溫室氣候控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范愛華 周 越

（1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225101）

引言

蔬菜大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。在過去的生產(chǎn)中，由于沒有有效的溫控設(shè)施，大棚內(nèi)的溫度、濕度無法很好地滿足蔬菜生產(chǎn)的需要，特別是遇到持續(xù)的低溫和高濕天氣，大棚內(nèi)的蔬菜會受到凍害和各類菌病病害，會嚴(yán)重影響蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量，嚴(yán)重時會出現(xiàn)絕產(chǎn)。本課題設(shè)計(jì)溫室氣候控制系統(tǒng)，對大棚內(nèi)氣候主要參數(shù)溫度、濕度進(jìn)行有效的測控。有效防止低溫凍害和高濕病害，這樣不僅能確保的大棚蔬菜的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，而且可大幅度降低農(nóng)藥用量，為生產(chǎn)無公害蔬菜生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

溫室氣候控制系統(tǒng)由溫度傳感器采集室內(nèi)溫度，超溫時啟動鼓風(fēng)，溫度偏低時啟動加熱裝置。

濕度傳感器檢測濕度，噴霧調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度。

1.2 工作原理

該測控系統(tǒng)的工作原理是利用單片機(jī)編程，通過溫濕度傳感器檢測大棚內(nèi)實(shí)際的溫度和濕度值，并由液晶顯示電路顯示出當(dāng)時的溫濕度值。如果采集的溫度值高于上限報警溫度，系統(tǒng)將發(fā)出報警，并同時啟動制冷設(shè)備，把溫度降下來，當(dāng)溫度低于上限值時，關(guān)閉制冷設(shè)備。當(dāng)采集的溫度值低于下限報警值時，系統(tǒng)發(fā)出報警，并同時啟動制熱設(shè)備，使大棚內(nèi)的溫度上升，當(dāng)溫度上升到一定的程度，即高于下限復(fù)位值時，立即關(guān)閉制熱設(shè)備，從而使溫室大棚的溫度值維持在一定的范圍內(nèi)。同樣當(dāng)大棚內(nèi)空氣干燥時，就啟動噴霧來加大濕度，當(dāng)空氣過于濕潤時啟用通風(fēng)。

1.3 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以msp430單片機(jī)為核心，由DHT11溫濕度傳感器、液晶顯示電路、控制繼電器電路、存儲模塊AT24C02、按鍵電路等構(gòu)成。通過按鍵設(shè)置溫濕度上下限。單片機(jī)將檢測到的溫度信號與輸入溫度的上、下限進(jìn)行比較，當(dāng)單片機(jī)比較監(jiān)測到的數(shù)值超出所設(shè)定閥值時，驅(qū)動蜂鳴器報警，由此判斷是否啟動繼電器以開啟設(shè)備。設(shè)計(jì)中加入了常用的液晶顯示及狀態(tài)燈、顯示燈常用電路。圖1是氣候控制系統(tǒng)原理。

圖1 氣候控制系統(tǒng)原理

1.3.1主控模塊

主控模塊主要采用MSP430單片機(jī)，它是一個16位的單片機(jī)，具有如下特點(diǎn)：運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)、超低功耗，擁有5種低功耗模式、片內(nèi)集成資源豐富，有兩組普通IO口具有中斷功能、方便高效的開發(fā)環(huán)境。它所具有的鮮明特點(diǎn)使其在許多行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。

1.3.2 顯示電路

顯示采用12864液晶顯示電路（圖2）。該應(yīng)用電路功耗低，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖2 12864液晶顯示電路

1.3.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器可以對外界溫濕度信號的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變換，然后由430處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)在液晶屏上的顯示。

主控芯片：DHT11，輸出數(shù)據(jù)為8位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，且由一個管腳輸出，節(jié)省了硬件上管腳的使用。

硬件連接：硬件連接簡單，只需要DHT11的一個管腳（數(shù)據(jù)腳）接入430單片機(jī)中。如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器電路

1.3.4 存儲模塊

存儲模塊采用AT24C02（圖4）。AT24C02是一個2K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個8位字節(jié)。AT24C02支持總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議I2C。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。通過器件地址輸入端A0、A1和A2選擇，可以實(shí)現(xiàn)將最多8個AT24C02器件連接到總線上，通過進(jìn)行不同的配置進(jìn)行選擇器件。該模塊存儲信息為溫濕度上下限的數(shù)據(jù)和各種控制設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖4 存儲模塊AT24C02電路

1.3.5 單片機(jī)控制繼電器電路設(shè)計(jì)

利用DHT11溫濕度傳感器檢測蔬菜大棚花窖室內(nèi)的溫濕度，當(dāng)室內(nèi)溫度超出設(shè)計(jì)溫度時，報警，同時打開通風(fēng)系統(tǒng)（即打開風(fēng)扇）來降低室內(nèi)的溫度；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度時，啟用加熱器進(jìn)行升溫。

利用溫濕度傳感器檢測空氣中的濕度，當(dāng)空氣太干燥時，就啟動噴霧來加大濕度；當(dāng)空氣過于濕潤時，啟用通風(fēng)。

本系統(tǒng)利用繼電器的吸合與否來控制加熱、鼓風(fēng)和噴霧裝置，實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的自動控制，如圖5所示。

圖5 控制繼電器電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括主程序、DHT11溫濕度傳感器子程序、液晶顯示子程序、按鍵處理子程序等。

2.1 傳感器的信息監(jiān)測：采集溫度和濕度傳感信息，并將它們實(shí)時的顯示在屏幕上。

2.2 溫室設(shè)備控制模塊：通過該模塊控制各種環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，比如制冷和制熱設(shè)備、加濕器等。根據(jù)設(shè)定的控制方式，可以采用手動控制、自動控制兩種模式。

2.3 報警功能模塊：當(dāng)溫濕度過高或者過低時報警。

2.4 數(shù)據(jù)記錄模塊：該模塊可以存儲溫濕度上下限的各種數(shù)據(jù)和各種控制設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)總的流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)總體程序

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的基于MSP430單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，測溫準(zhǔn)確，在實(shí)際應(yīng)用中能夠取得良好的控制效果，溫度控制精度達(dá)到±2℃。系統(tǒng)硬件電路采用成熟的電路設(shè)計(jì)，元件選用成本較低的器件，電路穩(wěn)定，抗干擾力強(qiáng)，性價比較高。軟件開發(fā)用C語言，采用模塊式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能易于擴(kuò)展。該智能溫度控制器還可以將測得的溫度通過單片機(jī)與通訊模塊相連接，以手機(jī)短消息的方式發(fā)送給用戶，使用戶能夠隨時對溫度進(jìn)行監(jiān)控。有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

[1]李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]周越.單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：水利水電出版社，2007.

[3]周越.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：水利水電出版社，2009.