蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作

廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院 杜永峰 黃偉鈞 伲 坤 胡華健

本項(xiàng)目介紹了一種基于單片機(jī)的環(huán)境檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)測(cè)儀以STC89C51單片機(jī)為控制核心，通過光照傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)三路環(huán)境參數(shù)的采集，同時(shí)具有液晶顯示和鍵盤操作等人機(jī)交互功能，用手機(jī)APP進(jìn)行同步顯示。測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)儀測(cè)量結(jié)果精確，功耗低，操作靈活方便，基本滿足蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)檢測(cè)的需求。

我國地大物博，物產(chǎn)豐富，人口眾多，人們希望一年四季天天都能吃到所要吃的新鮮健康的綠色蔬菜。因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國民生產(chǎn)中占據(jù)了非常重要的地位。由于我國領(lǐng)土面積廣大，從南往北、從東到西，地理位置差異很大，氣候復(fù)雜多變的原因，因此對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求越來越高。基本農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)加現(xiàn)代智能控制技術(shù)相結(jié)合的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到人們的青睞。農(nóng)作物的生長(zhǎng)條件是溫度、濕度、光照，對(duì)于這三個(gè)參數(shù)的有效調(diào)控已成為人們研究的進(jìn)一步提高蔬菜品質(zhì)、產(chǎn)量的重要方面，因此開發(fā)設(shè)計(jì)一款對(duì)溫室大棚室內(nèi)溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)適用于多地區(qū)的環(huán)境檢測(cè)儀，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高具有深遠(yuǎn)影響。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)想

基于51單片機(jī)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，通過手動(dòng)模式的控制或者自動(dòng)模式的智能判斷來改善蔬菜大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)量的裝置。

本系統(tǒng)主要由供電、控制、檢測(cè)、人機(jī)交換等組成，包括BH1750光照檢測(cè)模塊電路、DHT11溫濕度模塊電路、按鍵設(shè)置電路、12864液晶顯示模塊電路、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路、聲光報(bào)警模塊電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成。控制模塊選擇STC89C51作為控制核心芯片，該系統(tǒng)如圖1所示為基于單片機(jī)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)儀原理框圖。

圖1 基于單片機(jī)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)儀原理框圖

該控制系統(tǒng)通過BH1750光照傳感器模塊檢測(cè)電路，DHT11溫濕度傳感器模塊檢測(cè)電路檢測(cè)蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，然后將這些環(huán)境參數(shù)量直接輸出到STC89C51單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出。通過按鍵對(duì)溫度、濕度、光照進(jìn)行上下限調(diào)節(jié)設(shè)置，并且保存在單片機(jī)內(nèi)部，掉電保存，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，當(dāng)環(huán)境中溫度、濕度、光照任意一項(xiàng)不在設(shè)定閾值內(nèi)，開啟繼電器模擬和蜂鳴器報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境量的調(diào)節(jié)控制。

2 系統(tǒng)的硬件功能模塊的設(shè)計(jì)

2.1 DHT11溫濕度傳感器

本系統(tǒng)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)測(cè)溫元件構(gòu)成。它輸出已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)并直接與高性能8位單片機(jī)相連接。它的特點(diǎn)是連接電路簡(jiǎn)單、體積極小、功耗極低、性價(jià)比極高、響應(yīng)極高、抗干擾能力極強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。使其成為該類應(yīng)用中，在苛刻應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

2.2 BH1750光照傳感器模塊

BH1750FVI是一種采用I2C總線接口的16位光強(qiáng)傳感器，是一種可以根據(jù)通過透光孔的光線強(qiáng)度變化，來調(diào)整輸出電平信號(hào)的集成芯片。它的高分辨率特點(diǎn)可以使它能夠感測(cè)比較大的光照強(qiáng)度變化。它的特點(diǎn)是：（1）支持I2C總線接口；（2）接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性；（3）輸出對(duì)于亮度的數(shù)字值；（4）感應(yīng)光照的輸入范圍大，靈敏度高；（5）通過降低功率功能，實(shí)現(xiàn)低電流化；（6）通過50HZ/60HZ除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)定；（7）支持1.8V邏輯輸入接口；（8）無需外接其他部件；（9）光源依賴性弱，識(shí)別能力強(qiáng)；（10）有兩種可選的I2C工作模式地址；（11）可調(diào)的測(cè)量結(jié)果影響較大的因素為光入口大小；（12）精度高最小誤差波動(dòng)在正負(fù)20%等特點(diǎn)。

2.3 12864顯示電路模塊

本系統(tǒng)采用帶有中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；它可顯示顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示。其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。它具有接口方式靈活、操作指令簡(jiǎn)單、低電壓低功耗、體積小和可視面積大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 按鍵功能設(shè)置電路

按鍵功能設(shè)置電路由三個(gè)按鍵組成。分別是功能設(shè)置鍵、增加鍵和減小鍵。功能鍵按一次進(jìn)行報(bào)警溫度上限值設(shè)置，此時(shí)設(shè)置H高溫報(bào)警溫度并閃爍顯示；按第二次進(jìn)行報(bào)警溫度下限設(shè)置，此時(shí)設(shè)置L低溫報(bào)警溫度并閃爍顯示；再按一次即第三次時(shí)，則恢復(fù)初始原有正常的溫度顯示界面。增加鍵可以對(duì)上限溫度或下限溫度進(jìn)行增大調(diào)整；減小鍵可以對(duì)上限溫度或下限溫度進(jìn)行減小調(diào)整；濕度和光照同理。這樣便可設(shè)置好溫濕度和光照的閾值。

2.5 聲光報(bào)警電路

本系統(tǒng)采用蜂鳴音報(bào)警電路。它的組成是由三極管、電阻、蜂鳴器等組成。當(dāng)外部環(huán)境量超過預(yù)設(shè)值的時(shí)候，蜂鳴器聲光報(bào)警電路將發(fā)出燈光和響聲。

2.6 電源電路

本設(shè)計(jì)電路中，單片機(jī)、液晶顯示模塊、傳感器模塊等由使用5V的電壓，因此直接用干電池串聯(lián)構(gòu)成，或者直接使用5V充電器直接給其模塊供電。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后采集溫室大棚內(nèi)的光照，溫度和濕度信號(hào)環(huán)境量數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算處理后輸出控制信號(hào)，從而去使相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行動(dòng)作，相應(yīng)的負(fù)載啟動(dòng)，改善光照、溫度和濕度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚環(huán)境量的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)控制。

結(jié)論：本系統(tǒng)針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的溫度、濕度和光照三要素對(duì)其進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，將傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)和控制。硬件電路設(shè)計(jì)過程采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性。極高的性價(jià)比使其具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。