農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉明

摘 要 農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)主要由51系列單片機(jī)、12864液晶顯示屏、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、鍵盤(pán)、繼電器和電機(jī)等部分構(gòu)成?；诖?，設(shè)計(jì)了溫濕度報(bào)警電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電熱器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚中溫度和灌溉的控制和報(bào)警系統(tǒng)，解決了農(nóng)業(yè)大棚人工控制測(cè)試的溫度誤差大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低等問(wèn)題。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、成本低，具有電路簡(jiǎn)單、顯示直觀、系統(tǒng)穩(wěn)定、采集方便、功能多樣、成本低廉等等許多優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞 STC89C52單片機(jī)；DS-18B20數(shù)字溫度傳感器；自動(dòng)控制；自動(dòng)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.32.032

1 背景與意義

我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，農(nóng)作物的種植栽培技術(shù)早在2 000年前就已經(jīng)開(kāi)始。隨著科技的發(fā)展，新型高科技的溫室不但可以解決很多不可避免的自然因素，而且大大減少了投入，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)值和環(huán)境的利用率。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種智能的溫巡檢設(shè)備，以達(dá)到自動(dòng)化，從而改善農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境，為植物的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造出最佳的條件，最終提高作物產(chǎn)量、增加農(nóng)民收益。本設(shè)計(jì)需要了解單片機(jī)、溫度傳感器、電機(jī)、溫測(cè)量及控制等相關(guān)知識(shí)，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)智能溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)溫度傳感器對(duì)溫室溫度的采集，然后將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并通過(guò)執(zhí)行部件對(duì)溫室進(jìn)行加溫、保溫、降溫，定時(shí)灌溉的處理[1]。本研究是自動(dòng)化、智能化的體現(xiàn)，在今后的農(nóng)業(yè)中將有著無(wú)限的發(fā)展空間，在農(nóng)業(yè)大棚控制中將發(fā)揮巨大的推進(jìn)作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 溫度控制

實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚溫度參數(shù)，測(cè)量空間的溫度，由單片機(jī)對(duì)采集的溫濕度值進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、顯示，實(shí)現(xiàn)溫濕度的智能檢測(cè)。

2.2 灌溉和蓄水控制

實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚定時(shí)灌溉，并且通過(guò)單片實(shí)時(shí)顯示灌溉量和蓄水量。

2.3 控制處理

當(dāng)溫度越限時(shí)報(bào)警，并根據(jù)報(bào)警信號(hào)提示采取一定手段控制，設(shè)定灌溉量和蓄水量，當(dāng)蓄水池的低于設(shè)定量時(shí)自動(dòng)加水。

3 設(shè)計(jì)要求

農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)由灌溉控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、控制中心組成，各系統(tǒng)工作說(shuō)明如下。

3.1 灌溉控制系統(tǒng)

灌溉控制系統(tǒng)包括蓄水池、加水、灌溉三個(gè)部分，1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)表示蓄水池正在加水、2號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)表示蓄水池正在灌溉，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算灌溉量[2]。

3.2 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)包含有室內(nèi)溫度檢測(cè)、室內(nèi)溫度加熱系統(tǒng)兩個(gè)部分。

3.3 信息顯示系統(tǒng)

用12864液晶顯示屏來(lái)顯示農(nóng)業(yè)大棚中的各種相關(guān)信息。顯示的信息包括：當(dāng)前時(shí)間、室內(nèi)溫度、設(shè)定的室內(nèi)溫度、蓄水池水量、設(shè)定的每次灌溉水量和農(nóng)業(yè)大棚的狀態(tài)信息，狀態(tài)信息包括“正常、注水、灌溉、加熱（加熱裝置在加熱時(shí)）”四種。

3.4 控制中心

控制中心主要是通過(guò)控制面板輸入各種控制指令使得農(nóng)業(yè)大棚執(zhí)行相應(yīng)的操作?？刂浦行挠?×4鍵盤(pán)構(gòu)成，使用的是指令模塊中的矩陣鍵盤(pán)，該鍵盤(pán)按鍵及功能設(shè)置定義。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上總體設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)要求的討論后，可以開(kāi)始著手硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，根據(jù)總體功能和性價(jià)比及其運(yùn)行速度等因素的考慮。

4.1 STC89S52單片機(jī)

STC89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89S52使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器[3]。在單芯片上，STC89S52擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、更有效的解決方案。

4.2 DS18B20溫度傳感器

為了避免復(fù)雜的A/D轉(zhuǎn)換與放大電路，并且降低對(duì)單片機(jī)資源的占用以及成本問(wèn)題，所以采用DS18B20單純數(shù)字溫度傳感器，更容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)。

4.3 液晶顯示器12864

液晶顯示（LCD）具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其他顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而點(diǎn)陣式LCD12864不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)，動(dòng)畫(huà)功能，分區(qū)開(kāi)窗口，反轉(zhuǎn)，閃爍等功能，用途十分廣泛。

4.4 矩陣鍵盤(pán)

在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I(mǎi)/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。而且符合控制中心的控制要求。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，及整個(gè)系統(tǒng)的程序軟件由蘇多個(gè)獨(dú)立的子程序模塊組成，各個(gè)軟件系統(tǒng)可由主模塊、顯示模塊、控制模塊、溫度采集等模塊組成，每個(gè)模塊既相互獨(dú)立有相互聯(lián)系。

5.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中最重要的程序，主程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、響應(yīng)中斷請(qǐng)求進(jìn)而調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，主流程如圖1所示。

6 程序仿真

用PROTUES軟件對(duì)智能溫室系統(tǒng)的仿真測(cè)試如圖2所以，它是目前世界上最著名的EDA工具軟件之一，也是唯一將電路仿真、PCB設(shè)計(jì)和模擬模型仿真整合到一個(gè)軟件的設(shè)計(jì)平臺(tái)。本設(shè)計(jì)采用PROTUES進(jìn)行仿真，電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精確，對(duì)于智能溫室對(duì)精確度要求較高的系統(tǒng)非常適合。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次設(shè)計(jì)，筆者發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中還需要注意很多的細(xì)節(jié)，包括程序設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)都需要十分細(xì)心，任何一個(gè)小地方的錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中的確出現(xiàn)了不少問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)和書(shū)籍查詢后，才完成了系統(tǒng)的仿真。但通過(guò)此次設(shè)計(jì)，讓筆者得到了很大的提高，認(rèn)識(shí)到自己很多的不足特別是在編程方面，以后會(huì)在這些方面提高自己。這次設(shè)計(jì)對(duì)于筆者的影響十分重大，掌握了很多更為專(zhuān)業(yè)、深刻的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)以后的工作也將有很大的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]何鵬.溫室環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].傳感器世界，2002，8（2）：8-11.

[2]李軍.51系列單片機(jī)高級(jí)實(shí)例開(kāi)發(fā)指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[3]高偉.AT89單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

（責(zé)任編輯：趙中正）