多肉植物大棚環境控制系統設計

朱春馨，劉亞榮，謝曉蘭，覃彥之

（1.桂林理工大學 信息科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西桂林 541004）

近年來，多肉植物由于品種繁多、體態嬌小、形狀各異、適合設計各種微景觀等特點受到越來越多消費者的關注和喜愛[1-2]，為了滿足市場需求，多肉植物大棚應運而生。然而，多肉植物與普通花卉植物的養護存在很大區別，主要表現在生長溫度、澆水方法、光照和通風狀況等方面。如何科學有效地提升多肉植物的品質及觀賞價值是廣大多肉植物愛好者及多肉植物大棚管理者考慮的重要問題[3-4]。

該文以STC89C52 單片機為核心，考慮了多肉植物對環境溫濕度、通風條件、光照和土壤濕度等的特殊要求，設計實現了針對多肉植物的大棚環境控制系統，與普通花卉大棚控制系統相比，在溫濕度控制及通風、光照控制方面均有較大不同[5-10]。

1 系統硬件電路設計

1.1 多肉植物大棚環境監控系統結構框圖

多肉植物的養護與普通花卉的養護存在很大的差別，主要表現在生長溫度、通風條件、澆水方法、光照及配土方面[11-12]。

大多數多肉植物適合的生長溫度為15～28 ℃，溫度低于10 ℃或高于30 ℃，多肉植物停止生長或生長非常緩慢，基本進入休眠狀態。多肉植物在生長期的澆水需遵循“不干不澆，澆則澆透”的原則，而休眠期需要斷水或者只需給少量水[13]。悶熱潮濕的環境對多肉植物會造成致命的傷害，因此必須對其生長環境中的溫度和濕度進行實時采集，并采取措施加以控制。多肉植物對光照有一定的要求，生長期的多肉植物需要充足光照以避免其出現徒長現象；但當溫度較高時，剛澆過水的多肉植物一般需要避免陽光直射，以防多肉植物葉片被灼傷[14]。

基于以上問題，該文以STC89C52 單片機最小系統為核心，采用傳感器實時采集環境溫濕度和土壤濕度值，結合顯示模塊、按鍵模塊、通風模塊、遮陽模塊、補光模塊和澆水模塊，設計了多肉植物大棚環境控制系統，其框圖如圖1 所示[15-16]。

圖1 系統結構框圖

1.2 單片機最小系統

單片機最小系統為環境控制系統的核心，由STC98C52 單片機、電源電路、晶振電路、復位電路組成，如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統

電源電路采用5 V 的電源插座供電，快捷方便簡單。晶振電路采用11.059 2 MHz晶振和30 pF的陶片電容，保證單片機順利運行程序；復位電路由10 kΩ電阻和10 μF 的極性電解電容組成，使該系統接通電源即可實現自動復位；STC89C52 單片機的P0.0-P0.7 口外接上拉電阻；----EA 引腳接高電平，保證程序的正常運行。

1.3 澆水模塊電路

澆水模塊電路主要由土壤濕度傳感器和繼電器組成，如圖3 所示。土壤濕度傳感器，其端口分別為電源端口VCC、GND 和信號輸出端口DO、AO。DO端口輸出數字信號，AO 端口輸出模擬信號，經過模數轉換傳送到單片機進行處理，得到土壤濕度值。該系統所用模數轉換芯片為ADC0832，該芯片操作簡單，性價較高。繼電器通過小電流驅動功率較大的器件，同時又起到電路保護和隔離的作用。當土壤濕度低于所限定范圍的低閾值且大棚內的溫濕度處于所設定范圍時，繼電器吸合，開始澆水，當土壤濕度值達到所限定范圍的高閾值或者大棚內的溫濕度不在所設定的范圍內時，繼電器結束吸合，抽水泵停止工作。

圖3 澆水模塊電路

1.4 遮陽模塊和補光模塊電路

遮陽模塊主要包括光照傳感器、窗簾和指示燈，連接電路如圖4 所示。利用光敏電阻R4和ADC0832組成光照傳感器檢測大棚內的光照情況。光敏電阻R4的環境溫度為25 ℃。該型號的光敏電阻亮電阻為2～5 kΩ，暗電阻為0.2 MΩ，電阻值隨著光照強度的增加而減小，根據歐姆定理可知，R4的電阻越小，分得的電壓就越小，R6的電壓就越大，模擬電壓信號經過ADC0832 轉換成數字信號，然后通過I/O 口進入單片機，利用ULN2003 五線四相步進電機模塊來驅動窗簾。當光照強度高于或者低于所限定的范圍時，單片機驅動電機正轉或者反轉控制窗簾的開關從而達到遮陽的效果。二極管用作遮陽指示燈，顯示窗簾的開關狀態。當光照強度過低且窗簾已經處于拉上的狀態時，可以開啟補光燈，給多肉植物補光。

圖4 遮陽模塊電路

1.5 通風模塊電路

通風模塊電路主要由DHT11 溫濕度傳感器模塊和繼電器模塊構成。DHT11 溫濕度模塊三個引腳電源接口VCC、GND 和數據輸出端口OUT。VCC 和GND 外接3.3～5 V 電壓，OUT 數據端口帶上拉電阻，直接輸出數字信號，可直接連接單片機。電路如圖5所示。當溫度或者濕度高于所限定的值時，單片機就會通過繼電器驅動電機通風，起到除濕降溫的作用。

圖5 通風模塊電路

2 軟件程序設計

2.1 系統主程序

該文所設計系統上電后系統初始化，可以選擇是否設置環境參數閾值（溫濕度、土壤溫濕度、光照強度），閾值設定后，傳感器模塊開始實時采集環境溫濕度、土壤溫濕度和光照強度，并將采集量送入單片機實現不同模塊的控制，其流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

2.2 遮陽模塊和補光模塊程序

由于光照對多肉植物生長尤為重要，同時也是普通花卉與多肉植物的關鍵區別所在，因此遮陽模塊和補光模塊尤為重要，其工作流程圖如圖7所示。該系統初始化時窗簾處于開啟狀態，補光燈處于關閉狀態。當兩個模塊開始工作時，光照傳感器實時采集多肉植物大棚中的光照強度值，判斷光照強度是否處于設置范圍內。當光照強度大于預設高閾值時，驅動電機關閉窗簾進行遮陽；當光照強度低于所設閾值時，首先判斷窗簾是否處于遮陽狀態，若是，則打開窗簾，同時判斷此時光照強度是否仍然低于所設閾值，若是，則開啟補光燈進行補光。

圖7 遮陽系統程序流程圖

2.3 澆水模塊程序

澆水模塊工作流程嚴格按照多肉植物生長習性設置，不僅考慮土壤濕度值，同時還要兼顧環境溫度，當環境溫度過高或者過低時，即使土壤濕度達到了澆水的閾值，也不能對多肉植物進行澆水。

3 系統測試

3.1 測試內容

該系統實物如圖8 所示，根據功能可將系統分成遮陽、補光、澆水和通風四大模塊，分別對四大功能模塊進行逐一測試。

圖8 系統實物圖

澆水模塊測試：濕度越大數值越大，當土壤水分低于所規定的值且當前的溫濕度處于所規定范圍內，系統控制水泵開始進行澆水工作，當土壤濕度達到規定的值時或者溫濕度不在所規定的范圍內，停止澆水工作。

通風模塊測試：當溫度或者濕度高于規定值時，繼電器吸合，電機轉動，進行通風。新增的加熱指示燈也正常工作。

遮陽模塊測試：當窗簾指示燈亮，表示大棚的窗簾處于拉開的狀態；當光照強度低于所規定的值時，補光燈變亮；當光照強度高于所規定的值時，系統則將窗簾放下進行遮陽，窗簾指示燈則變暗。

3.2 測試結果

表1、表2 和表3 為功能測試部分結果。

表1 遮陽系統功能測試（當前光照強度5 000/lux）

表2 通風系統功能測試

表3 澆水系統功能測試（當前溫度29 ℃、濕度78%）

4 結束語

該文利用傳感器采集多肉植物大棚中環境的溫濕度、土壤濕度、光照強度值，結合按鍵模塊、通風模塊、遮陽模塊、補光模塊和澆水模塊，通過控制系統實現了多肉植物大棚環境中各參數的控制，有利于多肉植物的正常生長。該系統具有操作簡單、實用性強及性價比高的特點。