金針菇生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘" 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對于新鮮蔬菜和水果的需求也逐步增大，其中金針菇作為餐桌上必不可少的一種菌類，生長條件極為嚴苛。課題緊緊圍繞著金針菇生長環(huán)境中重要的溫度、濕度等參數(shù)指標開展系統(tǒng)的設計，以單片機為核心，選擇溫濕度、二氧化碳等傳感器和顯示元件，設計在線監(jiān)測系統(tǒng)，目的是實時監(jiān)測金針菇生長環(huán)境中的各種環(huán)境因子，為金針菇提供一個適宜的生長環(huán)境，從而來滿足人們對于金針菇的需求。

關鍵詞：金針菇；單片機；環(huán)境監(jiān)測；參數(shù)指標；傳感器

中圖分類號：TP23" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）20-0014-04

Abstract： With the development of social economy and the continuous improvement of people's living standards， the demand for fresh vegetables and fruits is also gradually increasing. Flammulina velutipes， as an indispensable fungus vegetable on the table， the growth conditions are extremely harsh. The subject closely focuses on the design of the system around the important parameters such as temperature and humidity in the growing environment of Flammulina velutipes. With single-chip microcomputer as the core， the on-line monitoring system is designed by selecting sensors and display elements such as temperature， humidity and carbon dioxide. The purpose is to real-time monitor various environmental factors in the growing environment of Flammulina velutipes， and to provide a suitable growth environment for Flammulina velutipes， so as to meet the needs of people for Flammulina velutipes.

Keywords： Flammulina velutipes; single chip microcomputer; environmental monitoring; parameter index; sensor

近年來，我國的農(nóng)業(yè)結構不斷地深入調(diào)整，其中金針菇的種植面積也越來越大，2018年我國的金針菇需求量為255.5萬t，2019年金針菇需求量為300萬t，可以看出人們對金針菇的需求量在不斷提高。本課題的設計是基于單片機對金針菇的生長環(huán)境進行監(jiān)測，通過對金針菇生長環(huán)境的相關指標進行測量，并實時顯示，種植人員根據(jù)指標做出相應的調(diào)整，如補充光照、通風、加濕等操作，不斷改善金針菇生長環(huán)境中的各項指標，使金針菇的生長環(huán)境達到最優(yōu)，設計出多功能的金針菇生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為金針菇的生長提供良好的保障[1-2]。

1" 系統(tǒng)設計方案

金針菇是一種菌類，對于生長環(huán)境有著很高的要求，通過查找相關文獻，金針菇對于空氣中的溫濕度的要求很高，在金針菇生長階段，空氣中的溫度和濕度在不同的范圍對金針菇的生長起到抑制或者促進作用。除此之外，還有金針菇生長過程中所要求的二氧化碳濃度和光照強度也有很嚴格的標準。因此，對于金針菇生長環(huán)境的監(jiān)測，重點監(jiān)測4個指標：溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度。硬件電路主要分為電源模塊、顯示電路模塊、溫濕度傳感器、光照傳感器和復位電路等部分。

以單片機為核心，利用傳感器采集數(shù)據(jù)，然后通過單片機內(nèi)部處理，最終通過液晶顯示，二極管和蜂鳴器則進行聲光報警。系統(tǒng)總體設計圖如圖1所示。

2" 系統(tǒng)模塊設計及硬件設計

2.1" 單片機模塊

52單片機還具有中斷功能，可以去識別程序優(yōu)先級。在單片機出現(xiàn)異常的時候，具有保護功能，內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息會被保存，然后停止工作。經(jīng)過對比分析，決定采用STC89C52RC單片機作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心。

2.2" 顯示界面模塊

LCD1602液晶顯示，有著很強的穩(wěn)定性，功能非常豐富，當需要的數(shù)據(jù)很多時，LCD1602液晶也可以滿足，顯示大量的數(shù)據(jù)，性價比高。

2.3" 溫濕度傳感器模塊

模擬量型溫濕度傳感器最常用的是DHT11，將環(huán)境中的溫濕度采集后轉換成電壓或者電流信號，具有性價比高的優(yōu)點。它的溫度測量范圍在-20～+60 ℃，測量精度在±2 ℃，測量的濕度范圍在20～95 ％RH，測量精度在±5 %RH。可以得到：在滿足金針菇生長環(huán)境測量的范圍下，應選用低成本、高效益的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。

2.4" 二氧化碳傳感器模塊

紅外二氧化碳傳感器主要是利用非色散紅外原理，對空氣中的二氧化碳進行測量，其對空氣中的氧氣沒有依賴性，最常用的是MH-Z14A。金針菇生長環(huán)境所需要的氧氣量必須充足，因此選用MH-Z14A紅外二氧化碳傳感器，準確檢測暖棚內(nèi)的二氧化碳含量，為金針菇種植人員提供重要的參數(shù)指標，便于合理調(diào)配，增產(chǎn)增收。

2.5" 光照強度傳感器模塊

GY-302數(shù)字式光照傳感器不區(qū)分環(huán)境光源，靈敏度高，對廣泛的光照進行測量，采用光電轉化，把采集的光照轉換為電壓值或者電流值。GY-302的光照度范圍為0～65 535 lx。GY-302型號的傳感器更適合監(jiān)測金針菇生長環(huán)境中的光照強度，GY-302不區(qū)分環(huán)境光源，對于環(huán)境中所接觸到的任何光源都可以進行采集，使得監(jiān)測出來的光照強度更準確，更具有說服力。因此，設計選用GY-302光照傳感器，對金針菇生長環(huán)境的光照強度進行監(jiān)測。

2.6" 硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)由單片機、傳感器、電源模塊、液晶和蜂鳴器等組成，主要以STC89C52單片機為核心，對電路模塊進行控制。然后由DHT11溫濕度傳感器、MH-Z14A二氧化碳傳感器和GY-302光照傳感器來測量金針菇生長環(huán)境中的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度，在單片機內(nèi)部將采集上來的電信號轉換成溫度等信號在顯示模塊上直接顯示，便于直接觀測相關指標，做出相應調(diào)整。當監(jiān)測環(huán)境中的指標大于或小于設定的范圍值時，會進行聲光報警，提示工作人員，及時調(diào)整[3-4]。硬件設計仿真圖和實物圖如圖2、圖3所示。

金針菇生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計以單片機為核心，使用溫濕度、二氧化碳、光照等多個傳感器及零部件搭建，最終實現(xiàn)對于金針菇生長環(huán)境監(jiān)測的目的，硬件清單見表1。

3" 軟件設計

3.1" 主程序模塊的設計

開啟電源，程序順利地運行。然后進行中斷，使程序進入初始化。之后3個傳感器順利進行工作，實時監(jiān)測金針菇生長環(huán)境中的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度，接下來判斷監(jiān)測到的數(shù)據(jù)是否在設定的范圍內(nèi)，若在則繼續(xù)進行檢測，反之則進行報警，繼續(xù)實時監(jiān)測。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

3.2" 子程序軟件設計

金針菇生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要用到3個傳感器，分別是溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和光照強度傳感器，則整個硬件電路可分為3個子部分，每個子部分按照所需要監(jiān)測的因子進行監(jiān)測和反饋[5-6]。

4" 實驗過程的結果及驗證

4.1" 溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)結果及驗證

溫濕度是金針菇生長的重要參數(shù)指標，適當?shù)臏貪穸扔欣诮疳樄降纳L，因此對于金針菇生長環(huán)境中的溫濕度監(jiān)測十分必要。設計采用溫濕度傳感器的型號是DHT11。DHT11在運行過程中接收環(huán)境中的溫度和濕度，并轉化為十六進制。DHT11接收的數(shù)據(jù)，僅整數(shù)數(shù)據(jù)為有效值。當溫濕度超出設定區(qū)間系統(tǒng)會發(fā)出報警，有關工作人員可以根據(jù)溫濕度顯示值適當進行升溫、通風等操作，提高或者降低溫濕度，給予適合金針菇生長的最佳溫濕度，溫濕度傳感器實驗結果見表2。

4.2" 二氧化碳傳感器的數(shù)據(jù)結果及驗證

二氧化碳是金針菇生長的重要參數(shù)指標，適當?shù)亩趸紳舛扔欣诮疳樄降纳L，因此對于金針菇生長環(huán)境中的二氧化碳監(jiān)測十分必要。設計采用的二氧化碳傳感器型號是MH-Z14H。它是通過發(fā)送命令，為9個字節(jié)，相對應的會返回值，也為9個字節(jié)。發(fā)送命令是固定的9個字節(jié)，返回值除Byte2、Byte3和Byte8，其他的也都是固定的。當二氧化碳濃度超出設定區(qū)間，系統(tǒng)會發(fā)出報警，有關工作人員根據(jù)二氧化碳顯示值進行通風等操作，給予適合金針菇生長的最佳二氧化碳濃度，二氧化碳傳感器實驗結果見表3。

4.3" 光照強度傳感器的數(shù)據(jù)結果及驗證

光照強度是金針菇生長的重要參數(shù)指標，適當?shù)墓庹諒姸扔欣诮疳樄降纳L，因此對于金針菇生長環(huán)境中的光照強度監(jiān)測十分必要。設計采用的光照強度傳感器型號是GY-302的傳感器。它是通過IIC總線發(fā)送和接收字節(jié)來得到光照強度，接收字節(jié)為7個，需要向左移除數(shù)據(jù)的最高位，然后選Byte1和Byte2，分別為High Byte和Low Byte，則光照強度可通過（High Byte+Low Byte）/1.2得到。當光照強度超出設定區(qū)間，系統(tǒng)會發(fā)出報警，有關工作人員可以根據(jù)光照強度顯示值適當增加光照或進行遮擋，給予適合金針菇生長的最佳光照強度，光照強度傳感器實驗結果見表4。

5" 結論

隨著人們生活水平的提高，對于新鮮蔬菜的需求也會增大，許多蔬菜和水果對于生長環(huán)境的要求非常嚴格，因此對于溫度、濕度、光照強度和土壤酸堿度等參數(shù)的監(jiān)測十分重要。論文以金針菇生長環(huán)境為背景，完成了對相關參數(shù)指標的在線監(jiān)測和超限報警，對于金針菇的生長具有重要作用，進而對提高金針菇的產(chǎn)量具有一定的推動作用，滿足人們對于金針菇的需求。同時也為其他暖棚內(nèi)的蔬菜水果生長提供了重要依據(jù)和參考，具有一定的研究價值。金針菇生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)引起了社會的廣泛關注，同時隨著科技的不斷發(fā)展，生長參數(shù)指標監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展會變得越來越好，并且能應用于更多更廣泛的領域，后續(xù)可以在傳感器無線通信、手機APP開發(fā)上，通過對手機實時查看生長指標數(shù)據(jù)、環(huán)境智能調(diào)節(jié)等方面的進一步研究，實現(xiàn)智能控制。

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