù)是否在鍵入的范圍之內.若不在范圍內,報警指示燈亮起,蜂鳴器發(fā)聲報警,隨后通過繼電器控制調控設備進行調控,直到再次讀取的數(shù)值在鍵入范圍內,調控設備停止運作,并在液晶屏顯示當前的溫濕度值,主程序流程如圖6所示.

圖6 主程序流程

3 系統(tǒng)調試與實驗驗證

在裝好應用系統(tǒng)后,需對系統(tǒng)進行調試以排除系統(tǒng)可能存在的故障.本次設計的調試方法包括軟件仿真測試、系統(tǒng)性能測試和溫濕度檢測模擬實驗.

3.1 軟件仿真測試

在進行硬件焊接前,需在仿真軟件上進行系統(tǒng)仿真,以驗證該系統(tǒng)的性能,所搭建的系統(tǒng)包含了多個模塊,分別是單片機主控電路、按鍵電路、電源接口電路、DHT11溫濕度傳感器模塊、蜂鳴器報警電路、LCD1602液晶接口模塊等.仿真軟件測試結果表明系統(tǒng)的各模塊之間均可正常運行.

3.2 實驗驗證分析

在軟件仿真測試后,對所設計系統(tǒng)進行性能測試.在接通電源前,需對電路板及接線進行檢查,確認無誤后接通電源,保障系統(tǒng)能正常運行,運行狀態(tài)如圖8(a)所示.為更加全面地分析系統(tǒng)功能,驗證所設計溫濕度智能控制系統(tǒng)的實際運行效果,本文構建了簡易模擬裝置對系統(tǒng)進行溫濕度檢測模擬實驗,如圖8(b)所示.分別對溫度上限、溫度下限、濕度上限、濕度下限進行4次不同實驗,并記錄相應控制設備的運轉情況.

(a)系統(tǒng)正常運行效果

(b)模擬大棚環(huán)境圖8 系統(tǒng)正常運行與模擬大鵬環(huán)境效果

(1)溫度上限檢測與控制實驗

將模擬大棚置于自然光下進行照射,每隔5分鐘記錄模擬大棚溫度的測量值、報警情況及相應控制設備的運作情況(溫度單位為℃).在正常自然光照情況下,利用光照程度來對模擬裝置中溫度進行調節(jié),不同時刻的具體情況如圖9所示.記錄每個時刻所對應的測量數(shù)據(jù),實驗記錄如表1所列.其中,時刻1為初始狀態(tài);時刻2在自然光照射下溫度逐漸升高;時刻3到達溫度預設上限,風扇降溫,蜂鳴器報警,LED常亮;時刻4為溫度降至上限以下,由于溫度變化浮動較小,時刻5、6分別與時刻3、4對應一個循環(huán)檢測調節(jié)過程.從圖9與表1的結果可知,在進行溫度上限檢測與控制模擬實驗時,該系統(tǒng)可正常運行.

表1 溫度上限報警控制實驗記錄

(a)時刻1

(b)時刻2

(d)時刻4

(e)時刻5

(f)時刻6圖9 自然光照環(huán)境不同時刻檢測結果

(2)溫度下限檢測與控制實驗

將模擬大棚置于室內,開啟空調進行降溫,每隔5分鐘記錄模擬大棚溫度測量值、報警情況及相應控制設備的運作情況(溫度單位為℃).通過上述降溫條件,以此檢驗本設計對溫度低于下限時的報警及控制情況,不同時刻的具體情況如圖10所示.其中,時刻1、2是初始降溫過程;時刻3到達臨界值,LED燈常亮,蜂鳴器報警,加熱棒開始工作;時刻4由于加熱棒加熱需要時間,溫度繼續(xù)下降;時刻5為在加熱棒工作一段時間后溫度上升至臨界值;時刻6回歸預設范圍內,實驗記錄如表2所列.綜合圖10與表1的結果可知,在進行溫度下限檢測與控制模擬實驗時,該系統(tǒng)可正常運行.

表2 溫度下限報警控制實驗記錄

(a)時刻1

(b)時刻2

(c)時刻3

(d)時刻4

(e)時刻5

(f)時刻6圖10 低溫環(huán)境下不同時刻檢測結果

(3)濕度上限檢測與控制實驗

將系統(tǒng)置于模擬大棚內,再放入一個小型加濕器,每隔5分鐘記錄模擬大棚濕度的測量值、報警情況及相應控制設備的運作情況(濕度單位為%),不同時刻的具體情況如圖11所示,實驗參數(shù)如表3所列.時刻1為初始狀態(tài);時刻2和時刻3表示隨著加濕器工作,濕度逐漸升高;時刻4和時刻5為濕度上升至超過預設上限值,蜂鳴器發(fā)聲報警,LED常亮,烘干風扇工作,進行干燥降濕.從圖11與表3的結果可知,在進行濕度上限檢測與控制模擬實驗時,該系統(tǒng)可正常運行.

表3 濕度上限報警控制實驗記錄

(a)時刻1

(b)時刻2

(c)時刻3

(d)時刻4

(f)時刻6圖11 加濕環(huán)境不同時刻檢測結果

(4)濕度下限檢測與控制實驗

在風力較強時,將模擬大棚中置于通風處,每隔5分鐘記錄模擬大棚濕度的測量值、報警情況及相應控制設備的運作情況(濕度單位為%),現(xiàn)分別采樣6個不同時刻的濕度信息,具體情況如圖12所示.其中,時刻1、2為濕度值隨時間降低的過程;時刻3、4、5為濕度降至預設下限以下,LED燈常亮,蜂鳴器報警的過程;時刻6為水泵工作,使?jié)穸然貧w預設范圍之內,實驗記錄如表4所列.從圖12與表4可知,所設計的溫濕度智能控制系統(tǒng)在濕度低于下限數(shù)值時,有效地實現(xiàn)對濕度數(shù)值的調節(jié)控制.

表4 濕度下限報警控制實驗記錄

(c)時刻3

(d)時刻4

(f)時刻6圖12 通風環(huán)境下不同時刻檢測結果

綜合以上實驗及數(shù)據(jù)可知:所設計系統(tǒng)能夠達到功能需求,有效地實現(xiàn)了4種不同情況的模擬實驗.當溫濕度超出設定的閾值范圍時,所設計系統(tǒng)通過驅動相關執(zhí)行模塊調節(jié)系統(tǒng)參數(shù),使其恢復到設定閾值的范圍內,保證了模擬農業(yè)大棚空氣溫濕度信息的恒定,進一步驗證了系統(tǒng)的可行性與有效性.

4 結語

通過對農業(yè)大棚空氣溫濕度智能控制系統(tǒng)的需求分析,本文采用STC89C51單片機為核心,設計了硬件系統(tǒng)結構,然后為不同模塊設計了軟件以驅動該系統(tǒng)正常工作.最后,通過軟件仿真測試了系統(tǒng)可正常運行,并制作實物分別進行4種情況的模擬實驗,結果表明,所設計的系統(tǒng)可有效檢測溫度與濕度的變化情況,當相關數(shù)值超限時,驅動執(zhí)行模塊可調節(jié)相關數(shù)值使其恢復到穩(wěn)定狀態(tài),從而達到控制大棚棚內環(huán)境恒溫恒濕的效果.