基于單片機的南疆溫室大棚環境自動控制系統的設計

劉超峰，王憲磊

（1.新疆維吾爾自治區塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所，新疆庫爾勒841000；2.塔里木大學機械電氣化工程學院）

0 引言

近年來，南疆設施農業發展較快，主要以塑料溫室大棚為主，這類塑料大棚因投資較少，見效快，被廣泛采用，但在南疆惡劣的自然條件下，塑料大棚的運行帶來諸多困難，且自動化程度較低，人工作業量大，對農作物生長環境的控制精度不高，有必要探索適合于溫室大棚更好的自動化控制系統。

溫室大棚要實現更好的農業生產，最關鍵的是要實現對農業生產環境相關的一些參數進行檢測和控制。例如：空氣的濕度、溫度、二氧化碳含量、光照強度、土壤的含水量等，其中最關鍵的是控制溫度、濕度和光照[1]。溫室大棚溫濕度參數傳統的測量主要是利用溫度計、濕度表等進行人工測量，根據測量結果，對不符合生產要求的濕度和溫度等通過溫室大棚內部的降溫、灌溉等裝置來進行調整，這種人工控制的方法精度差、效率低、工作量大、可靠性不高。為了解決人工控制的種種問題，設計一套基于單片機控制的溫室大棚自動測控系統。

1 系統的設計思路

本自動化控制系統使用單片機為控制核心，由溫室大棚內的土壤濕度傳感器、空氣溫度傳感器、光照傳感器等采集數據后，經過模數輸入通道轉換后送入單片機系統，由單片機對輸入的數據進行分析和判斷，進行相應設備的啟停控制，達到控制大棚內各項參數的目的。同時在系統LCD上顯示實時參數，方便觀察。系統外接的鍵盤也可以實現人機對話，進行系統溫度值的設定等，以滿足不同作物對溫度的不同要求。

2 系統的硬件設計

本系統的硬件部分主要有信號采集、信號分析、信號處理3個部分組成。其中的信號采集是由溫度和濕度傳感器及光敏電阻組成；信號分析則由單片機核心系統組成；信號處理由LCD顯示屏及控制電路組成。以檢測土壤濕度為例，具體工作過程是單片機控制命令先檢測土壤的濕度，如果土壤的濕度過高，單片機控制打開排濕設備的繼電器，開始排濕作業，如果土壤的濕度過低，則單片機控制打開噴灌設備的繼電器，進行噴灌作業，如果剛開始系統檢測到土壤濕度在設定的合適范圍內，則系統維持現狀不變。整個系統的硬件原理如圖1。

2.1 單片機控制系統的設計

本系統選用AT89C52單片機，控制系統的工作步驟如下：單片機判斷環境溫濕度；若感應到的溫濕度異常，則進行調節；還要判斷溫濕度異常預設時間，若預設時間超出，則發出異常信號報警；單片機還要判斷溫濕度異常情況處理結果，如果處理完畢，則解除報警。這樣就可以利用單片機控制系統對溫室大棚進行日常管控，實現了溫室參數的檢測和控制，提高了溫室大棚管理的有效性和實時性。

2.2 溫濕度測量電路的設計

本設計的溫濕度控制采用DHT11數字溫濕度傳感器，它是一款具有校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有較強的穩定性和可靠性。由于DHT11溫濕度傳感器有較高的測量精度，硬件電路簡單，方便顯示，可以測試不同的環境溫度和濕度的特點[2]。此外，該傳感器與其他控制電路相連，可以實現與加濕和除濕電路的連接，實現控制參數的綜合自動化控制。溫濕度測量電路如圖2。

3 系統的控制軟件設計

3.1 溫濕度控制軟件的設計

首先，單片機控制系統啟動后，提示用戶輸入溫度的上限與下限值。用戶根據當前的作物生長需求、室外環境、室內實際環境運行情況，設定合適的溫度上下限值，輸入控制系統之后，系統自動求出中間值，控制系統會根據實際溫度的情況采取相應的溫度自動化控制方案。上限溫度62，下限溫度58，中間溫度60。

當溫室大棚當前的實際溫度值低于用戶給定的下限溫度值時，控制系統立即啟動報警裝置，且系統啟動升溫運行狀態，直到大棚內的實際溫度達到用戶輸入的上下限溫度的中間值一定區間內時停止升溫。反之，如果大棚實際溫度值高于用戶設定的上限值時，控制系統也會立即啟動報警裝置，并使系統處于降溫運行狀態，直到大棚內的實際溫度達到用戶輸入的上下限溫度的中間值一定區間內時停止降溫[3]。

溫度控制的具體流程如下：單片機系統檢測溫室的溫度現狀，當溫度過低時，通過單片機打開加熱器進行加熱工作，使溫度值達到適宜的范圍，當溫度過高時，單片機控制打開排氣扇進行降溫作業，當檢測到溫度在適宜范圍內時，將維持現狀，不發出溫度控制命令。

土壤濕度控制的具體流程如下：單片機通過濕度傳感器檢測溫室內的土壤濕度，當土壤濕度低時，就通過控制電路，打開噴灌設備進行一段時間的溫室大棚的土壤灌溉作業，以此提高土壤濕度；而當土壤濕度大時，則通過單片機控制排濕設備停止工作，維持土壤濕度現狀。若開始時控制系統檢測的土壤濕度在適宜范圍時，單片機將維持現有狀態，不發出濕度控制命令。土壤濕度控制軟件部分流程如圖3。

3.2 光照度控制設計

溫室內光照度主要靠控制溫室外頂棚上遮陽幕來實現，當溫室內光照度低于要求值時，單片機系統控制打開頂棚的遮陽幕，以增加光照度，當溫室內光照度高于上限時，通過控制關閉溫室頂部的遮陽幕，遮擋住陽光直射，減小光照度。若系統檢測到當前的光照度在設定的適宜范圍內時，確保遮陽幕不工作，維持現狀。

4 結語

本系統可以減輕溫室人工控制的不足，利用單片機實現了溫室自動控制，使溫室內的環境參數做到了分散控制和集中管理，提高了溫室的自動化控制和管理水平。特點主要體現在：

（1）控制管理可以實現更多的溫室同一地區的集中統一管理。

（2）系統實現管理和單獨的直接控制，不同參數檢測控制子系統相對獨立，可靠性較高。

（3）隨著農業溫室的發展控制環節的增加，系統可以很容易地擴展的結構和功能。

（4）系統成本低，性能穩定，經濟效益顯著，符合中國當前的國情，具有較好的應用前景。