基于單片機的煙草育苗大棚溫濕度監測系統設計*

李曉歌 ， 李 娜

（1.河南牧業經濟學院能源與智能工程學院，河南 鄭州 450000；2.漯河職業技術學院信息工程學院，河南 漯河 462000）

煙草是我國一種非常重要的經濟作物，育苗是整個煙草種植過程中極其重要的一個環節。溫濕度對煙草的育苗質量影響非常大。目前的育苗大棚，大多是通過用一些溫度或者濕度測試儀器，如溫度計、濕度試紙等，來對大棚內環境進行人工檢測[1]。這種檢測方法工作量非常大，而且檢測的時間受人為因素的影響較大，對棚內溫濕度的變化不能及時監測及調整。尤其隨著規模化種植逐漸成為趨勢，這種檢測方式的弊端就更成為急需解決的問題。

課題組將單片機技術、自動控制技術、無線通信技術、傳感器技術等應用到了煙草育苗中，設計一個監測控制系統[2]。以單片機為控制核心，監測煙草育苗大棚的實時溫濕度，把溫濕度數值顯示在液晶屏上，讓檢測人員不用進入育苗大棚就可觀察到溫濕度的實時數據。如果監測到溫濕度超過所設定的范圍，就會現場及遠程報警，以便于及時調整育苗大棚的溫濕度。

1 系統整體設計方案

通過對煙草育苗大棚的實地考察，與煙農交流，了解育苗的基本過程、育苗溫濕度控制關鍵點、大棚中溫濕度變化特點。在綜合考慮系統功能與成本的基礎之上，對系統進行了整體設計，基本框圖如圖1所示[3]。系統以STC89C51單片機為核心器件構成主控模塊，由溫濕度傳感器DHT11完成大棚內溫濕度數據的采集，將其傳輸到單片機，單片機分析并處理接收到的信號后發送到顯示模塊實時顯示。設置模塊用來設置溫濕度的上限值和下限值，溫濕度超出設置范圍時報警模塊報警，同時通過GSM通信模塊發送信息給管理人員。

圖1 系統框圖

1.1 主控模塊

主控模塊采用STC89C51單片機。STC89C51是一款使用非常廣泛的高性能CMOS 8位微控制器，具有4K字節系統可編程閃存，實際工作頻率可達48 MHz。控制器有27個通用I/O口，10位精度ADC功能，2個16 位定時器，在完全滿足功能需求的基礎上，具有較高的性價比。設計的單片機最小系統如圖2所示，最小系統主要包含單片機、電源電路、復位電路和振蕩電路。

圖2 單片機的最小系統圖

1）電源模塊為系統運行提供穩定的電壓，考慮到系統在田野戶外使用的特點，設計電源模塊為外接5 V直流電源輔助太陽能充電方式。充電模塊主要由太陽能板、可充電電池、升壓部分組成。充電電池3.7 V的電壓通過升壓部分升壓為5 V后可為整個系統供電[4]。

2）晶振電路由晶體振蕩器Y1和C3、C4構成的并聯諧振電路組成，為單片機提供基準時鐘信號，本系統采用內部時鐘方式。

3）復位電路采用上電自動復位和手動按鍵復位結合的方式。對于上電自動復位，應合理選擇R和C值使高電平至少維持兩個機器周期。一般URST大于3 V就能使單片機可靠復位，本設計復位電路中選用的電阻R11為10 kΩ，電容C1為10 μF，因此充放電電路的時間常數為100 ms，復位時間約等于0.511RC≈51 ms，對振蕩頻率為12 MHz，機器周期為1 μs的單片機，滿足復位時間的要求。

1.2 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器的選擇及布局需考慮要測量的溫濕度數據區間、測量面積的大小。煙草育苗目前大部分使用漂浮育苗，種子播種在填充了基質的深度為8 mm～10 mm的育苗托盤中，大棚底部有15 cm～18 cm的水，托盤漂浮于水中。在幼苗發芽之前，大棚中的溫度應該保持在20 ℃～22 ℃，空氣相對濕度保持為85%～87%。在幼苗長成大十字之前，大棚內部的溫度保持在22 ℃～24 ℃，相對空氣濕度為80%～84%。在幼苗長成大十字到移栽之前，大棚中的溫度保持在25 ℃～27 ℃，相對濕度為78%～82%。因此，煙草育苗棚的最佳生長環境溫度范圍為20 ℃～27 ℃，濕度范圍為78%～87%RH。DHT11溫度測量范圍是0～50 ℃，濕度是5%～95%RH，滿足溫濕度范圍[5]。本設計針對的對象為中小型育苗棚，棚的大小約為20.5 m×5.4 m×2 m，DHT11最大信號傳輸距離為20 m，兼顧到大棚的面積及溫濕度分布特點，給每個大棚均勻放置兩個溫濕度傳感器，放置在距離托盤10 cm處[6]。DHT11的電路圖如圖3所示，其中電源引腳VDD接5 V電源，引腳DATA與單片機的P1.0引腳連接，引腳NC懸空，GND為接地端。

圖3 DHT11電路圖

單片機通過P1.0引腳完成和DHT11的狀態交互和數據傳輸。總線空閑狀態為高電平，首先主機把總線拉低等待DHT11響應，拉低時間必須在18 ms以上，只有這樣DHT11才可以檢測到起始的信號。DHT11接收到主機的開始信號后拉低總線并發送80 μs低電平響應信號來告訴主機此時的DHT11正常，之后DHT11拉高總線80 μs左右，開始傳送數據。DHT11高低電平的長短決定了數據位是0還是1，并且每一位數據都以50 μs低電平時隙開始。數據“0”是拉低總線50 μs然后拉高總線25 μs；數據“1”是先拉低總線50 μs，然后再拉高總線70 μs。

1.3 顯示模塊

在本系統中所采用的液晶顯示模塊為 LCD1602，它是一種點陣液晶。該模塊界面簡潔、使用方便、功耗低，價格也很便宜。LCD可以顯示16×2個字符，本設計通過自動切換屏幕的方式顯示所有的數據[7]。

LCD1602的電路圖如圖4所示。8位數據總線DB0～DB7，連接單片機的I/O口，接收單片機傳輸的數據并顯示。本設計中LCD1602液晶顯示器的數據線與單片機STC89C51的接口P0.0～P0.7相連。有RS、R/W和E三個控制端口，RS是數據命令選擇端，與單片機接口P2.7相連，控制在高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器；R/W是讀寫選擇端，讀數據用于檢測液晶是否處于忙狀態，本系統程序用延時完成數據分時傳送，因此此端接地；E是使能信號，與單片機接口P2.6相連。

圖4 LCD1602模塊電路圖

1.4 報警模塊

系統報警模塊通過蜂鳴器和發光二極管分別實現聲音和光線報警。管理員設置溫濕度的上下限后，系統中的溫濕度傳感器模塊進行實時采樣，和設置值對比后，如果不在預設范圍內，系統會點亮相應的指示燈并驅動蜂鳴器報警[8]。

燈光報警電路如圖5所示，四個LED燈分別與單片機的P2.0、P2.2、P2.4、P2.5引腳相連，超限情況發生時對應引腳輸出低電平，對應的二極管點亮。第一個紅色LED1燈亮時代表溫度值過高，第一個綠色LED2燈亮代表溫度過低；當第二個紅色LED3燈亮時代表濕度值過高，第二個綠色LED4燈亮代表濕度過低。

圖5 報警燈電路圖

圖6 蜂鳴器電路圖

蜂鳴器電路如圖6所示，通過一個PNP型三極管驅動蜂鳴器，三極管基極與單片機的P3.2連接，當溫濕度超限時，此引腳輸出低電平，三極管導通，驅動蜂鳴器發聲。

1.5 通信模塊

通信模塊用GSM模塊實現溫濕度超限時給管理人員發送信息。系統選用的GSM模塊是SIM800L。SIM800L模塊的串口引腳是TTL電平，所以可以與單片機直接相連實現串口通信，單片機的TXD引腳與模塊的RXD連接，單片機的RXD與模塊的TXD連接，二者的GND在一起，就可實現單片機與模塊的通信[9]。模塊電路圖及與單片機的連接方式如圖7所示，其中 SIM-TXD引腳與單片機P3.0連接，SIMRXD與單片機P3.1連接。

圖7 SIM800L模塊電路圖

為實現中文信息發送，系統使用PDU模式發送短信，要實現短信發送功能，需要設置編碼格式，并根據該格式進行信息整理。首先要把漢字轉換為Unicode字符，然后把SMSC地址信息、地址格式、目標號碼、編碼方式、用戶信息等所有短信信息編排成PDU串，再加上相關格式說明，構成完整的信息串，然后通過串口發送。

1.6 設置模塊

設置模塊使用按鍵實現對溫濕度上下限的設置操作。設置模塊按鍵電路如圖8所示。模塊由S2、S3、S4三個按鍵組成，分別連接單片機的P1.1、P1.5、P1.6口。S2鍵按下進入數據設置狀態，通過在程序中所設置模式變量記錄的S2按下的次數，分別進入不同的設置模式。按下一次時模式值為一，進入設置溫度上限值模式；按下兩次時模式值為二，進入設置濕度上限值模式；按下三次時模式值為三，進入設置溫度下限值模式；按下四次時模式值為四，進入設置濕度下限值模式；按下五次時模式值歸零，進入初始顯示狀態。S3、S4按鍵在模式不為零時有效，根據模式值通過按下次數，按S3提高閾值，按S4降低閾值。

圖8 設置模塊按鍵電路圖

2 實驗結果

系統軟件在keil中調試通過后，配合Proteus仿真軟件來實現軟硬件聯調及仿真。仿真電路如圖9所示。在仿真實驗中，由于無法獲取真正環境的溫濕度值，溫濕度值的變化用直接設置兩個DHT11的溫度和濕度數據來模擬。先通過設置按鍵及加、減按鍵設置溫濕度的上下限值，然后設置兩個DHT11的溫濕值為各種可能的情況，可以觀察到對應的發光二極管和蜂鳴器的反應與預設的狀態相符，同時顯示器也可以正確顯示數據[10]。

圖9 仿真電路圖

通過仿真確認設計基本正確后，焊接實物進行模擬環境試驗，實物運行結果之一如圖10所示。模擬不同溫濕度環境，將溫濕度傳感器放置其中，可以觀察到所檢參數不在設置閾值范圍時系統能做出相應動作，發生報警時也能正確發送信息到指定手機。

圖10 實物運行結果

3 結論

課題組針對目前規模化種植環境下傳統煙草育苗大棚管理方式面臨的實際問題，在對煙草育苗設備、環境、環節及育苗各環節所需控制的溫濕度數據進行分析的基礎上，設計了可以實現自動實時監測、遠程報警的監測系統。文中對系統各個硬件電路的選型、設計及工作原理進行了詳細介紹，經仿真和實物測試檢驗了系統的準確性和可靠性。