基于DHT11傳感器的大棚燈光控制系統(tǒng)

梁寧欣

摘要：在溫室大棚農(nóng)作物的培養(yǎng)過(guò)程中，大棚內(nèi)的溫濕度環(huán)境直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況。利用DHT11溫濕度傳感器，設(shè)計(jì)了自主調(diào)節(jié)光強(qiáng)以恒定溫度的大棚燈光控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用DHT11作為探頭采集當(dāng)前大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而完成對(duì)大棚內(nèi)光照強(qiáng)度的控制。本系統(tǒng)以單片機(jī)STM32f103rbt6為中心器件，DHT11溫濕度傳感器為檢測(cè)單元，來(lái)設(shè)計(jì)大棚燈光自動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)當(dāng)前實(shí)際溫濕度情況通過(guò)STM32芯片調(diào)整點(diǎn)亮燈泡個(gè)數(shù)的恒溫功能。本文是基于SRT項(xiàng)目《基于Android平臺(tái)的農(nóng)場(chǎng)燈光WiFi控制系統(tǒng)》進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：溫濕度；DHT11；大棚燈光；STM32

0 引言

現(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)中，溫室大棚由于能夠充分吸收太陽(yáng)光為農(nóng)作物保溫，克服了農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中受季節(jié)變化與環(huán)境惡劣因素的影響，創(chuàng)造出最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境。目前溫室大棚恒溫主要通過(guò)人工燈源照明實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)燈源布線復(fù)雜且需要人工切斷電源進(jìn)行控制，操作不便，精度低，且不具智能性。本系統(tǒng)旨在對(duì)溫室中的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集各種照明信息，得出最適于農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度環(huán)境，從而自動(dòng)調(diào)整當(dāng)前大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)智能溫室控制。

1 DHT11溫濕度傳感器的概述

1.1 溫濕度傳感器簡(jiǎn)介

智能溫度傳感器問(wèn)世于20世紀(jì)90年代中期，是近代各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中獲取溫度信息的重要工具，在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)培育、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域極具重要性。目前，市場(chǎng)上已開發(fā)出多種將傳統(tǒng)的傳感器與各種微處理器相結(jié)合系列的智能溫度傳感器，通常內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D傳感器、信號(hào)處理器、寄存器和接口電路等等，并接入網(wǎng)絡(luò)或其它控制器，實(shí)現(xiàn)智能信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信號(hào)輸出等一系列功能。智能溫度傳感器再通過(guò)與各種微控制器的適配，利用軟件來(lái)輸出各種溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量。

而濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測(cè)量是上世紀(jì)90年代興起的行業(yè)，主要分為電阻式和電容式兩種，廣義上通常是指能直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的濕度檢測(cè)傳感器件或電路板，完成將濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的功能。近年來(lái)，濕度傳感器產(chǎn)品迅速地向集成化、智能化、檢測(cè)速度加快發(fā)展。

1.2 DHT11溫濕度傳感器的特點(diǎn)

DHT11是一款溫濕度一體化單總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字式傳感器，每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的溫濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，輸出為已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。該傳感器包含一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式測(cè)濕元件，通過(guò)與簡(jiǎn)單的電路相連即能夠?qū)崟r(shí)地準(zhǔn)確采集現(xiàn)場(chǎng)濕度和溫度。

該傳感器具有以下基本性能指標(biāo)：工作電壓范圍為3.5～5.5v，工作電流平均為0.5mA，溫度測(cè)量范圍為0～50℃，濕度測(cè)量范圍為20～90%RH，溫度分辨率為1℃（8位），濕度分辨率為1%RH（8位），采樣周期為1s。因此該產(chǎn)品有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用型強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，控制方便，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能管理。

2 DHT11的工作原理

2.1 DHT11的典型應(yīng)用電路

DHT11與微處理器的連接電路簡(jiǎn)單，與微處理器的通信通過(guò)一個(gè)I/O口即可以單總線方式進(jìn)行。該傳感器采用4針單排引腳封裝：1Pin為電源引腳（VDD），應(yīng)用時(shí)供電電壓通常為3～5.5vDC；2Pin為數(shù)據(jù)引腳（DATA），與微處理器之間信息以單總線數(shù)據(jù)格式傳輸；3Pin為空腳（NC），應(yīng)用時(shí)常為懸空狀態(tài)；4Pin為接地腳（GND），應(yīng)用時(shí)常接地或電源負(fù)極。當(dāng)DHT11傳感器與MCU通訊距離小于20m時(shí)使用5k上拉電阻，大于20m時(shí)則根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況選用適宜的上拉電阻值。

2.2 DHT11的通訊過(guò)程

DHT11傳感器常態(tài)有低功耗和高速模式兩種。通訊過(guò)程中，當(dāng)MCU發(fā)送開始信號(hào)前，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集，此時(shí)DHT11處于低速模式，總線狀態(tài)為高電平；當(dāng)MCU將總線拉低發(fā)送開始信號(hào)后等待DHT11響應(yīng)，拉低時(shí)間需大于18ms以保證傳感器檢測(cè)到開始信號(hào)，總線轉(zhuǎn)為低電平，DHT11進(jìn)入高速模式，并回復(fù)響應(yīng)信號(hào)約80us時(shí)間的高電平。此時(shí)通訊以高位先出的順序開始傳輸40位測(cè)量數(shù)據(jù)，分別是8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)及8位校驗(yàn)和數(shù)據(jù)。每一位數(shù)據(jù)均以50us低電平時(shí)隙開始，并且以高電平的時(shí)長(zhǎng)來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)位是0或1，待數(shù)據(jù)傳送完畢總線再由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用STM32系列的STM32f103rbt6作為處理單元。主要硬件設(shè)計(jì)電路圖傳感器部分為溫濕度采集模塊電路，處理器STM32f103rbt6及周圍的子系統(tǒng)電路，輸出電模塊電路用于8路燈泡輸出。DHT11將當(dāng)前采集到的大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)信息以數(shù)字形式傳送給單片機(jī)STM32，STM32將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算后輸出控制信息于I/O口對(duì)電磁繼電器來(lái)決定點(diǎn)亮燈泡的個(gè)數(shù)及強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚燈光的自動(dòng)控制，以此達(dá)到自動(dòng)控制大棚內(nèi)環(huán)境溫度的目的。

單片機(jī)采用STM32f103rbt6，是由于STM32系列的單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核，而STM32F103屬于32的“增強(qiáng)型”系列是同類單片機(jī)產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，時(shí)鐘頻率可達(dá)到72MHz，且其內(nèi)置32k到128k的閃存、功耗36mA是32位市場(chǎng)上功耗最小的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。相較于51系列的單片機(jī)，該系統(tǒng)采用STM32運(yùn)算速度是51單片機(jī)的幾十倍，大大提高了測(cè)量的精確度。

8路輸出模塊：通過(guò)電磁繼電器控制的8路輸出模塊連接的是8個(gè)燈泡，用于STM32控制點(diǎn)亮燈泡的個(gè)數(shù)來(lái)改變溫室大棚內(nèi)的作物生長(zhǎng)溫度。 4 大棚燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作狀態(tài)說(shuō)明

本系統(tǒng)的整個(gè)程序流程是首先上電，系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化如單片機(jī)、DHT11等初始化。初始化完成后再進(jìn)行延時(shí)一段時(shí)間，供DHT11傳感器采集數(shù)據(jù)，延時(shí)完成后進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)STM32，單片機(jī)進(jìn)行處理并判斷溫度和濕度是否超過(guò)設(shè)定值。若在設(shè)定值范圍內(nèi)，則繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序；若超出設(shè)定值范圍，則單片機(jī)執(zhí)行溫度處理程序，控制繼電器的輸出調(diào)整發(fā)亮燈泡的個(gè)數(shù)。

4.2 傳感器模塊程序設(shè)計(jì)

傳感器模塊負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)源的采集，首先數(shù)據(jù)口連接端（本系統(tǒng)采用P0.3口）P0.3輸出低電平，延時(shí)18ms之后P0.3輸出高電平，延時(shí)40ms之后，讀P0.3引腳是否為低電平，若不是低電平則繼續(xù)判斷，若是低電平則執(zhí)行判斷從機(jī)80us高電平是否結(jié)束，如果沒有結(jié)束就繼續(xù)判斷，若結(jié)束就進(jìn)行單片機(jī)數(shù)據(jù)接收，將接收到的數(shù)據(jù)按十進(jìn)制數(shù)位存入指定的數(shù)組中，數(shù)據(jù)采集結(jié)束并保持?jǐn)?shù)據(jù)采集持續(xù)進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)大棚農(nóng)作物培養(yǎng)管理過(guò)程中，為了降低人力成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，最大程度地創(chuàng)造出最適宜作物生長(zhǎng)的大棚溫度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)管理智能化是當(dāng)前農(nóng)業(yè)市場(chǎng)的主流與趨勢(shì)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于在大棚燈光控制系統(tǒng)中，采用了DHT11溫濕度數(shù)字信號(hào)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫濕度參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量。