基于單片機的溫室大棚移動監測儀的硬件設計

竇悉絲，江鈺婷，于云霞，鄒 雪

（成都理工大學 信息與通信工程系，四川 成都 610059）

隨著科學技術的發展，我國的農業發展也取得了較好的成績，任何事情都有其兩面性，在取得進步的同時也凸顯出許多問題。第一個問題就是：我國是一個人口大國，自然資源豐富，但人均占有量少；第二個問題就是我國農業生產的科技含量低且生產成本高，普遍為家庭式生產，沒有形成規模化生產。

1 國內外研究現狀

中國可以算得上最早有溫室技術的國家，大多數溫室種植都使用的薄膜技術，薄膜很容易受環境的影響。20世紀末，我國從歐美、日等國家引進了一系列現代化溫室系統：加溫系統、濕簾降溫系統、灌溉系統、監測與集中控制系統等進行研究，正因為有了這些鋪墊，在2007年6月，我國第一套單井抽灌淺層地能溫室環境調控系統在中國農業科學院落成[1]。

荷蘭是世界上溫室生產最發達的國家，它的溫室主要用玻璃筑成，覆蓋面積廣，位居世界前列。美國根據自然環境的特點和開發的計算機控制與管理系統，對溫室內的土壤水的含量、溫度、空氣濕度、肥料、二氧化碳濃度等環境因子進行自動調控。日本是世界上果樹栽培面積最大且種植技術領先的國家，其研制的計算機控制系統能夠自動地檢測環境因子的變化，然后進行適當的調整；并且可以對采摘后的農作物進行清洗、篩選、包裝、保鮮等操作，全程自動化[2-4]。

2 系統結構及工作原理

系統框如圖1所示，首先，通過單片機編寫代碼設定溫濕度和光照強度的上下限值，然后按下遙控器相應的數碼，小車進行移動。到達指定地點后，溫濕度傳感器和光敏電阻傳感器開始采集數據，并通過模數轉換將采集后的數據送給單片機，單片機進行處理后將數據傳輸給顯示屏并顯示出來。當單片機檢測到數據值超過設定值就會驅動蜂鳴器報警[5]。

2.1 單片機的選擇

單片機發展歷史可分為3個階段：（1）在初始階段，因為工藝技術還比較初級，單片機采用的是雙片形式，功能也比較簡單，例如仙童公司生產的F8單片機。（2）低性能單片機階段。單片機片內集成有8位CPU，并行I/O口，8位定時計數器，RAM及ROM等，但是沒有串行口，中斷簡單。（3）高性能單片機階段。低成本，高性能，操作簡單，多型號，可滿足不同的需求。隨著經濟社會的發展，人們對微型控制器的需求量也不斷地在增加，單片機的應用滲透到人們生活的各個領域，比如各種儀表的控制、信息通訊、實時數據采集等，這也刺激了市場對單片機的生產，各個廠家的競爭也越來越激烈，從而有利于單片機制作工藝和性能的提高[6]。

圖1 系統框

2.2 LCD12864液晶模塊

液晶顯示屏有體積小、功耗小、操作簡單、成本低的優點。顯示屏的種類也有很多，有字符型、點陣型等，常用的是點陣型的。大多數單片機開發板上的顯示屏是LCD1602，顯示范圍太小，不能滿足實時顯示溫濕度、光照強度等數據的要求，因此選用LCD12864來滿足此類要求。LCD12864是一種具有8位/4位并行、3線或2線串行接口方式；其顯示分辨率為128×64，128個16×8點ASCII字符集，內置8192個16×16點漢字。該模塊接口方式可操作性強、靈活，方便執行指令，可全中文人機交換圖形界面。

2.3 聲光報警電路

當單片機系統檢測到環境溫度和濕度高于或小于某一設定值時，單片機發出信號驅動指示燈發光，同時蜂鳴器發出報警聲，當溫濕度處于正常范圍時，聲光報警解除。

2.4 智能遙控小車設計

2.4.1 總體思路

智能遙控小車由兩個主體部分組成：紅外遙控部分和智能控制部分。紅外遙控部分采用模塊化的遙控鍵盤作為發射端，一體化的HX1838作為接收端；智能部分以STC89C52單片機作為總控制中心，利用L293D電機驅動模塊控制直流電機，進而控制小車的轉彎、啟停、速度快慢。

2.4.2 紅外遙控模塊

紅外遙控分為接收和發射兩個部分，發射電路通過鍵盤、編碼調制將信號通過紅外線發送給接收器；由于信號很微弱，接收器接收到信號后會將其放大、濾除不需要的信號、整形后得到TTL電平的編碼信號，再傳送給單片機，單片機解碼后，發出相應的指令，控制相應的部分運轉。

紅外接收頭采用的是TL1838，有3個接線端：接地端、信號輸出端、供電端。

2.4.3 直流電機驅動模塊

單片機的輸出電流太小，而直流電機需要較大的驅動電流，因此需要電機驅動電路來配合單片機使電機正常運行。

L293D是專門為方便驅動電機而生產的芯片，此模塊輸入電壓可達36 V，工作電壓為5 V，輸出電流±600 mA，含有4個控制端，4個輸出端。A為輸入控制端，Y為輸出控制端，1A控制1Y，2A控制2Y，3A控制3Y，4A控制4Y，A=1時，Y輸出12伏；A=0時，Y輸出0 V。1,2EN和3,4EN使能端口需要短接，芯片最高工作電壓為7 V。

2.5 DHT22溫濕度傳感器介紹

溫濕度檢測可分別使用DS18B20溫度傳感器和HS1101濕度傳感器，但設計電路復雜，因此采用DHT22作為溫濕度檢測模塊。DHT22是一款單片智能數字化復合傳感器，它采用專用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，使傳感器具有高度的可靠性和長期穩定性。它包括一個能隙式測溫元件和一個電容式聚合體測濕元件，并與一個8位的單片機緊密相連，體積小、測量范圍廣、性價比高。可測0%～100%RH濕度，誤差±2%RH，-40 ～80℃，誤差±0.5 ℃。

2.6 光敏電阻傳感器介紹

光敏傳感器是將光信號變成電信號的半導體器件，實際上相當于一個PN結，和普通二極管相比，在結構上有些不同，為了增加入射光照的面積，PN結的面積比較大，電極面積比較小，在使用時需要一個與光接觸的窗口，當光線有明暗變化時，PN結自動導通或關閉。光照強度檢測，主要使用光敏傳感器模塊測量。該模塊主要由一個LM393電壓比較器和光敏電阻組成。本系統采用薄片式光敏電阻作為傳感器，入射光增強、電阻減小、入射光減弱、電阻增大，進而將光信號轉換為電信號，再通過電壓比較器轉換為高低電平輸送給單片機[7-8]。

3 測試結果分析

隨著測試環境溫度的上升，顯示屏顯示溫度數據也隨著上升；濕度呈現波動，基本維持在45RH%，比較符合常溫下室內濕度。有一點不足之處就是顯示屏反應速度有一點緩慢，在綜合考慮實驗室環境、硬件、軟件等條件下，監測結果能滿足設計的需要，但還需要在軟件和硬件上進行優化。隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值減小，光敏模塊輸出電壓減小。顯示屏顯示數據和實際測得的數據比較符合，存在一定的測量誤差，可能是因為在測量電壓時手指出現抖動或是硬件電路不夠完善，導致接觸不良。溫濕度模塊測試如圖2所示。

圖2 溫濕度模塊測試

4 結語

本次設計由于實驗室條件、知識、經驗和時間的不足，監測儀還有許多地方有待完善，實踐是檢驗真理的唯一標準，只有將監測儀放入生產中，不斷調試，才能了解系統所存在的問題，進而解決問題。隨著經濟的發展，我國越來越重視農業科技的發展，對科研的投入越來越多，傳統的農業生產效率低、受環境影響大，還需消耗大量的人力物力，隨著高新技術引入農業種植，未來的農業生產肯定會邁向集約化、高產、規模化、高水平道路。

[1]萬軍.基于單片機大棚溫濕度遠程監控的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[2]牛甲.基于模糊控制的溫室環境控制系統的研究[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[3]中華人民共和國農業部.農業部關于促進設施農業發展的意見[Z].〔2008〕3號.

[4]姚傳安.無線溫濕度測量傳感器網絡設計[J].計算機測量與控制，2007（2）：165-167.

[5]范茂軍.傳感器技術[M].北京：北京國防工業出版社，2008.

[6]馬斌，劉志輝.基于單片機的溫濕度監測系統的設計[J].新疆農業科技，2010（3）：87-92.

[7]王俊杰，曹麗.傳感器與檢測技術[M].北京：清華大學出版社，2011.

[8]張義和.例說51單片機[M].北京：人民郵電出版社，2010.