基于AT89C2051的溫室大棚氣象要素預警控制系統

周世新，尤 軍，李藝文，陳洪利

(1．遼寧省盤錦市氣象局，遼寧盤錦124010;2．山東省氣象局，山東濟南250031;

3．中國石油撫順石油化工公司教育培訓中心，遼寧撫順113015)

1 氣象要素微機控制概述

蔬菜大棚氣象要素監測預警系統是針對蔬菜大棚溫度濕度和大棚外大風監測而設計，同時也可用于糧食倉儲、冷庫及煙葉發酵等場合的溫度濕度監測。塑料大棚是開發日光資源、充分利用太陽光能的主要形式之一，為蔬菜生長創造一個良好環境。蔬菜大棚作為一個相對封閉的環境，其內部形成了一個小氣候環境，良好的空氣環境是蔬菜正常生長的重要條件。為了增產、增收，要注意大棚內部的氣體、溫度和濕度3個重要因素。氣體主要是指棚內的二氧化碳的含量。當空氣中的二氧化碳濃度提高到0．1%時，可使蔬菜的光合作用速率增加1倍以上，增產20% ～80%;若使二氧化碳濃度降至0．005%時，光合作用幾乎停止。蔬菜生長的適宜溫度為20～30℃。大棚內白天增溫快，當棚外平均氣溫為15℃時，棚內可達40～50℃。因此，要適時調節棚內溫度，避免高溫危害。塑料大棚經常處于密閉狀態，蒸發量大大減小，內部濕度一般在80% ～90%，濕度過大極易導致病蟲害的發生。目前對大棚內氣體、溫度和濕度的有效調節，主要是通過適時的通風來實現。二氧化碳含量過大和濕度過大都會導致溫度升高。通過調節溫度濕度可以有效地控制二氧化碳濃度。因此，對棚內溫度濕度的控制是非常重要的。該研究介紹的蔬菜大棚溫濕度監測預警控制系統，直接監測每個棚內不同部分的溫度濕度，通過對溫度濕度的良好控制，有效地提高蔬菜的產量。

2 系統硬件組成

2．1 系統的硬件組成 該系統是一個自動的蔬菜大棚溫度濕度檢測和棚外大風巡回檢測與預警控制系統，以AT89C2051單片微型計算機為核心，再加上外圍器件組成。主要組成部分如下:AT89C2051單片微型計算機，時鐘電路，復位電路，溫度傳感器，濕度傳感器，風速傳感器，LM339電壓比較器和外圍元件組成的溫度濕度大風檢測部分，由8050三極管及外圍元件組成的控制通風的繼電器，由9013三極管及外圍元件組成的報警電路，7805、7812穩壓電源等。它具有結構簡單、成本低廉、性能穩定、使用方便等特點［1］。

2．2 單片機AT89C2051簡介 AT89C2051是該系統的核心控制器件，它是一種低電壓、高性能的8位CMOS微型計算機，帶2K字節的閃存和可擦可編程只讀存儲器。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失性技術生產，與工業級MCS-51架構組相兼容。AT89C2051將一片通用的8位CPU與閃存集成在單塊芯片上，是一種功能強大的微型計算機，它為許多嵌入式控制提供了高靈活性低成本的解決方案。AT89C2051的標準特性如下:2K字節閃存，128字節RAM，15個I/O口，2個16位定時器/計數器，1個五矢量兩級中斷結構，1個全雙工串行通信口，1個精準模擬比較器、芯片級振蕩器和時鐘電路。另外，AT89C2051用靜態邏輯設計，可在低至0頻下工作，支持2種軟件可選節能模式。空閑模式下CPU不工作，而RAM、定時器/計數器、串口和中斷系統繼續工作［2］。

3 系統的硬件工作原理

3．1 系統原理 該系統作為一個自動的蔬菜大棚氣象要素巡回檢測與控制系統，主要由AT89C2051單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、通風控制繼電器及外圍元件、報警預警電路和穩壓電源等組成。自然界環境氣侯狀態變化，引起各溫度，濕度要素變化，使得相應的傳感器變化，進而使得相應的傳感器輸出的電信號產生變化。溫度、濕度要素的傳感器所感應到不同的電壓值，其中溫度傳感器采用PT-100鉑電阻，鉑電阻具有較高的穩定性和良好的復現性隨溫度變化，鉑電阻的阻值也發生變化，在一定測量范圍內，溫度和阻值呈線性關系，溫敏電阻與其他電阻組成的分壓網絡得到模擬電壓值送到電壓比較器的同相端，經過LM339電壓比較器和外圍元件組成的比較器與反相端接入的設定值進行比較后得出高低電平值，再送到AT89C2051單片微型計算機CPU判斷處理，發出相對應的控制指令輸出到放大器蜂鳴器發出報警信息，同時控制指令輸出到放大器繼電器電路及報警指示電路。同樣濕度傳感器采用濕敏電阻作為測濕傳感器，由于空氣濕度變化使濕敏電阻值改變，在一定測量范圍內，空氣相對濕度和濕敏電阻值是對應關系，濕敏電阻與其他電阻組成的分壓網絡得到模擬電壓值送到電壓比較器的同相端，經LM339電壓比較器和外圍元件組成的比較器與設定值進行比較后送到AT89C2051單片微型計算機CPU判斷處理，發出相對應的控制指令［3］。

風速檢測與溫濕度檢測原理類似，不再贅述。

3．2 溫濕度檢測電路 系統檢測電路的電壓比較器由LM339和外圍元件組成，其中電阻R1與正溫度系數溫敏電阻R3組成溫度檢測電路，電阻R2與可調電阻R4組成溫度設定電路，調整R4可設定不同的環境溫度值，當環境溫度小于設定溫度時A點電位低于B點電位，LM339輸出低電平送到CPU的P1．1端口，供CPU分析判斷。當環境溫度大于設定溫度時A點電位高于B點電位，LM339輸出高電平送到CPU的P1．1端口，供CPU分析判斷。溫濕度檢測電路見圖1。

當CPU的P1．1端口為低電平時，CPU由軟件控制循環檢測環境溫度，當CPU的P1．1端口為高電平時，CPU調用由軟件產生的發聲報警程序發出報警，同時CPU調用繼電器控制程序控制繼電器開啟通風降溫操作，直至蔬菜大棚內溫度與設定溫度相同時CPU內控制軟件終止通風降溫操作。環境濕度檢測電路和工作過程與溫度檢測電路和工作過程基本相同，只是把溫敏傳感器換成濕敏傳感器，LM339電壓比較器輸出端接CPU的P1．2端口即可。

3．3 風速檢測電路 風速檢測電路由風速傳感器，分壓電阻R7，可調電阻R8和電壓比較器LM339組成。當大棚外風速小于設定值時電壓比較器LM339同相端電壓值小于電壓比較器反相端電壓值電壓比較器輸出端輸出低電平，此低電平輸出到單片機P1．3端口供單片微型計算機分析判斷。當大棚外風速大于設定值時，電壓比較器LM339同相端電壓值高于電壓比較器反相端電壓值，電壓比較器輸出端輸出高電平，此高電平輸出到單片機P1．3端口供單片微型計算機分析判斷。風速檢測電路見圖2。

3．4 控制電路 如圖3所示，控制電路由反相器、CD4069、三極管8050及繼電器等組成。由CPU的P3．2端口輸出的低電平控制信號通過反相器CD4069反相后經限流電阻R6，三極管8050驅動后去驅動控制繼電器動作開啟通風操作，直至蔬菜大棚內溫度與設定溫度相同時CPU的P3．2端口輸出高電平終止通風降溫操作。

3．5 報警電路 如圖4所示，報警電路由限流電阻R5、三極管9013及蜂鳴器組成。由軟件編程形成的間歇音頻報警信號通過CPU的P3．1端口經9013驅動和蜂鳴器發出間歇音頻警報。

4 系統控制軟件

系統控制軟件是利用MCS-51單片微型計算機匯編指令集在KEIL集成環境下完成工程建立及匯編程序的輸入，原程序經過編譯后再通過MCS-51編程器寫入AT89C2051單片機的片內存儲器中。系統軟件運行流程見圖5。

［1］陳偉人．單片微型計算機原理及其應用［M］．北京:清華大學出版社，1994．

［2］王俊蜂．電子產品開發設計與制作［M］．北京:人民郵電出版社，2005．

［3］強錫富．傳感器［M］．北京:中國農業大學出版社，2001．