基于ATmega8L智能農業溫室大棚檢測控制系統設計

文/馬東

我國土地遼闊，農業生產還比較落后，南北方農業耕作方式差異較大，特別是廣大北方地區，由于氣候環境等原因，適宜農作物生長的時間較短，農產品相對比較匱乏。隨著科技的進步，目前我國在農業自動化發展應用上還處于初級階段，跟西方發達國家相比較自動化水平較低，可人們對日常生活要求越來越高，不僅要求吃新鮮的蔬菜水果，而且更希望能在一年四季都能吃到。為了滿足人們對美好生活的需求，必須加快農業的現代化改造，溫室大棚的出現實施極大的提高了農業生產的方式，隨著溫室大棚的大規模建設，利用科學技術手段來實現溫室大棚的智能管理和控制，將會最大限度的提高農作物的生長周期，同時降低日常維護運營的成本。將對我國的農業現代化發展具有重要的意義。因此本人設計了基于ATmega8L單片機的智能農業溫室大棚檢測控制系統。

1 系統總體方案構思

本設計是基于ATmega8L單片機為核心來實現控制的智能溫室大棚檢測控制系統，該系統主要由信號檢測部分和控制處理部分組成。以此為基礎進行的模塊化設計，系統可分為6個模塊：LCD顯示系統模塊、鍵盤電路模塊、信號檢測模塊、通信模塊、控制處理模塊、防盜報警模塊。該系統首先檢測鍵盤電路，如果有信息輸入控制將直接執行，如果沒有鍵盤輸入信息，將通過對光照參數、CO2濃度參數、溫/濕度參數等數據信息進行采集對比判斷 ，同時通過LCD顯示系統輸出數據，這樣檢測人員就可以實時監控溫室大棚內農作物的環境情況，如果檢測到的數據超過所設定的上下限，則系統會自動產生相應的聲光報警。所有的檢測操作都可以通過主機控制軟件來實現。該系統可以實時、精確、可靠地對溫室大棚環境進行檢測和控制。系統方案框圖，如圖1所示。

圖1：系統方案框圖

2 系統硬件電路設計

該系統采用模塊化設計，這樣不僅方便了系統的軟件升級和擴展輔助功能 ，同時也可以根據用戶需求而定制和改造不同功能模塊，既方便了系統設計、維修和調試，也大大增強了系統的實用性。該系統在設計上采用上位機和下位機結構，上位機為微機系統，主要用于數據的集中管理和存儲。下位機為ATmega8L單片機控制器，實現溫室大棚內數據的采集和控制。下位機控制器可以實現系統獨立，即能脫離上位機獨立完成檢測、控制和顯示報警等功能。

本系統通信接口采用RS232與上位機相連接，可以設置自動記錄溫室大棚內溫/濕度等的相關參數信息，例如通過多個DHT11溫濕度傳感器采集不同地點的環境數據，并用LCD實時顯示程序中設置所需的溫濕度，若顯示的環境數據超過設置值，則通過防盜報警系統報警。也可以設置每隔一定的時間進行溫度和濕度的采集，同時上傳到上位機，以供查詢。該系統結構簡單易于實現。

2.1 控制器主芯片

控制器是系統的核心大腦，對電路的檢測和控制至關重要。由于溫室大棚的內部環境比較潮濕，而且晝夜間的溫度差異較大，從溫室大棚環境監控對處理器的要求和性價比方面考慮，選擇AVR系列單片機ATmega8L。ATmega8L是基于增強型的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS控制器，ATmega8L單片機的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減監控系統在功耗和數據處理之間的矛盾。另外ATmega8L單片機還具有一整套的編程與系統開發工具，這樣更方便系統軟件的編寫與調試。

圖2：溫濕度檢測電路

圖5：聲光防盜報警電路

2.2 溫濕度檢測系統

圖6：主程序流程圖

溫室大棚內農作物的生長要求就是溫室大棚的環境指標，不同的農作物溫濕度要求也大有不同，一般來說，對于農業溫室大棚的空氣溫度有效范圍在0℃～50℃，濕度有效范圍在30%～90%。這樣更有利于農作物的生長。由于溫室大棚面積較大，為了能夠更準確測量環境，要求安裝多個傳感器。本設計中選擇DHT11數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器。它具有專用的溫濕度傳感技術和數字模塊采集技術，具有極高的穩定性與可靠性。傳感器內部包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件。不需要通過 A/D 進行轉換即可得到信息數據。傳感器最好安裝在溫室大棚或畜禽舍中空氣流通比較好的遮陽處，防止由于空氣流通差導致的局部小氣候現象。溫濕度檢測電路如圖2所示。

2.3 光照強度采集系統

由于我國地域遼闊，特別是北方地區冬夏溫差較大。為了能夠適合更廣大的地域。本設計利用了光敏電阻來代替光照強度傳感器。因為光敏電阻采集到的是模擬信號，所以需要對信號進行轉換。在信號轉換方面，本設計選用了ADC0832將模擬信號轉換為數字信號。通過ADC8032連接到單片機的P1.1，P1.2，P1.3口，將采集到光照強度信息輸入到單片機內，由單片機將采集到的光照信號分為5個等級，5為最高等級，依次遞減，單片機采用中斷方式對信息進行處理。光照強度采集電路如圖3所示。

2.4 LCD系統顯示系統

在顯示系統中，一般的數據顯示終端有兩大類：一是采用LED數碼管顯示，二是采用LCD顯示。根據本系統的設計要求，選用自帶字庫的中文顯示模塊HG1286401C作為顯示器件，其顯示分辨率為128×64，內置8192個16*16點漢字能直接顯示漢字，字符和阿拉伯數字，顯示直觀，方便使用。同時可以通過外接電位器對顯示屏的亮度進行調整，單片機通過P0.0～P0.7分別與HGl286401C的D0～D7相連接，通過排阻R12為P0.0～P0.7各I/O口加上拉電阻。系統顯示電路如圖4所示。

2.5 聲光防盜報警系統

在溫室大棚的主要入口及周邊等，可以設置紅外傳感器或攝像頭，當監測到有未經允許進入的人或較大型動物進入時，傳感器可通過單片機通知上位機；并同時發出警報。報警電路主要由NPN三極管、限流電阻和蜂鳴器組成，NPN三極管集電極接+5V電源正極，基極通過限流電阻與單片機P2.3端口相接，發射極接地。聲光防盜報警電路如圖5所示。

2.6 通信互聯系統

該系統通過單片機接收數據信息，可以通過以太網、CAN總線或RS232等技術傳送給微機系統，并可以通過微機系統向單片機發出指令，實現遠程管理控制。本系統采用RS232接口實現遠距離串行傳輸數據。為了實現單片機與上位機計算機之間通訊，系統需要采用MAX232芯片進行電平轉換。

2.7 電源模塊電路

該系統電源由變壓器，橋式整流，濾波電容，和穩壓器7805構成。此直流電源具有精度高、穩定度好的特點。三端穩壓器是一種通用線性穩壓電源集成電路，具有成本低、性能好、工作可靠、使用方便等特點。

2.8 執行控制電路

執行控制電路是系統的主要控制處理環節，本系統根據溫室大棚環境參數采集系統獲取數據，同各類作物適宜環境參數進行數據對比判斷，當出現誤差時系統會驅動執行電路工作，如通風、加熱、遮陽、灌溉等。由于單片機的I/O口輸出電流較小，因此不能直接驅動電機等大功率負載，需要增加驅動環節。為了提高系統的耐用性與可靠性，采用光耦作為隔離器件，可選用晶閘管驅動電路，具有體積小、無器械接觸、便于安裝等優點。

3 系統軟件架構

該系統軟件的編寫采用適時性強Keil C51開發，采用模塊式結構設計，包括主程序模塊、檢測系統模塊、LCD 顯示程序模塊、執行程序模塊、預警與通訊模塊等。主程序流程描述如下，系統上電首先初始化各個端口，初始化所有傳感器，使傳感器處于正常工作狀態，然后系統檢測鍵盤是否有信息輸入，如果有輸入控制立即執行該操作并通過LCD顯示系統輸出。如果沒有鍵盤輸入，系統將依次檢測各個傳感器并讀取相關數據，如果傳感器數據在合理范圍將數據通過LCD顯示系統正常顯示輸出，如果數據異常，將立即執行聲光報警功能，實現報警的同時通過控制執行機構實現系統控制調節。然后系統返回重新讀取相關數據信息。實現對溫室大棚的環境進行全面檢測與控制，從而使得溫室大棚內農作物處于最佳生長的環境狀態。主程序流程圖如圖6所示。

4 總結

農業溫室大棚的環境是一個非常復雜的大系統，深入研究溫室大棚內部環境的控制方法，提高其智能化、自動化水平將對我國農業的發展具有重要的現實意義，使我國農業早日從粗放型向精細型農業方向轉變。本設計通過對ATmega8L單片機技術、傳感器技術、數據采集與數據處理技術等的綜合應用，針對我國農業溫室大棚智能檢測控制系統展開研究，通過模塊化設計思路，不僅降低了開發難度，同時也極大地提高了系統的穩定性和準確性。運用該系統適合中小規模溫室大棚或畜禽舍的升級改造的需求，該系統的優點是實用范圍廣、操作簡單、成本低、系統的靈活性強，在農業溫室大棚控制乃至農業生產自動化方面將具有廣闊的應用前景。