基于51單片機的蔬菜大棚智能監控灌溉系統

張馨月

為獲得更高質量與數量的大棚蔬菜，對蔬菜大棚種植進行規模化、智能化的全方位合理管理無疑成為一種可取的方式，因此提出一種基于51單片機的蔬菜大棚智能監控灌溉系統，該系統可根據監測到的土壤濕度、棚內溫度、光照、和二氧化碳濃度，通過數據分析控制對應裝置、發出相應警報提示并且顯示當前棚內環境情況。

【關鍵詞】51單片機 智能監控 智能灌溉 溫度 濕度 光照 二氧化碳濃度

1 引言

基于51單片機的蔬菜大棚智能監控灌溉系統，通過手動模式的控制的或者自動模式的智能判斷，控制器發出命令控制電磁閥和水泵的打開與關閉來達到灌溉的目的，使得灌溉方式更具靈活性。從影響植物生長的外界環境因素來看，合適的光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度都是植物良好生長的必要條件。因此想要得到高產量以及高質量的蔬菜，對蔬菜大棚內土壤濕度、棚內溫度、光照、和二氧化碳濃度進行檢測和控制是很有必要的。本系統通過PC上位機實現實時監控相關信息，土壤濕度、光照、二氧化碳濃度的AD采樣、棚內溫度以及時間的讀取都由控制器內部資源完成，該系統能夠大大減少勞動力投入，提高經濟效益，促進農業自動化、智能化的發展。

2 智能監控灌溉系統的組成

本系統以51系列單片機為核心控制器件，系統構架主要包括電源部分、單片機最小系統模塊、傳感器模塊、LCD顯示模塊等。系統總體架構如圖1所示。

3 功能模塊的設計與實現

3.1 傳感器模塊設計與實現

3.1.1 溫度傳感器的選擇及功能描述

本系統采用單總線數字化DS18B20溫度傳感器，其具有體積小、精度高、適用電壓寬、可組網、耐磨耐碰、使用方便、封裝形式多樣等優點，并將其以51單片機為控制器組成溫控系統。

用戶通過按鍵自定義溫度上下限閾值，并將上下限值與當前棚內溫度值在LCD液晶顯示器上進行顯示。若當前溫度超過上限值，則蜂鳴器以1秒間隔發出鳴響，并閃爍紅色LED燈，等待用戶或系統解除報警；若當前溫度低于下限值，則蜂鳴器不間斷鳴響，并閃爍紅色LED燈，等待用戶或系統解除報警；若當前溫度介于上下限閾值之間，則亮綠色LED燈，蜂鳴器不做任何提示。

3.1.2 濕度傳感器的選擇及功能描述

數據采集電路主要采用JZ-TDR3型土壤水分傳感器，該傳感器具有精度高、靈敏度高的特點，專門用于農田土壤水分的測量。

用戶通過按鍵自定義濕度下限閾值，并將上下限值與當前棚內溫度值在LCD液晶顯示器上進行顯示。在手動模式下，若當前濕度低于設定值，則蜂鳴器以0.5秒間隔鳴響，并閃爍橘黃色LED燈，等待人工解除報警。在自動模式下，若當前濕度低于設定閾值，則系統根據當前環境數據分析選擇需灌溉的水量并進行自動灌溉。

3.1.3 光照傳感器的選擇及功能描述

本系統采用光敏電阻對光照強度進行采集。但由于太陽光線具有的發散性，會導致各個電阻采集到的信號相差很小，無法判斷太陽方位，因此光敏電阻不能裸露安裝。利用光線直線傳播的特性，每個電阻都安裝在一個導光筒底部，這樣接收的光線將會最強。

若當前光照達不到最適合該植物生長所需的強度，則系統根據當前光照強度分析選擇所需光照時間并啟動農用鈉燈進行補光照射。用戶也可根據種植經驗自己手動開關補光燈控制補光時間，使農作物處于一個最適宜生長的棚內環境中，已達到高產量、高質量的效果。

3.1.4 二氧化碳濃度傳感器的選擇及功能描述

本系統采用S-100HCO2傳感器，S-100HCO2傳感器是一種光學式氣體傳感器，利用不同氣體會吸收不同波長的光，我們可以唯一確定出這一種氣體。

當系統整合出當前棚內二氧化碳濃度達不到植物一天內此時段所需的濃度時，系統會根據不同時段所需二氧化碳濃度的不同，選擇對應的增加二氧化碳濃度的方案。白天植物進行光合作用較強，所以此傳感器只在白天發生作用。系統根據合適的光照強度，自動計算出所需的二氧化碳濃度，分析選擇啟動二氧化碳發生裝置或選擇對大棚進行通風，達到所需濃度后，系統自動關閉二氧化碳發生裝置或關閉通風口。

3.2 顯示電路模塊選擇

本系統采用12864LCD液晶顯示器，其具有工作電壓低、微功耗、體積小、可視面積大、無電磁輻射、數字接口、壽命長等特點。

3.3 串口通信模塊

通過串口通信實現上位機PC端與單片機的良好通信，便于上位機處理單片機發送過來的數據以及上位機發送命令任務，以實現各功能模塊的與系統整機的聯系。

3.4 驅動模塊

本系統驅動模塊包括：按鍵、電磁閥和水泵灌溉裝置、LED和蜂鳴器電路、通風驅動裝置、二氧化碳發生裝置、農用鈉燈驅動裝置等，以配合系統達到給大棚蔬菜提供最適生長環境的目的。

4 結束語

由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度共同作用的蔬菜大棚智能監控灌溉系統，以51系列單片機為核心結合傳感器模塊和驅動器件組成，硬件電路簡單，系統成本較低，具有很高的實用性。通過此系統對蔬菜大棚實時監測和控制，保證蔬菜的良好生長環境，以獲得高質量及高收益的產量，對蔬菜大棚的手動、自動灌溉模式的選擇使得灌溉方式更具靈活性，減少了對人力資源的輸出，促進了農業的自動化發展，具有較高的經濟效益和社會效益，值得廣泛推行。

參考文獻

[1]濮少翔，周愷.智能灌溉系統的設計與實現[J].赤峰學院學報（自然科學版），2016（03）.

[2]劉柳，姚超.基于STC89C51與DS18B20溫度傳感器的溫控系統設計[J].電腦知識與技術，2015（06）.

作者單位

西華師范大學 四川省南充市 637000