農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊光

摘?要：針對(duì)目前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚中溫濕度無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的狀況，本文以STC89C52為主控芯片，溫度傳感器DS18B20檢測(cè)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境溫度，HS1101濕敏元件與555定時(shí)器構(gòu)成濕度傳感器檢測(cè)大棚內(nèi)的濕度狀況，時(shí)鐘芯片DS1302實(shí)現(xiàn)檢測(cè)日期的記錄，LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，使用LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)溫濕度超限的聲光報(bào)警系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)的需求。

關(guān)鍵詞：STC89C52;溫度傳感器DS18B20;HS1101濕敏元件;555定時(shí)器

溫度和濕度的檢測(cè)是研究發(fā)展溫室大棚的重要因素，作物的一切生命活動(dòng)直接受其影響，溫濕度的不適應(yīng)造成作物的低產(chǎn)，鑄成了大量的損失。[1]所以提高溫室大棚內(nèi)的溫度濕度監(jiān)測(cè)刻不容緩。在傳統(tǒng)的溫室大棚溫濕度檢測(cè)中很大程度上依賴使用人工使用濕度試紙，濕度計(jì)等傳統(tǒng)儀器測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果受外界環(huán)境干擾，人為的測(cè)量方式不正確，儀器精密度不高等因素的影響而造成了誤差，并且如此還會(huì)造成各種資源的大量浪費(fèi)。[2]因此設(shè)計(jì)一種價(jià)格合理，操作便捷，且檢測(cè)精度較高的溫濕度檢測(cè)儀是十分重要的。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)系統(tǒng)需求選用STC89C52芯片，它具有I/O口多，定時(shí)器、中斷等功能齊全強(qiáng)大，技術(shù)發(fā)展成熟，且價(jià)格低廉。使用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度的測(cè)量，它與系統(tǒng)的連接僅僅占用一個(gè)數(shù)據(jù)口，不憑借其他原件，就可以直接將環(huán)境的溫度轉(zhuǎn)換為可測(cè)的數(shù)字信號(hào)。選用HS1101濕敏元件連接555定時(shí)器構(gòu)成濕度傳感器，可實(shí)現(xiàn)零到一百相對(duì)濕度的檢測(cè)，誤差為+2%RH。選擇LCD12864液晶顯示屏，可顯示八行，一行一百二十八個(gè)字符，以及64*259點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM），可顯示中文，與單片機(jī)的接口可采用并行與串行兩種方式，且自帶強(qiáng)大的中文字庫(kù)[4-6]。

以STC89C52為數(shù)據(jù)運(yùn)算處理模塊，DS18B20溫度傳感器將檢測(cè)的溫度傳送給CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，HS1101電容式濕敏元件連接555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)振蕩電路，輸出頻率，連接到主控芯片的P3^5引腳。由T0定時(shí)器設(shè)置1s的定時(shí)，T1定時(shí)器計(jì)算頻率個(gè)數(shù)，所得的頻率個(gè)數(shù)即是濕度，再經(jīng)過(guò)公式轉(zhuǎn)換為數(shù)值[7-9]。LCD12864將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出顯示，設(shè)置+，-按鍵對(duì)顯示的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，和“設(shè)置”按鍵對(duì)報(bào)警值進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且顯示精度。DS1302時(shí)鐘芯片實(shí)時(shí)顯示時(shí)間以便記錄數(shù)據(jù)，選用蜂鳴器，LED燈來(lái)起到溫濕度超限報(bào)警的作用。分別對(duì)溫度，濕度進(jìn)行比較，然后超過(guò)預(yù)設(shè)值后，進(jìn)入中斷，判斷中斷優(yōu)先級(jí)，進(jìn)入中斷，進(jìn)行報(bào)警[10]，見(jiàn)圖1所示。

DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度檢測(cè)的原理是用兩個(gè)晶振受溫度的影響而改變振蕩頻率，當(dāng)高溫振蕩器進(jìn)行工作時(shí)，計(jì)數(shù)門打開(kāi)，高溫振蕩器所產(chǎn)生的頻率送入減法計(jì)數(shù)器2進(jìn)行減操作，同時(shí)低溫振蕩器工作，將所產(chǎn)生的頻率信號(hào)送入計(jì)數(shù)門對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的數(shù)值隨后送入減法計(jì)數(shù)器1。此時(shí)的減法計(jì)數(shù)器的初值為-55℃時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值。當(dāng)計(jì)數(shù)器1的減法運(yùn)算結(jié)果為零時(shí)，溫度寄存器的數(shù)值（計(jì)數(shù)器1的初值）自動(dòng)加一。當(dāng)減法計(jì)數(shù)器2的數(shù)值運(yùn)算結(jié)果為零時(shí)，結(jié)束計(jì)數(shù)。此時(shí)的寄存器數(shù)值即為溫度值，一個(gè)測(cè)量周期結(jié)束。其中還有一個(gè)斜率累加器用來(lái)溫度補(bǔ)償以及對(duì)數(shù)值的線性補(bǔ)償，提高其精確度。溫度傳感器原理圖如圖2所示。

HS1101濕度檢測(cè)模塊濕度檢測(cè)的工作原理為HS1101濕度檢測(cè)傳感器與555多諧振蕩器相連由于濕敏電容隨濕度而改變電容值進(jìn)而影響輸出頻率，最后計(jì)算頻率數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。在555定時(shí)器CV腳TR腳之間使用HS1101作為一個(gè)可變電容接入，DC引腳的作用是使電阻R2造成短路，可變電容HS1101通過(guò)充電達(dá)到門限電壓，通過(guò)放電到達(dá)到高電平，然后R2通過(guò)DC引腳接地，通過(guò)不同的電阻充放電，形成一段近似的方波頻率。其周期計(jì)算如下：

T?充電=C*（R1+R2）*In2;（1）

T?放電=C*R1*In2;（2）

由此可知輸出方波頻率為：

f=1/（T?充電+T?放電）=1/[C*（R2+2R1）*In2];（3）

空氣濕度通過(guò)由555定時(shí)器構(gòu)成的測(cè)量振蕩電路，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成反比例的頻率信號(hào)。濕度傳感器模塊原理圖如圖3所示。具體的濕度測(cè)量轉(zhuǎn)換輸出則由單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器來(lái)完成。定時(shí)器T1實(shí)現(xiàn)頻率的計(jì)數(shù)功能。定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。每隔1s對(duì)NE555輸出的頻率進(jìn)行一次采集再由定時(shí)器T1對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，頻率經(jīng)過(guò)確定范圍計(jì)算出相應(yīng)的濕度值。

二、測(cè)試分析

通過(guò)對(duì)上述系統(tǒng)硬件的搭建和軟件算法的調(diào)試，為了測(cè)試溫度傳感器和濕度傳感器的檢測(cè)范圍及精度

選用DHT11作為參考，使三個(gè)傳感器在同樣的環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)顯示。測(cè)試數(shù)據(jù)表如表1和表2所示。

由以上實(shí)物調(diào)試結(jié)果分析由：

DS18B20傳感器測(cè)得結(jié)果與DHT11進(jìn)行比較計(jì)算可得溫度測(cè)量的精度提高了9.1%。這種測(cè)量大大提高了對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度檢測(cè)，減少了因測(cè)量誤差而造成的損失，而且又由測(cè)量范圍可知DS18B20可試用的作物種植范圍較大。

對(duì)于濕度的檢測(cè)，HS1101是一個(gè)濕敏可變電容，不易損壞。且其測(cè)量的濕度范圍與精度有很大的提高。由上所述符合設(shè)計(jì)要求，并且適合應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度檢測(cè)報(bào)警。

三、結(jié)論

本設(shè)計(jì)是溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了以STC89C52為核心，DS18B20為溫度檢測(cè)模塊，HS1101濕敏元件連接555定時(shí)器構(gòu)成濕度檢測(cè)模塊，LCD12864為數(shù)據(jù)顯示模塊以及按鍵設(shè)置模塊和聲光報(bào)警模塊的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物搭建與調(diào)試。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證本設(shè)計(jì)達(dá)到了系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)了溫度的檢測(cè)和濕度的檢測(cè)并且實(shí)現(xiàn)了報(bào)警值的修改，為今后科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一份力量和參考。

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