楊麗文　陳如清

【摘 要】隨著生活水平的提高，人們希望一年四季都能吃到新鮮的蔬菜，因此對(duì)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度、濕度和光照度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行合理有效的監(jiān)測(cè)和控制，成為溫室大棚進(jìn)一步提高的重要方面。以AT89C51單片機(jī)為核心，結(jié)合溫濕度傳感器、光照度傳感器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了這種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、鍵盤(pán)電路、液晶顯示和報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)用于對(duì)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，具有對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度和光照度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示等功能。具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】溫濕度傳感器；光照度傳感器；AT89C51單片機(jī)；環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國(guó)民生產(chǎn)中占據(jù)了重要的地位，隨著科技水平的提高、人們對(duì)生產(chǎn)生活物資需求的增加，溫室大棚的發(fā)展速度很快，大力發(fā)展溫室大棚成了近幾年的重點(diǎn)[1]。由于我國(guó)地理環(huán)境復(fù)雜氣候多變等多方面的原因，根據(jù)國(guó)外技術(shù)設(shè)計(jì)的溫室大棚系統(tǒng)不太符合我國(guó)實(shí)際，盡管?chē)?guó)內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究成果，但是在穩(wěn)定性、可靠性和可操作性方面依然不太理想，難以應(yīng)用推廣。為改變傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)評(píng)判的誤差大、反應(yīng)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)定性好、可靠性高、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于推廣的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的溫室大棚生產(chǎn)的需要[2-3]。

為了提高人們的生活水平，對(duì)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度、濕度和光照度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行合理有效的監(jiān)測(cè)和控制，成為溫室大棚進(jìn)一步提高的重要方面。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適合我國(guó)地理、氣候等方面特點(diǎn)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)溫室大棚生產(chǎn)力的提高、管理水平的提高，具有深遠(yuǎn)的意義。

1 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是通過(guò)溫濕度傳感器、光照度傳感器采集信號(hào)，內(nèi)部經(jīng)信號(hào)放大器放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò)LCD液晶顯示溫濕度和光照度。它包括了測(cè)量，顯示與控制三模塊，測(cè)量模塊是由溫濕度、光照度傳感器來(lái)完成的；顯示模塊是通過(guò)液晶顯示屏來(lái)顯示環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；控制模塊則是由單片機(jī)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)溫濕、光照度超過(guò)可控范圍時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

采用AT89C51單片機(jī)作為控制器。在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在時(shí)鐘電路中，C1、C2為負(fù)載電容。一般情況下，單片機(jī)的晶體振蕩為并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容器。根據(jù)晶體振蕩器廠家提供的晶振要求來(lái)對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行選值的，也就是說(shuō)，晶體振蕩器的頻率就是在他提供的負(fù)載電容下測(cè)得的，如此既能最大限度的保證頻率值的誤差，又能保證溫漂等誤差。所以?xún)蓚€(gè)電容的取值應(yīng)是相同的，或者說(shuō)相差不大，反之容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。振蕩頻率為12MHz，幅度為5V。輸出的信號(hào)與單片機(jī)的18，19腳相連。復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但其作用十分重要。它通過(guò)一個(gè)按鍵和一個(gè)極性電容并聯(lián)，接下拉電阻后接在單片機(jī)的引腳RST。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11和光照度傳感器來(lái)采集信號(hào)。溫濕度傳感器有SHT10、SHT11、SHT15型號(hào)，但要考慮使用環(huán)境、穩(wěn)定性、精度、價(jià)格等各方面問(wèn)題，因此綜合考慮以上因素，選擇型號(hào)SHT11。該傳感器由一個(gè)溫度傳感元件和濕度傳感器組成，并連接一個(gè)高性能的8位單片機(jī)。因此，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性?xún)r(jià)比很高。即使在惡劣的環(huán)境下應(yīng)用，也可以很好地傳輸，因此成為各種應(yīng)用的最佳選擇。SHT11的額定工作電壓在2.4-5.5V范圍區(qū)間內(nèi)，而一般供電電壓設(shè)定是3.3V，在25℃時(shí)測(cè)溫精度為±0.4℃，測(cè)濕精度為±3.0%RH。SCK用于微處理器與SHT11之間的通訊同步，DATA用于讀取傳感器數(shù)據(jù)。

根據(jù)溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的要求，選擇光照度傳感器GY-30，無(wú)需任何外部零件，光源的依賴(lài)性不大，其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的電壓及其電流信號(hào)，具有體積小、安裝方便、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)和量程可調(diào)的特點(diǎn)，廣泛用于環(huán)境、養(yǎng)殖、溫室和建筑等的光照強(qiáng)度測(cè)量[4-5]。

2.3 鍵盤(pán)電路

在實(shí)際運(yùn)用中，需要設(shè)置一個(gè)適合植物生長(zhǎng)的溫濕度、光照度范圍。當(dāng)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行需要人工干預(yù)時(shí)，鍵盤(pán)往往是一種最簡(jiǎn)單的干預(yù)途徑，利用鍵盤(pán)，人們可以很方便的實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或讓系統(tǒng)去執(zhí)行某一項(xiàng)命令。在此，系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)按鍵，通過(guò)這三個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置溫濕度、光照度的上下限數(shù)值。CPU的操作很快，因此這種抖動(dòng)就容易對(duì)按鍵的識(shí)別產(chǎn)生影響，為了防止因按鍵抖動(dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤操作，一般采取延時(shí)操作消除按鍵抖動(dòng)。

2.4 輸出模塊

1）液晶顯示電路。采用LCD1602液晶顯示屏，顯示系統(tǒng)采集到的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)需要進(jìn)行參數(shù)上下限調(diào)整時(shí)，顯示出參數(shù)的調(diào)整值?？梢哉{(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)顯示的亮度。2）報(bào)警電路。該系統(tǒng)采用三個(gè)發(fā)光二極管燈作為光報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)符合給定的要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)燈不顯示；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)不符合要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)做出相應(yīng)參數(shù)的報(bào)警。本設(shè)計(jì)采集監(jiān)測(cè)三個(gè)數(shù)據(jù)，設(shè)置了3個(gè)報(bào)警，更加容易分辨是哪個(gè)參數(shù)需要調(diào)整。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，在程序運(yùn)行的過(guò)程中必須先經(jīng)過(guò)初始化，包括鍵盤(pán)程序，中斷程序，以及各個(gè)控制端口的初始化工作。系統(tǒng)在初始化完成后就進(jìn)入溫濕度和光照度測(cè)量程序，實(shí)時(shí)的測(cè)量當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)顯示電路在LCD上顯示數(shù)據(jù)。程序中以中斷的方式來(lái)重新設(shè)定參數(shù)的上下限。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)完成對(duì)環(huán)境參數(shù)的控制。按下數(shù)值加鍵可以設(shè)定參數(shù)上限，按下數(shù)值減鍵可以設(shè)定參數(shù)下限。

4 結(jié)論

本環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是采用數(shù)字式溫濕度傳感器、光照度傳感器采集信息，送到單片機(jī)進(jìn)行控制溫濕度度和光照度的顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過(guò)外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫濕度和光照度的實(shí)時(shí)控制。若AT89C51內(nèi)存不足，由于引腳相同且功能沒(méi)有太大差別，可以改為AT89C52替換。在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，具有更高的性?xún)r(jià)比。

【參考文獻(xiàn)】

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[5]李毅，余少輝，周步洲.基于DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2009，1：11-13.

[責(zé)任編輯：湯靜]