基于AT89C52的農(nóng)業(yè)溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董小艷 王娟勤 李梅

摘要設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)溫濕度智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器作為溫濕度采集模塊，單片機(jī)選用AT89C52代替并調(diào)用Virtual terminal模擬串口通信，LCD1604液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示溫濕度，實(shí)現(xiàn)了溫濕度的測(cè)量、顯示，可自動(dòng)控制加熱、降溫、加濕、通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)溫濕度控制以及超限報(bào)警處理，并利用Proteus與Keil進(jìn)行實(shí)際電路的仿真。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可靠的溫濕度監(jiān)控。

關(guān)鍵詞溫濕度;智能控制;單片機(jī);DHT11;液晶顯示器

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）02-0237-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.070

農(nóng)用溫濕度控制的智能化及現(xiàn)代化管理對(duì)人類的生存發(fā)展具有重大意義，在許多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，比如糧食儲(chǔ)備倉庫，蔬果、蛋肉存儲(chǔ)倉庫以及溫室種植、畜禽養(yǎng)殖中，溫濕度控制越來越重要[1-4]。為了保證農(nóng)產(chǎn)品不致腐爛變質(zhì)和農(nóng)作物茁壯成長(zhǎng)，使用智能化現(xiàn)代化的智能溫度、濕度控制系統(tǒng)顯得尤為重要，筆者設(shè)計(jì)了基于AT89C52的農(nóng)業(yè)溫濕度智能控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框采用目前最常用的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，DHT11溫濕度傳感器檢測(cè)溫濕度，LCD1604液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示溫濕度，通風(fēng)排濕、噴灌系統(tǒng)、電子燃?xì)忮仩t設(shè)備共同控制，達(dá)到溫濕度的期望值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。由于要采用溫濕度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)及輸出控制信號(hào)，故將數(shù)據(jù)采集I/O卡和PC機(jī)用USB 接口連接。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

Fig.1System block

1.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

1.2.1溫濕度實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示。溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫濕度并通過LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示出來。

1.2.2系統(tǒng)溫濕度上下限值的手動(dòng)設(shè)置。通過按鈕（菜單按鈕、選項(xiàng)切換按鈕、數(shù)字加按鈕、數(shù)字減按鈕、確定按鈕），使系統(tǒng)更加人性化、智能化，具有更高的實(shí)用價(jià)值。

1.2.3當(dāng)溫濕度值超過系統(tǒng)上下限值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。LED閃爍燈光報(bào)警（4個(gè)LED燈，溫度上限燈、溫度下限燈、濕度上限燈、濕度下限燈）;蜂鳴器聲音報(bào)警（當(dāng)超過任意上下限值時(shí)，蜂鳴器啟動(dòng)發(fā)聲報(bào)警）。

1.2.4系統(tǒng)控制外部設(shè)備工作。當(dāng)溫濕度超過系統(tǒng)設(shè)定上下限值的時(shí)候，系統(tǒng)可以打開外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)接口，控制外部設(shè)備工作（溫度過高或濕度過大時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，降溫排濕風(fēng)扇打開，降低環(huán)境溫度和濕度;濕度過低時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，驅(qū)動(dòng)噴灌系統(tǒng)打開，增加濕度;溫度過低時(shí)，打開電子燃?xì)忮仩t，增加溫度等）。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1DHT11傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種可以同時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度變化值、環(huán)境濕度變化值的復(fù)合傳感器器件，輸出為經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，其中的傳感器器件由2部分組合而成，包括1個(gè)測(cè)量溫度的器件，1個(gè)測(cè)量濕度的電阻式器件，其應(yīng)用了專用的數(shù)字化模塊，用于采集溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接發(fā)送給一個(gè)8位單片機(jī)，用于數(shù)據(jù)的分析處理。

2.2LCD1604液晶顯示器 LCD1604液晶顯示器是一種點(diǎn)陣LCD顯示器，每行可以顯示16個(gè)字符或數(shù)字，可以顯示4行，第1行用于顯示當(dāng)前環(huán)境溫度值（wendu：xx.x *c），第2行用于顯示系統(tǒng)設(shè)定的溫度上下限值，上限用大寫的H表示，下限用大寫的L表示（H：30? L：10），第3行用于顯示當(dāng)前環(huán)境的濕度值（shidu：20.0 rh），第4行用于顯示系統(tǒng)設(shè)定的濕度上下限值（H：50? L：20）。它的特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗效率低、顯示質(zhì)量高、無電磁輻射、數(shù)字式接口簡(jiǎn)單方便、應(yīng)用范圍廣，因此這類顯示器與單片機(jī)的連接比較簡(jiǎn)單方便。

2.3繼電器控制直流電機(jī)風(fēng)扇模塊繼電器主要由電子鐵芯（鐵芯上有電子線圈）、吸合的銜鐵結(jié)構(gòu)和簧片組成。繼電器的工作原理是給繼電器的輸入輸出端分別連接電路的+極、-極;然后將繼電器的輸入輸出端驅(qū)動(dòng)端口連接MCU等控制設(shè)備，當(dāng)單片機(jī)等控制設(shè)備給繼電器一個(gè)高電平或者低電平的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，繼電器的輸入輸出端根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)識(shí)別高電平或者低電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部的三極管放大作用后，線圈上的電流可以推動(dòng)銜鐵吸合簧片，使得繼電器的控制端正負(fù)極導(dǎo)通，如果繼電器的控制端連接有被控制設(shè)備，就可以起到開關(guān)的作用，從而控制設(shè)備有效工作。

單相交流電機(jī)是一種常用的電子器件，俗稱馬達(dá)，在電子工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，它通過連接電源，接通電壓形成通電回路，就可以實(shí)現(xiàn)工作。不同規(guī)格的交流電機(jī)有不同的輸出功率、大小、體積，種類繁多，在使用過程中，可以根據(jù)需要選擇。此次智能溫度、濕度控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)與制作中降溫除濕模塊所使用的風(fēng)扇就是一種單相交流電機(jī)風(fēng)扇。當(dāng)溫濕度較高時(shí)，主控機(jī)控制系統(tǒng)給控制繼電器的引腳發(fā)送低電平信號(hào)，控制繼電器吸合，單相交流電機(jī)風(fēng)扇的電源導(dǎo)通，電機(jī)風(fēng)扇開始工作，為系統(tǒng)降溫除濕[5-7]。電路連接如圖2所示。

2.4報(bào)警及指示燈模塊當(dāng)溫濕度值超過系統(tǒng)上下限值時(shí)自動(dòng)報(bào)警有LED閃爍燈光報(bào)警（4個(gè)LED燈，溫度上限燈、溫度下限燈、濕度上限燈、濕度下限燈），蜂鳴器聲音報(bào)警。模塊由蜂鳴器、LED發(fā)光二極管構(gòu)成，其中蜂鳴器有源蜂鳴器。蜂鳴器原理如圖3所示。當(dāng)溫度或者濕度超出設(shè)置上下限值時(shí)，蜂鳴器將會(huì)以相同頻率聲音進(jìn)行報(bào)警提示[8]。系統(tǒng)電路連接關(guān)系如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1總體程序設(shè)計(jì)主程序流程如圖5所示，主程序開始，先對(duì)數(shù)據(jù)采集I/O卡、DHT11溫濕度傳感器、LCD1604液晶顯示器、繼電器、LED燈進(jìn)行初始化，初始化完畢后，系統(tǒng)讀取DHT11溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，通過LCD液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)溫度值和濕度值，接著系統(tǒng)進(jìn)入判斷溫濕度上下限值報(bào)警子程序，如果當(dāng)前溫濕度上下限值中有1個(gè)當(dāng)前值超過系統(tǒng)設(shè)置值，系統(tǒng)產(chǎn)生蜂鳴器聲音報(bào)警，相關(guān)LED指示燈閃爍產(chǎn)生光線指示，系統(tǒng)接著進(jìn)入下一次溫濕度采集顯示工作。如果系統(tǒng)檢測(cè)到有輸入中斷，系統(tǒng)暫停當(dāng)前服務(wù)子程序，進(jìn)入設(shè)置菜單，可以通過按鍵設(shè)置溫濕度上下限值，當(dāng)確定按鈕按下時(shí)，系統(tǒng)退出中斷服務(wù)子程序，繼續(xù)執(zhí)行主程序。

主程序模塊構(gòu)成：①LCD1604液晶顯示模塊（顯示溫濕度;顯示上下限數(shù)據(jù)）; ②DHT11傳感器模塊（獲取環(huán)境溫濕度值）;③輸入中斷模塊（菜單功能，設(shè)置溫濕度上下限值）;④報(bào)警模塊（當(dāng)溫濕度值超過上下限值的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)相關(guān)單元產(chǎn)生報(bào)警）。

3.2LCD1604液晶顯示程序設(shè)計(jì)LED顯示流程如圖6所示，LCD1604液晶顯示器的配置顯示，先對(duì)LCD液晶顯示器進(jìn)行初始化工作，使其按照需求完成顯示的前期準(zhǔn)備工作，接著通過給LCD1604液晶顯示器的指令寄存器寫地址，給數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)，就可以通過顯示屏顯示出當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。

3.3DHT11溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì) DHT11采集數(shù)據(jù)流程如圖7所示，程序開始，給DHT11溫濕度傳感器連接端口1低電平，主機(jī)拉低18 ms， 1口拉高為高電平，主機(jī)延時(shí)20 μs后， 1口再次為高電平，主機(jī)判斷從機(jī)響應(yīng)信號(hào)，如果從機(jī)響應(yīng)，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)接收階段，如果從機(jī)沒有響應(yīng)，程序返回子程序開始階段，繼續(xù)判斷從機(jī)響應(yīng)。數(shù)據(jù)接收完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確，程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并存入相關(guān)數(shù)組，提供給其他程序調(diào)用，一次溫濕度數(shù)據(jù)采集處理完成。如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)值錯(cuò)誤，程序返回子程序開始階段，重新響應(yīng)。按位接收DHT11傳感器獲取到的數(shù)據(jù)，并組合成一個(gè)字節(jié)。接收一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流，并且校驗(yàn)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)存入相關(guān)數(shù)組，提供給其他程序調(diào)用。

3.4輸入中斷模塊程序設(shè)計(jì)中斷流程如圖8所示，程序開始，需要修改溫濕度上下限數(shù)值時(shí)，請(qǐng)求按鍵按下時(shí)，觸發(fā)程序產(chǎn)生中斷[6]，進(jìn)入輸入中斷服務(wù)子程序，LCD1604液晶顯示器顯示設(shè)置菜單，接著設(shè)置溫度上下限值和期望值（溫度期望值設(shè)為25 ℃，上下限值與期望值相同），然后按下+1按鈕設(shè)置上限值，按下-1按鈕設(shè)置下限值。接著設(shè)置濕度上下限和期望值（濕度期望值設(shè)為50%，上下限值與期望值相同），然后按下+1按鈕設(shè)置上限值，按下-1按鈕設(shè)置下限值。最后按下確定按鈕時(shí)，保存設(shè)置好的溫濕度上下限值，退出設(shè)置菜單，系統(tǒng)回到主程序，正常工作。

3.5報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)報(bào)警模塊程序流程如圖9所示，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警子程序，進(jìn)行當(dāng)前溫濕度值與系統(tǒng)設(shè)置溫濕度上下限值的比較，可以根據(jù)當(dāng)前實(shí)際情況進(jìn)入相關(guān)子程序模塊，啟動(dòng)蜂鳴器產(chǎn)生聲音報(bào)警，相關(guān)LED燈產(chǎn)生閃爍指示，根據(jù)實(shí)際情況驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，控制系統(tǒng)外部相關(guān)設(shè)備開始工作。按鍵K2還有第二功能，在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，如果溫濕度值越過系統(tǒng)設(shè)置溫濕度上下限值，系統(tǒng)產(chǎn)生蜂鳴器報(bào)警，按下按鍵K2，可以暫時(shí)關(guān)閉蜂鳴器報(bào)警。

當(dāng)溫濕度值超過系統(tǒng)上下限值的時(shí)候，系統(tǒng)通過蜂鳴器聲音和LED閃光發(fā)出報(bào)警，并且驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，控制風(fēng)扇、噴灌系統(tǒng)、電子燃?xì)忮仩t等外部設(shè)備工作。根據(jù)條件打開或關(guān)閉蜂鳴器，可以通過退出按鈕關(guān)閉蜂鳴器。

4實(shí)驗(yàn)與仿真

利用Proteus與Keil聯(lián)機(jī)仿真與調(diào)試，將DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的串口輸入端口，利用單片機(jī)串口方式0傳送給單片機(jī)。單片機(jī)選用AT89C52代替并調(diào)用Virtual terminal模擬串口通信。將Virtual terminal的RXD端連接單片機(jī)的TXD端。打開仿真調(diào)試軟件選擇計(jì)算機(jī)與測(cè)溫濕系統(tǒng)的串行通信串口調(diào)試工具，LCD窗口顯示傳感器實(shí)時(shí)采集的溫濕度平均值。通過按鍵可以控制LCD液晶屏顯示傳感器的溫濕度值及其上下限設(shè)置，完成溫濕度系統(tǒng)的電路仿真驗(yàn)證[9-10]。

輸入中斷設(shè)置菜單仿真結(jié)果如圖10所示，高溫閃爍仿真如圖11所示，高濕閃爍仿真如圖12所示，繼電器控制風(fēng)扇實(shí)物結(jié)果如圖13所示。

5結(jié)語

該研究主要闡述了系統(tǒng)的組成和功能，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。采用VB6.0軟件進(jìn)行上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用目前最常用的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，DHT11溫濕度傳感器檢測(cè)溫濕度，LCD1604液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示溫濕度，通風(fēng)

排濕、噴灌系統(tǒng)、電子燃?xì)忮仩t設(shè)備共同控制，達(dá)到了溫濕度

的期望值。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，達(dá)到了預(yù)期控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]

王健，謝南.基于變論域模糊理論的溫室番茄智能控溫策略[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2018，20（3）：71-79.

[2] 馮江，林升峰，王鵬宇，等.基于自適應(yīng)模糊PID控制的豬舍溫濕度控制系統(tǒng)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018 ，49（2）：73-86.

[3] 孫榮創(chuàng).基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程，2018，8（2）：38-40.

[4] 李文翔，李忠森.基于Android平臺(tái)的智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2016，15（6）：85-87.

[5] 王大雷，何康.基于STC89C51單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].陰山學(xué)刊（自然科學(xué)版），2018，32（3）：85-87.

[6] 周涌，周皎石.黑茶渥堆溫度濕度控制的穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計(jì)[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2017，47（20）：270-276.

[7] 葉云云.基于單片機(jī)的船舶液壓系統(tǒng)溫度控制技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（14）：175-177.

[8] 張錦.基于單片機(jī)的船舶液壓系統(tǒng)溫度控制技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（5A）：112-114.

[9] 宋壯，李軍，錢世豪.大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度控制仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018，35（4）：200-203，235.

[10] 任云麗，白建云，印江.火電廠大型機(jī)組鍋爐膛溫度控制仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018，35（1）：117-120.