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摘要：随着农业科技和温室智能控制的飞速发展, 温室的自动化控制日益成为农业从业者的迫切需求, 而且对温室农作物的高产、优质和温室生产的高效性有着重大的现实意义。因此, 大棚温室自动控制系统的研究也逐渐成为农业科技发展的重点和热点。借鉴近几年传统温室控制系统的研究, 针对我国温室自动控制系统自动化程度低、不具有普及性的发展现状, 运用单片机和传感器技术, 设计一套对温室温湿度进行测控的较为实用的温室自动控制系统。
关键词：温室大棚; 单片机; 温湿度传感器; 自动控制系统;
Abstract：With rapid development of agricultural technology and intelligent control of greenhouses, automatic control of greenhouses is becoming an urgent need of agricultural practitioners. Moreover, it is of great practical significance for high yield, high quality and high efficiency of greenhouse production in greenhouse. Therefore, greenhouse automatic control system research has gradually become focus and hot spots of agricultural science and technology development. Based on the research of traditional greenhouse control system in recent years, aiming at low degree of automation and non-popularization of greenhouse automatic control system in our country, a greenhouse automatic control system for temperature and humidity control was designed.
Keyword：greenhouse; single chip; temperature and humidity sensor; automatic control system;
随着科技的进步, 温湿度监控系统逐渐得到发展。温湿度监控系统包含多个传感器和数模转换器, 相比于以前的人工测量与调整方法, 该方法可以迅速对温湿度进行检测与控制, 大大降低了劳动强度, 提升测量精度水平[1]。但在实际的操作和测量中, 逐渐出现了诸如仪器平稳性差、灵敏度较低等导致系统检测精度不够理想及系统可靠性和稳定性不足等现象。近年来, 计算机和单片机的广泛应用使得人们对温湿度检测的可靠性及稳定性的要求越来越高[2]。本文在此问题基础上, 结合温湿度监测系统的自动化程度及普及性, 设计了一套性能相对稳定、精度较高的温湿度监测系统。
1、系统设计思路及概况
温湿度自动控制系统将温湿度传感器的信号经过总线传递到单片机上进行处理与控制。单片机对数据进行处理后发出控制信息, 对执行模块的状态进行控制, 同时把监测到的温湿度发送到LCD设备进行显示。对多信号进行采集与显示并通过运算处理发出控制信号, 进而控制温湿度达到正常水平。
单片机及数字控制系统的优点是可以显着提升系统各方面的性能。该系统不仅可以应用于温室大棚, 还可以应用于食品加工、仓库和冶金等其他行业。该系统使用的是性价比较高的温湿度传感器和单片机, 具有测量准确、能耗低和维护简单等优点, 并且能够提高系统性能的稳定性和可靠性, 在实际的生产工作中具有一定的实用及参考价值。
2、系统相关结构设计
2.1、系统组成
温湿度自动控制系统的硬件结构包括传感器、单片机以及相关设备。传感器将测量到的物理信号转化为对应电压信号, 经处理后将其传递到ADC0809模数转换器。随后, 下位单片机AT89S51读取数模转换器中的信号, 再将数据经过总线485传送给具有显示功能的上位机。在设定的指令下, 上位机会根据相关信息进行相应的监测和控制操作, 并将操作信息送回到下位机。最后, 下位机通过操作指令控制相关设备, 实现喷灌以及通风装置运行, 另外, 这些操作也可以通过键盘进行强制控制。
2.2、测量功能实现
(1) 空气温度测量
可供选择的温度传感器很多, 本系统使用的是AD590温度传感器。该传感器将温度信号传输到0P07运算放大器后, 放大器对温度信号进行调整, 然后传送到ADC 0809模数转换器中, 并设为第1路信号。对传感器进行调整, 使其工作范围为20~50℃, 以适应温室大棚的环境要求, 另外, 测量精度为0.50℃, AD590温度传感器能够满足测量的相应要求。
(2) 空气湿度测量
对温室大棚内的湿度进行监测时, 使用H 104陶瓷湿度传感器。该传感器将相关信号送到ADC 0809模数转换器中, 并设为第2路信号使用。在H 104陶瓷湿度传感器中, 因为存在0.70%RH的温度系数, 所以信号的调理电路需要补偿温度后才能使用。在35%~85%RH范围内, 此传感器的测量精度可以达到2%RH。
3、硬件设计方案
3.1、系统工作原理和构成
温湿度自动控制系统主控CPU为AT89C52。外围电路中, 输入装置为键盘按钮、温湿度传感器, 输出装置包括步进电机、鼓风机、排气扇、LCD显示、循环风机和报警系统等。系统的硬件结构如图1所示。
图1 系统硬件结构
3.2、系统各部分电路
(1) 按键控制输入
按键控制输入采用“模式”、“+”和“-”3个按键输入方式对操作进行控制。设定模式为温度上限、温度下限、湿度上限和湿度下限, 这些模式与LCD液晶显示模块配合工作, 能够对参数进行相应的调整。退出模式设定显示温室大棚的环境温度和湿度。
(2) 温度湿度声报警装置
在实际的生产和工作中, 温度和湿度可能会超出传感器的设定范围, 此时单片机就会驱动蜂鸣器发出警报声, 提醒工作人员注意环境温度的变化。其实现途径为采用晶体管驱动压电式蜂鸣器[3]。
(3) 排气风扇装置
在温室大棚顶部安装循环风机, 当温度过高时开启, 将热气流从顶部排出, 以达到降温效果。此处可以采用一个或者多个300 W左右的轴流式循环风机, 达到排出热气流的目的。
(4) 加温装置
加温装置通过加热电热棒的形式增加热量, 来增加温室大棚的温度。
(5) 微控制单元
微控制单元的主控CPU采用AT89C52, 具有40个引脚及32个外部双向输入输出 (I0) 端口, 同时含有2个外中断口和3个16位的可编程定时计数器。其在功能模块上具有通用同步异步的接收发送器等。应用其进行单元控制能够简化外接电路, 且具有驱动能力强、能耗低的优点[4]。
(6) 水量控制装置
步进电机能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移, 在本水量控制装置系统中, 采取的是四相三拍步进电机。应用芯片ULN2003接收信号驱动步进电机。ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿陈列, 其灌电流可达500 m A, 因此, 其具有工作电压高、工作电流大等特点。另外, 通过控制步进电机的转角来控制水量大小[5]。
(7) 温湿度显示
温湿度显示模块采用1602字符型液晶进行显示。1602LCD是常用的性价比较高的显示屏, 有两行各16个字符的液晶模块。
4、软件设计方案
设计的温室大棚温湿度自动控制系统使用C语言进行编辑程序。在按键输入方面, 采用更加灵敏的中断响应控制方式, 根据工作人员通过按键输入的信息, 设定温度湿度范围。该系统在正常工作期间, 每隔一定时间会对温室大棚的温湿度进行检测, 判断其是否超出设定的温湿度范围。若超出范围, 则由报警装置发出报警信号, 同时将对应的执行模块启动, 直至相应数据回到设定范围内的正常值时, 执行模块停止工作。在对温湿度进行调整的同时, 系统还会将采集到的温湿度信息实时输出到LCD显示屏上。总体程序如图2所示。
图2 软件控制总体流程
5、结束语
设计了基于单片机控制的温室温湿度自动控制系统, 通过检测待测环境的温湿度的差值输入, 自动选择相应的控制模块进行相应的调整, 实现温室大棚温湿度的自动化控制。该系统实现了温度和湿度的自动化控制, 减轻生产的劳动负担, 提高大棚作物的生长质量。另外, 将该系统稍作改动之后, 还可以进一步应用到其他需要控制温湿度的空间中, 且具有良好的适应性和可操作性。
参考文献
[1]冯进宝, 吕龙龙.基于上位机的温室控制系统设计[J].信息通信, 2017 (2) :76-77.
[2]王冬梅, 路敬祎.基于单片机的温室大棚智能监控系统设计[J].内燃机与配件, 2017 (6) :6-8.Wang Dongmei, Lu Jingyi.Design of greenhouse intelligent monitoring system based on MCU[J].Internal Combustion Engine and Accessories, 2017 (6) :6-8.
[3]张红月, 程晓芳.基于单片机的大棚温湿度控制系统[J].电子世界, 2017 (5) :156-157.
[4]马东.基于单片机农业温室温湿度监控系统的设计[J].电子技术与软件工程, 2017 (6) :256-257.
[5]李锦杰, 费旭云, 毕松.基于PLC的温湿度智能控制系统设计[J].自动化应用, 2017 (4) :57-58