基于單片機的溫室環境控制系統設計

摘要：在溫室種植管理中，傳統管理方式無法實現各項環境參數的精準控制，如空氣溫度、濕度等。鑒于此，文章提出一款基于單片機的溫室環境控制系統。該系統可以對溫室環境進行持續監管，營造良好的田間環境，進而提升農作物的生長效率。

關鍵詞：單片機；溫室環境；控制系統；設計

中圖分類號：TP312" 文獻標志碼：A

作者簡介：何兵（1981— ），男，講師，學士；研究方向：電子技術。

0" 引言

采用在溫室大棚中種植農作物的方式既可以使農作物增產、增收，還可以促進溫室大棚的節能效果，有效防控病蟲害問題，最終使種植經營者的經濟效益最大化。隨著科學技術的廣泛推廣和應用，在溫室大棚農作物的種植管理期間，有機結合科學技術措施具有可行性，有利于進一步提升農作物的種植效率。但對于科技化的溫室環境構建，還必須給出科學合理的設計方案，營造相對獨立的農作物生長環境，從而徹底擺脫傳統農業對自然環境的高度依賴。

1" 系統的設計思路

本文設計的溫室環境控制系統以單片機控制為核心，實現溫室環境中溫度、濕度等植物生長條件的自動化控制，由此起到替代人力、提高田間管理效率的作用。控制系統的檢測功能主要結合相關的傳感器實現，例如：濕度傳感器、空氣溫度傳感器、光照傳感器等。通過相關傳感器對溫室內部環境進行采集，所得信息再經過模數輸入通道轉換后送入單片機控制系統，由單片機對相關數據進行對比、分析，作出相應的判斷。根據判斷結果對溫室環境內的溫、濕度等參數進行調整，從而實現科學調整、控制大棚內各項自然參數的目標。

為了方便工作人員及時了解大棚環境，根據大棚環境的具體狀態，本文給出了切合實際的干預措施。例如：在系統中配備LCD顯示設備，以實時顯示大棚空間環境的各項實時參數。另外，為了便于工作人員對溫室環境的管理、控制，在系統中還配有遠程控制功能，相關工作人員可以遠程調節大棚溫室的溫度、濕度，進而保持良好的溫室環境［1］。

2" 單片機的選擇

根據溫室大棚溫度控制的實際需求，本文選擇AT89C51系列單片機，該類單片機集成了微處理器、存儲器、只讀程序存儲器、輸入/輸出電路、定時計數器、串行通信口、驅動電路、脈寬調制電路、鍵盤、LED顯示電路的擴展以及硬件時鐘電路等結構，從而構成一個結構小且功能性完善的計算機系統。這些結構能夠在程序控制下，準確、迅速、高效地執行程序，繼而完成預期設定的目標任務。例如，存儲器可以存放監控程序、采集程序、顯示程序、通信程序、自動控制設備程序等。相關程序的有機聯動，可以使溫室環境控制自動化，滿足植物的生長需求。與微處理器有所不同，單片機可單獨實現系統的智能化控制，這為系統設備的自動化運行提供了可靠保障，從而能夠有效應對一系列突發情況，例如，當主機設備出現故障、通信信號異常等情況時，單片機可基于程序自動化運作。因此，該單片機適用于本文提出的溫室環境自動化控制系統設計。

3" 基于單片機的溫室環境控制系統設計

3.1" 控制系統原理與結構設計

基于單片機的溫室環境控制系統結構主要由傳感器、控制器、人機界面、執行機構等部分組成。傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器等，用于采集各類數據；控制器用于自動控制相關設備，可以根據傳感器檢測到的各項數據進行智能化操控；人機界面主要是溫室環境控制系統的顯示單元，可以對溫室中的溫度、濕度、CO2濃度等進行實時顯示，與此同時，工作人員也可以通過人機界面進行溫室環境的個性化調整；執行機構主要用于對溫室內燈光、風機、水泵等進行控制，確保營造一個適宜的環境條件，提升農作物的生長發育效率。

就控制系統原理而言，其實質是一個小型分布式的數據采集、控制系統。在數據采集過程中，主要通過數據采集工作站中的相關傳感器進行環境溫度、濕度、CO2濃度的收集。數據采集工作站運行時，既可以根據實際情況獨立完成各種化工信息采集任務，又可以執行相關任務，如可以根據控制中心傳送的指令參數，啟動增降溫設備、加濕除濕設備、遮陽補光設備等，從而滿足溫室微氣候環境調整的要求?？刂葡到y還包括上位機，可以將工作站傳來的數據及時轉變為動態的在線數據，以曲線的方式進行顯示。系統中的相關數據能夠被及時存儲，一般可以保存一個生長季節的數據，相關數據可以作為資源進行統計、分析，通過分析結果可以對溫室控制的成果進行總結，以便工作人員對控制器進行優化改善［2］。

3.2" 傳感器的選擇

在基于單片機的溫室環境控制系統的設計過程中，合理選擇傳感器是確保溫室環境控制質量的關鍵。在具體的傳感器選擇過程中，研究人員主要從傳感器的測定范圍出發，保障傳感器的測定范圍有效，確保溫室環境溫度適宜；保障傳感器具有一定的靈敏性，及時感知溫室環境的變化。研究人員在選擇傳感器時，對比了多種型號的傳感器，最終選擇了性價比最佳的傳感器，包括DS18B20數字溫度傳感器、DHT11濕度傳感器、BH1750FVI數字光強度傳感器等。

3.3" 控制器的選擇

研究人員在進行溫室環境控制系統設計時，對控制器的選擇進行了深入分析。從實際需求出發，控制器應具備功能可靠性，能夠與單片機的溫室控制系統進行有機結合；同時該設備單元還應具備穩定性，如在長期投入使用過程中，控制器的功能應保持良好。基于上述需求，在控制器的選擇階段，研究人員對市面上的控制器型號、種類進行了深入的對比、分析，從最優性價比角度出發，選擇了適宜的控制器——ATmega328P控制器［3］。

3.4" 溫室系統控制方案設計

3.4.1" 溫室環境的控制

在溫室環境控制系統的設計階段，研發人員主要從控制對象、調節器2部分出發。在實際應用時，溫室控制系統須要具備穩定性、準確性、快速性，同時要使這3種性能平衡。若其穩定性過高，則其快速性會受到限制；若其快速性較強，則可能無法實現精準。鑒于此，針對溫室控制系統的設計，研究人員對調節器選擇進行了深入分析，考慮到監測對象的動態性變化，最終，從算法上進行了設計規劃，解決了溫室環境的控制問題。

3.4.2" 模糊控制

在溫室農作物的種植管理過程中，涉及多種因素的影響，包括溫度、濕度、光照度、CO2濃度等。而以上相關因素的變動也存在不可預知性，如在外界持續降雨的天氣下，必然會對溫室環境狀態造成沖擊。對于外界客觀環境的突發影響，溫室大棚種植管理者可以從經驗角度進行控制，包括雨后的及時通風、排濕以及室內的增溫等，從而為植物的生長創造一個適宜的環境。針對自動化控制，常規的自動化控制模式僅能基于室內特點給出有效的應對方式，對于突發的環境變化通常具有反應遲緩的現象，這并不利于大棚植物的健康成長。

考慮到這種問題，研究人員在具體的溫室環境控制系統設計中，給出了模糊控制方案。模糊控制方案是指仿人類思維，對相關復雜的生產過程進行擬定控制程序設計，進而提出模擬控制算法，通過模糊控制到輸出確切的控制值實現對系統的精細化控制［4］。

3.5" 系統軟件設計

軟件是溫室環境控制系統的主要控制平臺，結合實際需求，軟件控制主要包含2個部分：一部分是以單片機為核心的儀表、傳感器監控程序，該部分主要利用匯編語言進行編程，實現對溫室環境的監測、控制；另一部分為上位機可視化管理系統，該部分軟件程序主要使用Visual Basi C編程，軟件程序控制的側重點在于實現對各終端儀表的管控、協調控制，該部分在一般情況下并不會直接參與控制。這2部分軟件在功能上具有一定的相似性，相關控制參數既可以在智能儀表上進行設定，又可以在計算機控制單元上進行調整。例如，對于溫度的上下限設定，可以從以上2個渠道進行設置。該軟件部分具有獨立性，增強了系統的容錯性。

4" 控制系統實現與測試

4.1" 控制系統實現

待完成對溫室環境控制系統的設計后，擬建了實際的溫室環境，以實現對該系統功能的測定及調整。本文搭建了長1.2 m、寬0.8 m、高1.7 m的模擬溫室。溫室墻體采用亞克力板材料進行建設，考慮到后墻承重需求，后墻材料選擇硬度較高的硬塑板；蓋板同樣采用亞克力板，可以保障采光效果良好。地板采用角鋼進行固定，安裝了滑輪，以方便移動控制。待硬件基礎施工建設完成后，工作人員安裝溫室環境控制系統設備，包括在相應的位置安裝控制器、電源、傳感器等。最終，本文完成了溫室環境的構建，確保溫室環境控制系統具備良好的功能效果［5］。

4.2" 溫室環境控制系統測試

在完成溫室環境基礎構建后，研究人員在溫室內種植常規農作物，選擇生長速度較快的馬鈴薯作為測試樣本。為了確保系統測試的有效性，研究人員采用對比法進行試驗，試驗組在溫室內進行種植，對照組在常規環境下種植。在試驗組的植物種植過程中，按照科學的環境參數對單片機中的控制程序進行設置；對照組按照一般的種植方式進行作業。在2組幼苗的田間管理工作中，工作人員給予相同的水、肥供給量，共持續60 d。在此過程中，研究人員每隔5 d記錄一次試驗組、對照組的植物生長狀況。結果表明，溫室中的馬鈴薯植株生長發育更為茂盛，植株更高、葉片更大。最終，在植物收獲期間，溫室環境內的馬鈴薯產量更高，馬鈴薯果實的體積更大。由此可知，該溫室控制系統能夠有效促進馬鈴薯農作物的生長，獲得更高的產量。另外，在種植測試過程中，研究人員還對溫室控制方案中的模糊模式進行了測定，同樣能夠使農作物產量達到預期目標，證明了所提方案能夠為農作物的健康成長營造良好條件。

5" 結語

伴隨著時代發展，在農業種植過程中有機結合信息技術具有可行性，但如何合理地利用信息技術并發揮出信息技術的最大化價值則是需要認真研究的課題。本文基于單片機技術的特點，將其應用于溫室環境的控制中，設計了溫室環境控制系統，具有數據實時顯示、自動控制、超限報警等功能。在開發設計該系統后，研究人員及時進行了模擬試驗。結果表明，該系統能夠切實發揮溫室環境的控制作用，促進農作物的健康生長，提高農作物的產量。

參考文獻

［1］夏小強.基于STM8單片機的日光溫室平板車控制系統設計［J］.工業控制計算機，2024（1）：165-166.

［2］史晨浩，李成創，余佳慶，等.基于單片機的農業大棚溫濕度采集控制系統的設計［J］.電子制作，2023（13）：92-94.

［3］朱旭東，李卓群，薛文初.基于數字孿生的新能源智能溫室控制系統設計［J］.電子制作，2023（22）：55-59.

［4］熊峻輝，劉娟秀，黃心怡，等.基于5G的智慧農業物聯網控制管理系統設計［J］.電子制作，2022（17）：30-32.

［5］姚子鵬.融合單片機和ZigBee技術的溫室大棚溫度控制系統研究［J］.現代工業經濟和信息化，2023（3）：106-107.

（編輯" 沈" 強）

Design of greenhouse environment control system based on single-chip microcomputer

HE" Bing

（Taixing Secondary Vocational School， Taixing 225400， China）

Abstract： In the greenhouse cultivation management， the traditional management method cannot achieve the precise control for the environmental parameters， such as air temperature and humidity. In view of this， this paper proposes a greenhouse environment control system based on the single-chip microcomputer. This system can continuously monitor the greenhouse environment， create a good field environment， and improve the growth efficiency of crops.

Key words： single-chip microcomputer; greenhouse environment; control system; design