基于多傳感器融合結合單片機在溫棚環境控制系統中的應用

楊柏松，熊建斌，2，鄭桂彬，鄒東興

（1.廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院，廣東 茂名，525000；2.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室 廣東 茂名，525000）

大棚溫室是一種可以改變植物生長環境，為植物生長創造優良的條件，避免遭遇季節變化和惡劣天氣影響的溫室。溫棚環境的關鍵技術是環境控制， 主要是對一些參數進行檢測與控制。 例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農業種植問題中，溫棚環境與生物的生長、發育、能量交換密切相關，進行環境測控是實現溫棚生產管理自動化、科學化的基本保證[2-6]。 在監測數據的分析的基礎上，結合作物生長發育規律，控制環境條件，使作物達到優質、高產、高效的栽培目的[1-3]。

目前, 國外的溫棚環境控制技術已經發展到計算機自動控制的現代高科技溫室,并已形成一定的標準[4-7]。 而我國的溫棚環境控制系統相對落后，尤其在溫棚環境自動控制方面，并且其只在大規模的農業溫棚環境中運用[2-5]。中、小規模的農業溫棚仍由大部分人工來操作檢測，其勞動強度大，無法實現溫濕度的精確控制。 結合近幾年來，運用在中、小規模的農業溫棚自動控制系統，其成本相對較高，性能不夠穩定，易受到環境等因素的影響，因此，得不到廣泛的運用[3-6]。

結合我國現應用在中、小規模溫棚環境自動控制系統的不足，設計出一套低成本、性能穩定、微型自動控制系統是當務之急。 因此，本文研究的是利用性價比高51 單片機的核心部件；通過搭建光強采集模塊、溫度采集模塊、濕度采集模塊和按鍵上下調溫控制模塊來監測溫棚室內影響植物生長的環境因素。 本溫棚環境控制系統能通過相應的傳感器檢測出當前溫度、濕度、光強等并能過LCD 顯示屏顯示，當溫棚室內的環境因素值不在設定的范圍內時，會出現報警提示，并自動反饋做出相應的處理。

1 控制系統方案設計

本溫棚自動控制系統中， 利用數字式溫濕度傳感器DHT11 采集溫濕度信息，光照傳感器BH1750FVI 采集光強參數并回傳給單片機， 單片機將模擬量處理之后的數據送給LCD1602 液晶顯示，以便相關工作人員直觀了解當前環境因素。 本系統默認溫度范圍設定為15～35℃， 濕度設定55%～75%，為了適應不同農業作物的適宜環境因素，可以通過鍵盤重新定義適宜農作物生長的環境因素。系統正常工作后，如果當前環境溫度不在設定范圍內， 則說明當前溫度不滿足工作需求，則單片機自動啟動負載電路，并根據當前溫度，若溫度小于15℃，開啟加熱燈補光增溫，以快速達到提高溫度效果。當環境實時溫度比所設定的溫度值高的時候， 通過溫風扇排氣導風降溫，以達到設定值；反之，從而達到一個自動控制的作用，整個系統形成一個閉環溫度值，濕度控制同理。

2 硬件系統設計

整個自動控制系統采用模塊化設計，主要有光照強度采集、溫度和濕度采集、LCD 顯示、增溫電路、降溫電路。 其用到的器件清單如下:

單片機芯片STC89C51、 排阻RESACK-8、 液晶顯示器LCD1602、 按鍵開關BUTTON、 指示燈LCD-RED、 二極管1N4001、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、光強傳感器BH1750FVI、 滑 動 變 阻 器3361P-1-102GLF、 排 氣 扇MOTOR、繼電器RELAY、電阻RES。對主要器件簡要說明如下：

2.1 單片機芯片STC89C51

STC89C51[8]是一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。 STC89C51 主要功能如下：

①一般控制應用的8 位單芯片

②晶片內部含有時鐘振蕩器 （傳統最高工作頻率可至12MHz）

③內部程式存儲器（ROM）為4KB

④內部數據存儲器（RAM）為128B

⑤外部程序存儲器可擴充至64KB

⑥外部數據存儲器可擴充至64KB

⑦32 條雙向輸入輸出線,且每條均可以單獨做I/O 的控制

⑧5 個中斷向量源

⑨2 組獨立的16 位定時器

⑩1 個全雙工串行通信端口

2.2 DHT11 溫濕度采集模塊

DHT11[9-10]數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器， 運用了數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，保證了產品的可靠性和卓越的長期穩定性。其基本參數如下:

表1 DHT11 溫濕度采集模塊基本參數Tab.1 The basic parameters of temperature and acquistion module of DHT11

2.3 BH1750FVI 光照強度采集模塊

BH1750FVI[11]是一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據收集的光線強度數據來進行環境監測， 其具有1lx-65535lx 的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。

2.4 溫度顯示模塊（LCD1602）

字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2 和40×2 行等的模塊[8]。

LCD1602 主要技術參數如下：

顯示容量:16×2 個字符

芯片工作電壓:4.5～5.5 V

工作電流:2.0mA(5.0 V)

模塊最佳工作電壓:5.0 V

字符尺寸:2.95×4.35(W×H) mm

2.5 按鍵模塊

在本設計中有三個獨立按鍵[12-13]，如圖1 所示；分別連接單片機的P2^5，P2^6，P2^7 I/O 口。其中S1 為菜單鍵。正常狀態顯示當前環境溫度信息如圖2 所示，按第一次菜單按鍵,進入限定最高溫度輸入模式，如圖3 所示；按第二次, 進入限定最低溫度輸入模式，如圖4 所示；按第三次結束循環,返回當前溫度顯示。S2 溫度上調按鍵，用于手動提高設定的數值，S3 溫度下調按鍵，用于手動降低設定的溫度數值。

圖1 按鍵電路連接圖Fig. 1 Key circuit connection diagram

圖2 當前溫度顯示界面Fig. 2 Display the current temperature

圖3 限定最高溫度輸入操作界面Fig. 3 Limiting the maximum temperature of the input interface

圖4 限定最低溫度輸入操作界面Fig. 4 Limit lowest temperature input interface

2.6 溫度自動控制模塊

本自動溫棚環境控制系統設計中將溫度默認設定為15～35 ℃。當環境溫度高于35 ℃時，單片機的I/0 口發出控制信號使繼電器控制強電系統啟動加熱電路； 當大棚內的環境溫度低于15 ℃時，單片機的信號控制繼電器啟動強電降溫電路。

3 實現及調試

3.1 主程序框圖

系統主程序框圖如圖5 所示，主程序主要包括以下幾個重要步驟：

①單片機初始化，對芯片內存工作參數進行使用前的初始化；

②程序讀取BH1750FVI 傳感器的光照強度；

③程序讀取DHT11 數字溫濕度傳感器的溫濕度；

從比較優勢理論角度來看，各國要素稟賦的差異導致的產品價格差異產生了國際貿易。凱恩斯的宏觀經濟理論提出收入變化將影響消費者的購買力，因此收入也是影響貿易需求的重要因素。根據需求彈性的相關定義和上述理論，中國乳制品進口需求主要受進口價格和消費者收入兩方面的影響。假設將中國乳制品年進口量Q作為模型的因變量，將經濟環境中影響乳制品進口的因素作為自變量，估計進口的需求價格彈性。

④程序判斷是否有手動輸入設定溫濕度控制范圍，若有，更新上下限溫濕度參數設定；若無，執行下一步的數據處理；

⑤判斷是否超過設定溫濕度，若超過溫度上限則啟動降溫濕模 塊，若沒有超過則繼續進行判斷；

⑥判斷是否低于設定溫濕度，若低于溫度下限則啟動加熱溫濕度模塊；

⑦若位于初始化設定溫濕度，則返回刷新實時溫度。

3.2 調試說明

本次系統的程序采用C 語言編寫，通過在Keil uVision3編寫，其過程如下：

圖5 主程序框圖Fig. 5 The main program block diagram

①創建一個項目，從器件庫選擇目標器件，配置工具設置。

③用項目管理器生成你的應用。

④修改源程序中的錯誤。

⑤程序修改完，通過編譯后，生成HES 文件，啟動Proteus仿真軟件畫好相應的電路圖，燒寫進HES 文件，進行相應的性能驗證。

本溫棚自動控制系統預先設定的室內溫度為15～35 ℃，當溫度傳感器檢測到此時溫度在此范圍內時，排氣扇、熱光燈不工作。 如下圖為溫度傳感器檢測到溫棚的溫度為28 ℃時，排氣扇、熱光燈不工作，同時液晶顯示屏顯示28 ℃。 如圖6 所示。

當溫度傳感器檢測到此時溫度為38 ℃時，報警器工作，同時排氣扇工作，通過抽風機向外排氣，以降低溫棚的溫度。 一段時間后，溫棚的室溫維持在預設的溫度內時，排氣扇停止工作。 如圖7 所示。

圖7 溫度過高狀態Fig. 7 High temperature state

當溫度傳感器檢測到此時溫度為12 ℃時， 報警器工作，同時高溫燈光工作，通過燈光發光來補充溫棚內的溫度。一段時間后，溫棚的室溫維持在預設的溫度內時，高溫燈光停止工作。 如圖8 所示。

圖8 溫度過低狀態Fig. 8 Low temperature condition

通過相應的溫度、濕度、光強相應的性能測試后，驗證本自動控制性能穩定，抗干擾能力強，不易受環境等因素的影響。

4 結論

針對我國現階段的農業溫棚環境自動控制系統大部分應用在大規模的農業溫棚中，中、小規模農業溫棚仍由大部分人工來檢測與控制，不僅效率低、精確度低，而且勞動強度大。為了進一步解決中、小規模農業溫棚由人工操作這種現狀，設計了由性價比高的51 單片機為核心， 通過搭建光強采集模塊、溫度采集模塊、濕度采集模塊和按鍵上下調溫控制模塊組成一種性能穩定、性價比高、體形小和便宜攜帶的溫棚自動控制系統。但由于溫度傳感器、濕度傳感器等在測取溫度、濕度、光強方面有一定延遲局限性，需要進一步研究。

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