蔬菜大棚環境監測儀的設計與制作

廣東海洋大學寸金學院 杜永峰 黃偉鈞 伲 坤 胡華健

本項目介紹了一種基于單片機的環境檢測儀的設計方案。該監測儀以STC89C51單片機為控制核心，通過光照傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器實現三路環境參數的采集，同時具有液晶顯示和鍵盤操作等人機交互功能，用手機APP進行同步顯示。測試結果表明，該監測儀測量結果精確，功耗低，操作靈活方便，基本滿足蔬菜大棚環境參數檢測的需求。

我國地大物博，物產豐富，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。因此農業生產在國民生產中占據了非常重要的地位。由于我國領土面積廣大，從南往北、從東到西，地理位置差異很大，氣候復雜多變的原因，因此對現代農業的要求越來越高。基本農業生產技術加現代智能控制技術相結合的智慧農業生產受到人們的青睞。農作物的生長條件是溫度、濕度、光照，對于這三個參數的有效調控已成為人們研究的進一步提高蔬菜品質、產量的重要方面，因此開發設計一款對溫室大棚室內溫度、濕度、光照等環境參數適用于多地區的環境檢測儀，對農業生產力的提高具有深遠影響。

1 系統設計的構想

基于51單片機的蔬菜大棚環境監測儀，通過手動模式的控制或者自動模式的智能判斷來改善蔬菜大棚內環境參數量的裝置。

本系統主要由供電、控制、檢測、人機交換等組成，包括BH1750光照檢測模塊電路、DHT11溫濕度模塊電路、按鍵設置電路、12864液晶顯示模塊電路、繼電器驅動模塊電路、聲光報警模塊電路、單片機最小系統等組成。控制模塊選擇STC89C51作為控制核心芯片，該系統如圖1所示為基于單片機的蔬菜大棚環境監測儀原理框圖。

圖1 基于單片機的蔬菜大棚環境監測儀原理框圖

該控制系統通過BH1750光照傳感器模塊檢測電路，DHT11溫濕度傳感器模塊檢測電路檢測蔬菜大棚內的環境參數，然后將這些環境參數量直接輸出到STC89C51單片機中進行數據處理并輸出。通過按鍵對溫度、濕度、光照進行上下限調節設置，并且保存在單片機內部，掉電保存，根據測得的數據執行相應的控制程序，當環境中溫度、濕度、光照任意一項不在設定閾值內，開啟繼電器模擬和蜂鳴器報警，從而實現對蔬菜大棚內的環境量的調節控制。

2 系統的硬件功能模塊的設計

2.1 DHT11溫濕度傳感器

本系統DHT11數字溫濕度傳感器由一個電阻式感濕元件和一個負溫度系數測溫元件構成。它輸出已校準的標準數字信號并直接與高性能8位單片機相連接。它的特點是連接電路簡單、體積極小、功耗極低、性價比極高、響應極高、抗干擾能力極強等優點。使其成為該類應用中，在苛刻應用場合的最佳選擇。產品為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位光強傳感器，是一種可以根據通過透光孔的光線強度變化，來調整輸出電平信號的集成芯片。它的高分辨率特點可以使它能夠感測比較大的光照強度變化。它的特點是：（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）輸出對于亮度的數字值；（4）感應光照的輸入范圍大，靈敏度高；（5）通過降低功率功能，實現低電流化；（6）通過50HZ/60HZ除光噪音功能實現穩定的測定；（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，識別能力強；（10）有兩種可選的I2C工作模式地址；（11）可調的測量結果影響較大的因素為光入口大小；（12）精度高最小誤差波動在正負20%等特點。

2.3 12864顯示電路模塊

本系統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，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；它可顯示顯示8×4行16×16點陣的漢字。也可完成圖形顯示。其顯示分辨率為128×64，內置8192個16×16點漢字，和128個16×8點ASCII字符集。它具有接口方式靈活、操作指令簡單、低電壓低功耗、體積小和可視面積大、性價比高等優點。

2.4 按鍵功能設置電路

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

2.5 聲光報警電路

本系統采用蜂鳴音報警電路。它的組成是由三極管、電阻、蜂鳴器等組成。當外部環境量超過預設值的時候，蜂鳴器聲光報警電路將發出燈光和響聲。

2.6 電源電路

本設計電路中，單片機、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構成，或者直接使用5V充電器直接給其模塊供電。

3 系統軟件程序設計

首先對系統進行初始化，然后采集溫室大棚內的光照，溫度和濕度信號環境量數字信號，再經過單片機計算處理后輸出控制信號，從而去使相應的繼電器驅動模塊進行動作，相應的負載啟動，改善光照、溫度和濕度，進而實現對蔬菜大棚環境量的監測和調節控制。

結論：本系統針對農作物生長所需要的溫度、濕度和光照三要素對其進行控制調節，將傳感器技術和單片機技術相結合，實現對蔬菜大棚室內環境參數監測和調節和控制。硬件電路設計過程采用模塊化設計思想，提高了系統的穩定性、可靠性、安全性。極高的性價比使其具有廣闊的應用前景和實用價值。