基于單片機的蔬菜大棚智能控制系統設計

方輝，程權成

（渤海大學 工學院，遼寧 錦州 121001）

基于單片機的蔬菜大棚智能控制系統設計

方輝，程權成

（渤海大學 工學院，遼寧 錦州 121001）

針對目前溫室大棚系統科技水平低下的現象，設計基于單片機的智能溫室大棚控制系統，本系統通過AT89S51單片機，首先通過傳感器分別檢測溫室大棚內的光照強度、溫度以及土壤中的濕度，然后通過ADC0809將傳感器輸出的模擬信號轉換為可供單片機直接處理的數字信號，根據該信號自動執行對遮陽網、通風口和水泵的控制,以實現溫室大棚的智能控制。

溫室大棚；單片機；AT89S51；智能控制

溫室大棚作為一種農業技術，在農業生產中的作用非常重要，尤其是在冬季漫長的北方。光照強度、溫度以及土壤中的濕度等環境因素對蔬菜生產具有非常重要影響，然而單純的依靠人工管理并不能對出現的環境變化做出及時的處理，這不僅會影響到蔬菜的正常生長，同時人力資源的浪費也不可避免。對于溫室大棚的控制主要是對光照、溫度和土壤濕度等進行的檢測和控制，只有具備了適宜的生長環境才能實現蔬菜的高產。但是，目前大多數溫室大棚均未采用智能控制系統。鑒于上述分析，在溫室大棚智能控制方面存在很大提升空間，為此，本文設計了一種基于單片機的溫室大棚控制系統，實現溫室大棚的智能控制。

1 系統的整體框圖及實現原理

本系統主要包括光照檢測電路，溫度檢測電路，濕度檢測電路，AD模數轉換電路，單片機最小系統電路及輸出控制電路組成，如圖1所示.該控制系統首先通過光照檢測電路，溫度檢測電路，濕度檢測電路探測溫室大棚內的光照，溫度和濕度情況，該信號通過ADC0809芯片，將模擬的電信號轉化為數字信號，直接輸出到AT89S51單片機中，單片機根據測得的數據執行相應的控制程序，若光照太強，則打開遮陽網，若溫度過高，則打開通風口，若濕度過低，則啟動水泵，進而實現溫室大棚的智能控制。

圖1 系統硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

2 硬件電路

2.1 光照檢測電路

為降低成本，提高控制系統的性價比，采用光敏電阻構成的電路來檢測光照強度，光敏電阻的電阻值與光照強度相關，故在設計電路圖2中，光敏電阻的兩端會產生一個電壓信號[1-3]，該信號輸入LM339放大處理后輸出，經過TL084結型場效應管輸入運算放大器進行采樣保持濾波處理，該電路中的每一個運算放大器在單塊集成電路上使用了高電壓結型場效應管和雙極性管，兼容了更好的匹配性，具有漂移電壓溫度系數低，輸入基極電流和輸入漂移電流小，轉換速率高的特點。

2.2 溫度檢測電路

電阻溫度探測器(RTD)是最精確的傳感器之一，可用來測量-200～+850°C之間的溫度。這種RTD實際上是一根特殊的導體，通常呈繞線或者薄膜螺旋管的形狀，它的電阻值隨溫度變化而變化，有良好的線性和高溫穩定性[4]。RTD成本較低，但在使用時需要施加外部激勵，其應用電路如圖3所示。U1和U2采用低功耗MCP601運算放大器，該器件采用先進的CMOS技術，具有偏置電流低、運行速度快、開環增益高以及滿幅輸出等特點。Rw1，Rw2，Rw3表示導線電阻，U1的作用是抵消導線電阻帶來的測量誤差，U2起到提高增益和濾波作用。

圖2 光強檢測電路圖Fig.2 Light intensity detection circuit diagram

2.3 SEN0114土壤濕度傳感器

本系統使用SEN0114來判斷土壤中濕度的大小，使用時將其插入土壤，土壤濕度較小時，傳感器輸出值將減小，反之將增大。如圖4所示，RW表示土壤電阻，當土壤濕度傳感器探頭懸空時，三極管基極處于開路狀態，當插入土壤中時，隨著土壤中濕度的變換，土壤的電阻值就不同，三極管的基極就提供了隨土壤電阻值變化而導通的不同電流，經過發射極的下拉電阻后轉換成模擬的電壓，由2腳輸出。

圖3 溫度檢測電路圖Fig.3 The temperature detection circuit diagram

圖4 SEN0114土壤濕度傳感器電路圖Fig.4 SEN0114 sensor of soil humidity circuit diagram

2.4 ADC0809電路設計

由于光照，溫度和濕度的輸出信號均為模擬的電信號，不能供單片機直接處理，故需要ADC0809將模擬的電信號轉化為數字信號。將單片機的/RD和P2.7相或非后的控制信號接到 OE，故 ADC0809的控制地址為 7FFFH，選中ADC0809芯片后可由單片機的讀寫控制信號對其進行操作，其中，OE為允許輸出信號，上升沿有效.同時將START、ALE連接到一起，接收單片機/WR和P2.7相或非后的控制信號，其中，START為“啟動脈沖”輸入線，上升沿清零，下降沿啟動ADC0809工作，ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。將EOC經反相器反相后接入單片機的外部中斷1輸入引腳，A/D轉換結束時便產生一個中斷信號，單片機讀走轉換結果，其中，EOC為轉換結束輸出線，該線高電平表示AD轉換已結束[3，5-7]。地址輸入線分別為A、B、C，共3條，用于選擇IN0-IN7上哪一路模擬電壓送給比較器進行A/D轉換。本電路中A、B、C分別與D0、D1、D2相連。

圖5 ADC0809電路圖Fig.5 Circuit diagram

2.5 控制輸出電路設計

該電路的主要功能是根據測得的光強信號，溫度信號和土壤濕度信號分別對遮陽網，通風口和水泵進行控制，其中，遮陽網和通風口的開關由電機傳動實現。這里由單片機控制通過繼電器來實現對遮陽網電機，通風口電機和水泵的電源控制，進而實現其控制目標。

3 軟件設計

系統主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 The main porgram flow chart

主程序的流程設計如圖5所示，首先，對系統進行初始化，然后采集溫室大棚內的光照，溫度和濕度信號，通過A/D轉換程序對接收到的傳感器信號進行轉換，轉換后的數字信號經過單片機計算處理后輸出控制信號，實現對遮陽網，通風口及水泵的控制，進而實現溫室大棚的智能控制。

4 結論

針對溫室大棚控制，本系統有效結合傳感器技術和單片機控制技術[8-10]，能夠對光照，溫度以及濕度進行檢測，并實現對其的自動控制。硬件設計過程中采用模塊化設計思想，提高了系統的可靠性。本系統所用器件的選擇均已性能穩定、廉價為原則，故所需成本較低，具有較高的性價比。

[1]周 磊,高維璐,沈學浩.光敏電阻在一定光照條件下隨溫度變化的特性[J].實驗室研究與探索，2010,29(5):26-29. ZHOU Lei,GAO Wei-lu,SHEN Xue-hao.Characteristics of photosensitive resistance change with temperature under certain lighting conditions[J].Research and Exploration in Laboratory,2010,29(5):26-29.

[2]黃大勇,徐源,喬建良.基于AVR單片機的光敏電阻測試裝置的設計[J].儀表技術與傳感器，2009(7):81-83. HUANG DA-yong,XU Yuan,QIAO Jian-liang.Design of photosensitive resistance measurement device based on AVR MCU[J].Instrument an Technique d Sensor，2009(7):81-83.

[3]方 輝.基于AT89C52的智能照明控制系統設計 [J].渤海大學學報:自然科學版，2012,33(3):255-259. FANG Hui.Design of AT89C52－based smart lighting control system [J].Journal of Bohai University:Natural Science Edition,2012,33(3):255-259.

[4]宋瑞良,毛陸虹,郭維廉,等.用變溫法測量 RTD串聯電阻[J].半導體技術，2009,34(1):83-87. SONG Rui-liang,MAO Lu-hong,GUO Wei-lian,et al.Measurement of RTD series resistance by varying temperature method[J].Semiconductor Technology,2009,34(1):83-87.

[5]朱禮堯,王建中,王軼丞.機器人作戰平臺操控終端系統的設計[J].北京理工大學學報,2010,30(8):940-942. ZHU Li-yao,WANG Jian-Zhong,WANG Yi-cheng.Design on control terminal system of robot fighting platform[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology,2010,30(8): 940-942.

[6]張亞群,游亞戈,吳必軍，等.基于ADC0809的16通道數據采集系統[J].計算機工程,2010,36(13):222-226. ZHANG Ya-qun,YOU Ya-ge,WU Bi-jun，et al.16 Channels data acquisition system based on ADC0809[J].Computer Engineering,2010,36(13):222-226.

[7]蔣云志,周漢義,占小奇.一種單片機雙極模擬信號A/D轉換的電路設計[J].電子科技,2014(4):121-123. JIANG Yun-zhi;ZHOU Han-yi;ZHAN Xiao-qi.A single chip microcomputer bipolar analog signal A/D conversion circuit design[J].Electronic Science and Technology,2014(4):121-123.

[8]田祎,顏軍.智能溫室環境測控系統專用CPU設計[J].現代電子技術，2012(16):160-163. TIAN Yi,YAN Jun.Special CPU design of intelligent greenhouse environment control system[J].Modern Electronics Technique,2012(16):160-163.

[9]張曉暉.基于單片機控制的數顯質量測量儀設計[J].現代電子技術,2012(1):165-166,171. ZHANG Xiao-hui.Design of digital display quality measuring instrument based on single-chip microcomputer control[J]. Modern Electronics Technique,2012(1):165-166,171.

[10]陶炳坤,石龍宇,黃天辰,等.基于AT89S51和MAX038的函數信號發生器的設計[J].現代電子技術,2013(9):165-167. TAO Bing-kun,SHI Long-yu,HUANG Tian-chen，et al.The design of function signal generator based on AT89S51 and MAX038[J].Modern Electronics Technique,2013(9):165-167.

Design of the vegetable greenhouses smart control system based on MCU

FANG Hui，CHENG Quan-cheng
（The Engineering Institute of BoHai University,Jinzhou 121001,China）

A novel smart control strategy is proposed based on the MCU of AT89S51 for the phenomenon that vegetable greenhouses have low technology.During the whole system operation,the light intensity detection circuit detect the signal of lighting,temperature and moisture via the sensor.The detection signal can be transformed into the digital signal that can be processed directly by ADC0809,and the MCU can execute the sunshade net,vent and water pump control automatically by the sensor signal.Finally,the purpose of the vegetable greenhouses smart control can be realized.

vegetable greenhouses;SCM;AT89S51;smart control

TP399

A

1674－6236（2015）07-0001-03

2014-07-09 稿件編號：201407061

遼寧省社會科學基金（L12BTQ002）

方 輝(1980—)，男，遼寧鞍山人，碩士，實驗師。研究方向：自動化控制，計算機。