大棚环境温湿度参数自动监控系统设计.pdf

106106农学经济大棚环境温湿度参数自动监控系统设计张乐王林（杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018）摘要：大棚环境的智能监控系统是精准农业技术的基本组成部分，温湿度参数是大棚环境监控系统的重要参数指标。STC89C51 单片机的大棚环境温湿度监控系统以两个单片机系统为核心控制单元，结合温湿度传感器DHT11、步进电机控制模块、液晶显示终端、NRF24L01 无线模块及寻迹洒水小车子系统，实现对大棚温湿度采集显示和调整控制的功能。关键词：智能监控；温湿度参数；单片机；电机控制模块；小车子系统中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：2096-0743（2023）17-0106-030引言精准农业是美国等经济发达国家在 2 0 世纪 8 0 年代末期，为适应信息化社会发展要求，对农业发展提出的一个新的课题。通过将信息自动化技术与现代农业相结合，达到提高品质、增产增效、低耗环保和可持续发展的目的。智能环境监测系统是精准农业的基本组成部分。实现温湿度自动监测控制，是智慧温室基本的功能需求。单片机易于学习掌握，性价比高。将其与不同的数据采集模块集成应用到温室当中，可以实现一定条件下的恒温恒湿控制 1。目前室内温湿度检测方案大致有两类：一类用单片机作为主控制系统，以温湿度传感器采集数据，以无线数据传输方式传输数据，并将测量数据在显示终端显示，通过L E D灯的闪烁实现超阈值报警 2-3；另一类是用下位机的单片机和温湿度传感器完成数据采集和传输，上位机采用计算机用户界面的监控系统完成对数据的显示和存储、波形的显示和报警，但通常对超阈值的参数不能进行控制和调整操作 4-5。本文设计了模拟温室智能测控系统，以 S T C 8 9 C 5 1 为核心控制模块，与温、湿度传感器模块、步进电机控制模块、液晶显示模块等共同完成对温湿度监测和自动调控的目标 6。1系统总体设计由于制约农作物生长的环境参数非常复杂，为简化研究对象模型，我们选取了其中最为关键的温度和湿度两个参数作为智能暖房的监控指标，本模拟智能暖房系统总体包含了自动开关窗、自控通风、暖风加热，蓝牙通信和智能小车洒水五个子系统，整个系统的总体框架结构如图 1所示。图 1 系统框架结构系统以单片机为核心完成大棚空气温湿度自动检测，自动开关窗通风和智能小车洒水实现对温湿度参数的监测和自动调控。监测模块与智能车喷洒系统间采用无线通信模式实现控制量传输。自动监测模块以单片机控制的温湿度传感器为核心，实现对步进电机和液晶模块的控制，从而实现自动开关窗和终端显示功能，如果实测数据偏离设定值，则直接控制步进电机开关窗自动通风，以及通过无线通信模块发送信号给由单片机控制的智能洒水小车，自动向地面洒水调整室内的温湿度，以及定时对室内植物进行喷洒降温处理。2主要功能模块设计由于单片机具有体积小、价格低廉、可靠性高和开发容易等优点，设计的环境优化系统以 S T C 8 9 C 5 1 单片机为控制核心，综合应用单片机的风速传感器、温湿度传感器的主要功能进行数据采集、传输和控制，并在 L C D 1 6 0 2 显示终端输出直观的采集信息。2.1 温湿度采集模块自动监测系统采用了 D H T 1 1 温湿度传感器作为数据采集终端，该传感器具有温湿度一体式的检测探头，含有已校准数字信号输出的功能。D H T 1 1 采集的信号经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I 转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度和湿度呈线性关系的电流信号或电压信号输出。在进行 A/D转换后与单片机直接进 基金项目 本研究得到 2021 年高等教育教学改革项目“模拟温室智能检测与控制实验系统设计”（项目编号：ZXJG202107）资助。作者简介 张乐（1977），女，汉族，河南南阳人，博士，高级实验师。研究方向：智能检测。107107农学经济行数字量通信，便于 S T C 8 9 C 5 1 单片机对温湿度数据进行读取和处理。D H T 1 1 温湿度传感器供电引脚与接地引脚、D A T A引脚与单片机直接通过I O口连接，测量范围较广、测量精度也较高，故选用其作为温度和湿度数据的采集模块 7。D H T 1 1 数字温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 N T C测温元件，校准系数以程序的形式储存在 O T P内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。D H T 1 1 的供电电压为3 V 5.5 V，传感器上电后，要等待1 s 以越过不稳定状态，在此期间无须发送任何指令。电源引脚（V C C，G N D）之间可增加一个 1 0 0 n F 的电容，用以去除耦合模滤波 8。温湿度检测电路如图 2。图 2 温湿度检测电路2.2 终端显示模块系统的显示模块采用 L C D 1 6 0 2 液晶显示屏，显示屏可显示 2 行 1 6 个字的液晶模块，且自带背光，可在无光环境下使用。温湿度传感器测量完成后，将数据传送给单片机，单片机处理后，将数据显示在L C D 1 6 0 2 液晶显示屏上 9。1 6 0 2 液晶为 5 V电压驱动，带背光，内置含 1 2 8 个字符的A S C I I 字符集字库，只有并行接口，无串行接口。数据显示电路原理如图 3 所示。图 3 数据显示电路2.3 自动开关窗系统设计以 S T C 8 9 C 5 1 单片机为控制核心，完成一个自动关窗系统设计。主要功能如下：利用温湿度传感器检测温度和湿度；控制按键功能分别设置温度、湿度上下限；采用 L C D 1 6 0 2 液晶显示屏，显示清晰；当低于或高于阈值时，窗户将自动关闭；添加 N R F 2 4 L 0 1 无线模块，实现与寻迹洒水小车通信。2.3.1 软件流程设计系统在开机之后首先进行初始化，对各个端口进行监听，传感器进行环境数据采集，并将其传送至单片机单元，对其是否达到开窗条件予以判断，然后依据判断结果进行相应的操作，系统正常运转的过程中，单片机将所采集的环境数据进行比较和判断，并对执行机构的相关操作予以控制，以便对窗户的开关状态实施有效监控。2.3.2 电机驱动控制电路步进驱动器可分为两部分，一部分是环形分配器，另一部分是功率放大器。环形分配器接收3 种信号，分别为：脉冲信号，方向信号，脱机信号。通过对接收的脉冲信号进行分配，来控制功率放大器相应的晶体管导通，然后使步进电机的线圈得电。步进电机运转需要输入脉冲，所以我们利用一个驱动器来给步进电机的各相绕组依次通电。方向信号的作用是控制A B 通电的相序，A B 顺时针，B A逆时针。脱机信号是当步进电机停止时，A B线圈有一相得电使转子锁住，因此，需要拨动转子的时候，要给脱机信号，使A B 相绕组完全断电，转子处于自由转动状态，其基本结构如图 4 所示。图 4 步进电机驱动结构窗户的开与关主要依靠步进电机来实现，步进电机正转使窗户关闭，反转使窗户打开。同时窗户关闭处设计了压力传感器，当窗户关闭时，压力传感器接受到压力，返回高电给单片机，使单片机接收到窗户已经关闭的信号，进而使步进电机停止转动。单片机将设定的报警上下限值与测量到的数据进行比较，进而来控制步进电机的正反转，以此控制门窗的关与闭。自动关窗控制电路如图 5 所示。图 5 自动关窗控制电路108108农学经济2.4 小车的循迹设计寻迹洒水小车传感器模块使用光电对管采集路面信息。采用的 R P R 2 2 0 结构紧凑，调整电路简单，工作性能稳定。通过在探头上套上黑胶布的方法实现灵敏检测，利用感光传感器信息来控制智能车的自动转向，实现智能车的自动寻迹。该寻迹系统的工作流程可概括为：通过三个外置的反射式红外线传感器收集轨道信息，通过微处理器对采集到的信息进行处理，然后将处理后的信息通过P WM信号传递给 L 2 9 8 N驱动模块，L 2 9 8 N模块根据接收到的轨道信号控制智能车两侧直流电机的运行状态，最终达到寻迹的目的。整个系统采用两节可充电电池供电，以保持其正常工作。系统各单元连接如图 6 所示。电源模块msp430f5529单片机传感器模块驱动模块电机降压模块图 6 小车控制电路结构示意图本模块采用 M S P 4 3 0 f 5 5 2 9 开发板作为控制中心，包括单片机模块、变压模块、传感器模块、电机驱动模块和电源模块。采用 L 2 9 8 N电机驱动模块，利用光电耦合器件隔离单片机与L 2 9 8 N的控制电路，工艺精度高，性能可靠。L 2 9 8 N模块内部通过H桥电路实现直流电机的正转、反转。基本电路如图 7 所示。图 7 小车驱动电路3结语该系统以单片机为核心，达到了对大棚温湿度的智能控制 1 0。当环境产生变化时，传感器将会采集到相应的温湿度信号，单片机的窗户控制系统根据信号的强弱作出不同的响应，可以根据温度、湿度等参数来控制窗户的开关，同时将以 S T C 8 9 C 5 1 单片机为核心的温湿度自动检测系统与智能小车洒水系统相结合，达到调节环境参数的目的。参考文献：1 李刚，杜艳红，荣奇.基于 C51 单片机的花卉智能培育系统设计 J.科技与创新，2019（14）2 郭苧，郭晓冉，毛向，等.基于 GSM 和 WSNs 的实验室温湿度采集报警系统设计 J.传感器与微系统，2017，36（08）3 倪明晖.基于 PLC 的室内单片机湿度自动采集与调节系统 J.自动化与仪器仪表，2019（08）4 张亚萍，李抗抗.实验室温湿度智能监控系统设计 J.兰州文理学院学报（自然科学版），2020，34（06）.5 张玮玮，董昭.基于单片机的大棚温湿度实时控制系统设计 J.安阳工学院学报，2019，18（06）6 张汉权，黄月红，王培声，等.一种基于单片机的温湿度检测控制系统设计 J.科学与财富，2018（31）.7 吕爱华.基于单片机技术的大棚远程温控系统应用 J.农机化研究，2023，45（06）.8 姚子鹏.融合单片机和 ZigBee 技术的温室大棚温度控制系统研究J.现代工业经济和信息化，2023，13（03）.9 魏晓艳.基于单片机的大棚温室温度测控系统设计 J.农业工程，2021，11（09）.10 李珍，夏经德，付斌.基于单片机的大棚温湿度监测系统设计 J.国外电子测量技术，2018，37（07）.MSP430f5529 单片机