基于單片機的溫室環境控制系統設計

薄英男++陳恒峰++郭輝++高國民++王樺++蔣暢

摘要：我國溫室多為中小型塑料大棚，內部溫度、濕度等因素受自然環境影響較大。針對中小型塑料溫室大棚內的溫度、濕度調控問題，以單片機為控制中心設計溫室環境控制系統，提高控制精度及管理效率。

關鍵詞：單片機；控制系統；傳感器；溫度；濕度

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）05-0017-04

溫室栽培是我國北方地區冬季蔬菜瓜果的主要種植方式，能夠有效緩解冬季蔬菜瓜果供應壓力。我國現有的溫室多為中小型塑料大棚，內部溫度、濕度等因素受自然環境影響較大，如果不能及時調整，就會影響植物正常生長。目前，大部分溫室的溫度和濕度調節依靠手動設備，精度較差，且易造成資源浪費。通過溫室環境控制系統對溫室環境進行實時監測和控制，可以提高控制精度及管理效率，為作物生長提供適宜條件。

1 溫室環境控制系統設計方案

環境監控系統的設計是一項復雜工作，涉及知識面較廣，包含內容較多。系統設計主要包括硬件部分和軟件部分。

系統設計思路為：根據中小型塑料大棚環境監測的實際需求，用戶可通過液晶顯示屏對溫室內部的溫度濕度進行實時監測，并可進行環境參數設置，使溫室環境穩定在適宜植物生長的狀態。

2 溫室環境控制系統的硬件設計

硬件是環境控制系統的重要組成部分，主要包括控制器、傳感器、鍵盤設定、控制報警、顯示屏和程序下載電路。控制處理部分完成數據處理和外部設備控制；傳感器用于環境數據采集；鍵盤電路用于環境參數設定；控制報警電路控制溫室內部的調控設備及進行報警提示；顯示屏接口電路用于顯示環境監測值。

2.1 控制器電路

控制器是系統的核心部分，主要作用是數據處理、對外發布控制命令、協調系統各部分工作。工作時，控制器電路先讀取傳感器的檢測數據，并由顯示屏實時顯示，同時判斷檢測數據是否超出設定范圍。若超出設定范圍，則啟動控制電路和報警電路，對溫室環境進行調控和報警提示。

控制器選用STC89C51單片機，其價格低廉，具有較好穩定性，外部擴展功能強大。STC89C51單片機有多種封裝形式，系統使用雙列直插式，具有寬電壓輸入范圍，對輸入電壓的要求較低且功耗較小。STC89C51單片機需外接復位電路和時鐘電路。復位電路在啟動或運行出錯時提供復位信號；時鐘電路提供時鐘基準，保證正常工作。STC89C51控制器電路如圖1所示。

2.2 傳感器接口電路

系統選用傳感器DHT11來采集溫室內部溫度和濕度數據。是溫濕度復合型傳感器，精度較高，價格低廉。DHT11輸出數字信號，可直接與控制器進行連接，通過一根數據線進行數據串行傳輸。DHT11的接口電路如圖2所示，VDD接電源正極，NC為空管腳，進行懸空處理即可，DATA串行數據傳輸線，GND接地端。DHT11的供電電壓為3.0～5.5 V。為穩定傳感器與控制器之間的數據傳輸，需要在DATA管腳添加1個10 K上拉電阻。

2.3 鍵盤輸入電路

系統參數設定通過鍵盤完成，按鍵被賦予不同功能，通過各按鍵配合完成調控參數設定。鍵盤由3顆按鍵組成，第一個按鍵為功能按鍵，主要用于溫度和濕度設定之間切換；第二個按鍵和第三個按鍵主要用于溫濕度設定值調節。鍵盤輸入電路如圖3所示。

2.4 控制報警電路

控制部分主要管理溫室內部設備，根據單片機指令控制溫室設備工作。控制電路主要由開關三極管、續流二極管和繼電器等組成。三極管主要對單片機的控制信號進行功率放大，繼電器用于控制220 V用電設備的電源。報警部分的電路主要由開關三極管、發光二極管和蜂鳴器組成。開關三極管對控制器信號進行功率放大，蜂鳴器和發光二極管用于聲光等信號輸出。控制報警電路如圖4所示。

2.5 液晶屏顯示電路

選用1602液晶屏對溫室內部的環境信息進行顯示。1602液晶顯示屏結構小巧、耗電少、性價比較高，可以方便地進行字符和數字輸出。其接口電路如圖5所示。

2.6 程序下載電路

系統通過RS232串口電路進行程序下載，主要在單片機串口的TTL電平和232電平之間進行轉換。RS232串口電路如圖6所示。

3 溫室環境控制系統的軟件設計

系統程序的開發和調試由Keil軟件完成，程序開發采用C語言。系統程序分為主程序和子程序，主程序是系統程序的主體部分，通過不斷調用各子程序完成對硬件部分的控制。

系統主程序的流程圖如圖7所示。系統啟動后進入初始化狀態，此后主程序調用液晶顯示屏驅動程序，對環境參數的檢測界面進行設置；主程序根據用戶操作對溫室環境參數進行設定，并對溫室環境進行調控。

4 溫室環境控制系統仿真

系統設計完成后，在Proteus軟件內進行仿真，完成對系統設計的檢驗。Proteus軟件可以比較真實地反應電路的實際運行效果，并支持單片機加載程序進行仿真。在Proteus軟件內繪制系統仿真電路并進行仿真測試。通過對系統電路進行仿真，驗證系統對路設計是否合理。根據仿真效果對電路的設計進行修改，可有效提高系統的可靠性和精度。

5 結論

系統主要適用于中小型塑料溫室大棚，實現對溫室環境的實時監測和調控。系統設計以51系列單片機為控制中心，采用可靠性和性價比較高的傳感器進行環境數據傳輸，能夠有效降低系統成本。

參考文獻

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