農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉明

摘 要 農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)主要由51系列單片機、12864液晶顯示屏、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、鍵盤、繼電器和電機等部分構(gòu)成。基于此，設(shè)計了溫濕度報警電路、電機驅(qū)動電路、電熱器驅(qū)動電路，實現(xiàn)了溫室大棚中溫度和灌溉的控制和報警系統(tǒng)，解決了農(nóng)業(yè)大棚人工控制測試的溫度誤差大、費時費力、效率低等問題。該系統(tǒng)運行可靠、成本低，具有電路簡單、顯示直觀、系統(tǒng)穩(wěn)定、采集方便、功能多樣、成本低廉等等許多優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞 STC89C52單片機；DS-18B20數(shù)字溫度傳感器；自動控制；自動檢測

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.32.032

1 背景與意義

我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展已有相當(dāng)長的歷史，農(nóng)作物的種植栽培技術(shù)早在2 000年前就已經(jīng)開始。隨著科技的發(fā)展，新型高科技的溫室不但可以解決很多不可避免的自然因素，而且大大減少了投入，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)值和環(huán)境的利用率。本設(shè)計以單片機為基礎(chǔ)，設(shè)計一種智能的溫巡檢設(shè)備，以達(dá)到自動化，從而改善農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境，為植物的生長發(fā)育創(chuàng)造出最佳的條件，最終提高作物產(chǎn)量、增加農(nóng)民收益。本設(shè)計需要了解單片機、溫度傳感器、電機、溫測量及控制等相關(guān)知識，利用單片機設(shè)計智能溫度控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器對溫室溫度的采集，然后將數(shù)據(jù)送入單片機，單片機對采集來的數(shù)據(jù)進行分析、處理，并通過執(zhí)行部件對溫室進行加溫、保溫、降溫，定時灌溉的處理[1]。本研究是自動化、智能化的體現(xiàn)，在今后的農(nóng)業(yè)中將有著無限的發(fā)展空間，在農(nóng)業(yè)大棚控制中將發(fā)揮巨大的推進作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 溫度控制

實時采集農(nóng)業(yè)大棚溫度參數(shù)，測量空間的溫度，由單片機對采集的溫濕度值進行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、顯示，實現(xiàn)溫濕度的智能檢測。

2.2 灌溉和蓄水控制

實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚定時灌溉，并且通過單片實時顯示灌溉量和蓄水量。

2.3 控制處理

當(dāng)溫度越限時報警，并根據(jù)報警信號提示采取一定手段控制，設(shè)定灌溉量和蓄水量，當(dāng)蓄水池的低于設(shè)定量時自動加水。

3 設(shè)計要求

農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)由灌溉控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、控制中心組成，各系統(tǒng)工作說明如下。

3.1 灌溉控制系統(tǒng)

灌溉控制系統(tǒng)包括蓄水池、加水、灌溉三個部分，1號電機正轉(zhuǎn)表示蓄水池正在加水、2號電機正轉(zhuǎn)表示蓄水池正在灌溉，根據(jù)電機轉(zhuǎn)動時間計算灌溉量[2]。

3.2 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)包含有室內(nèi)溫度檢測、室內(nèi)溫度加熱系統(tǒng)兩個部分。

3.3 信息顯示系統(tǒng)

用12864液晶顯示屏來顯示農(nóng)業(yè)大棚中的各種相關(guān)信息。顯示的信息包括：當(dāng)前時間、室內(nèi)溫度、設(shè)定的室內(nèi)溫度、蓄水池水量、設(shè)定的每次灌溉水量和農(nóng)業(yè)大棚的狀態(tài)信息，狀態(tài)信息包括“正常、注水、灌溉、加熱（加熱裝置在加熱時）”四種。

3.4 控制中心

控制中心主要是通過控制面板輸入各種控制指令使得農(nóng)業(yè)大棚執(zhí)行相應(yīng)的操作。控制中心由4×4鍵盤構(gòu)成，使用的是指令模塊中的矩陣鍵盤，該鍵盤按鍵及功能設(shè)置定義。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)以上總體設(shè)計和設(shè)計要求的討論后，可以開始著手硬件系統(tǒng)的設(shè)計，硬件系統(tǒng)是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)、軟件系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)，根據(jù)總體功能和性價比及其運行速度等因素的考慮。

4.1 STC89S52單片機

STC89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89S52使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器[3]。在單芯片上，STC89S52擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、更有效的解決方案。

4.2 DS18B20溫度傳感器

為了避免復(fù)雜的A/D轉(zhuǎn)換與放大電路，并且降低對單片機資源的占用以及成本問題，所以采用DS18B20單純數(shù)字溫度傳感器，更容易實現(xiàn)多點檢測。

4.3 液晶顯示器12864

液晶顯示（LCD）具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其他顯示器無法比擬的優(yōu)點，而點陣式LCD12864不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動，動畫功能，分區(qū)開窗口，反轉(zhuǎn)，閃爍等功能，用途十分廣泛。

4.4 矩陣鍵盤

在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。而且符合控制中心的控制要求。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思路，及整個系統(tǒng)的程序軟件由蘇多個獨立的子程序模塊組成，各個軟件系統(tǒng)可由主模塊、顯示模塊、控制模塊、溫度采集等模塊組成，每個模塊既相互獨立有相互聯(lián)系。

5.1 主程序設(shè)計

主程序是整個測控系統(tǒng)中最重要的程序，主程序的主要功能是實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、響應(yīng)中斷請求進而調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，主流程如圖1所示。

6 程序仿真

用PROTUES軟件對智能溫室系統(tǒng)的仿真測試如圖2所以，它是目前世界上最著名的EDA工具軟件之一，也是唯一將電路仿真、PCB設(shè)計和模擬模型仿真整合到一個軟件的設(shè)計平臺。本設(shè)計采用PROTUES進行仿真，電路簡單、測量精確，對于智能溫室對精確度要求較高的系統(tǒng)非常適合。

7 結(jié)語

通過本次設(shè)計，筆者發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實設(shè)計中還需要注意很多的細(xì)節(jié)，包括程序設(shè)計和硬件設(shè)計都需要十分細(xì)心，任何一個小地方的錯誤都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運行。在設(shè)計中的確出現(xiàn)了不少問題，在網(wǎng)絡(luò)和書籍查詢后，才完成了系統(tǒng)的仿真。但通過此次設(shè)計，讓筆者得到了很大的提高，認(rèn)識到自己很多的不足特別是在編程方面，以后會在這些方面提高自己。這次設(shè)計對于筆者的影響十分重大，掌握了很多更為專業(yè)、深刻的專業(yè)知識，對以后的工作也將有很大的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]何鵬.溫室環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].傳感器世界，2002，8（2）：8-11.

[2]李軍.51系列單片機高級實例開發(fā)指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[3]高偉.AT89單片機原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

（責(zé)任編輯：趙中正）