基于单片机的温室大棚环境参数监测系统设计

杨丽文　陈如清

（嘉兴学院机电工程学院，浙江 嘉兴 314001）

【摘　要】随着生活水平的提高，人们希望一年四季都能吃到新鲜的蔬菜，因此对影响农作物生长的温度、湿度和光照度等环境参数进行合理有效的监测和控制，成为温室大棚进一步提高的重要方面。以AT89C51单片机为核心，结合温湿度传感器、光照度传感器设计和实现了这种环境参数监测系统，系统包括数据采集模块、控制模块、键盘电路、液晶显示和报警系统。本系统用于对温室大棚的环境参数监测，具有对温室大棚内的温度、湿度和光照度等环境参数进行实时检测并显示等功能。具有重要的应用价值。

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关键词 温湿度传感器；光照度传感器；AT89C51单片机；环境参数监测

0　引言

我国是农业大国，农业生产在国民生产中占据了重要的地位，随着科技水平的提高、人们对生产生活物资需求的增加，温室大棚的发展速度很快，大力发展温室大棚成了近几年的重点[1]。由于我国地理环境复杂气候多变等多方面的原因，根据国外技术设计的温室大棚系统不太符合我国实际，尽管国内已经产生了温室大棚环境参数监测系统的研究成果，但是在稳定性、可靠性和可操作性方面依然不太理想，难以应用推广。为改变传统的人工经验评判的误差大、反应周期长的问题，开发一种稳定性好、可靠性高、成本低、适应性强、易于推广的温室大棚环境参数监测系统，以满足国内日益增长的温室大棚生产的需要[2-3]。

为了提高人们的生活水平，对影响农作物生长的温度、湿度和光照度等环境参数进行合理有效的监测和控制，成为温室大棚进一步提高的重要方面。设计开发适合我国地理、气候等方面特点的温室大棚环境参数监测系统，对温室大棚生产力的提高、管理水平的提高，具有深远的意义。

1　系统工作原理

整个系统的工作过程是通过温湿度传感器、光照度传感器采集信号，内部经信号放大器放大后，送到A/D转换器，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LCD液晶显示温湿度和光照度。它包括了测量，显示与控制三模块，测量模块是由温湿度、光照度传感器来完成的；显示模块是通过液晶显示屏来显示环境参数数据；控制模块则是由单片机来控制驱动电路实现的，当温湿、光照度超过可控范围时单片机启动报警系统。硬件结构如图1所示。

2　硬件系统设计

2.1　单片机控制系统

采用AT89C51单片机作为控制器。在单片机系统设计中，时钟电路和复位电路的设计是十分重要的一个环节，在时钟电路中，C1、C2为负载电容。一般情况下，单片机的晶体振荡为并联谐振状态，也可以理解为谐振电容器。根据晶体振荡器厂家提供的晶振要求来对负载电容进行选值的，也就是说，晶体振荡器的频率就是在他提供的负载电容下测得的，如此既能最大限度的保证频率值的误差，又能保证温漂等误差。所以两个电容的取值应是相同的，或者说相差不大，反之容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。振荡频率为12MHz，幅度为5V。输出的信号与单片机的18，19脚相连。复位电路虽然简单，但其作用十分重要。它通过一个按键和一个极性电容并联，接下拉电阻后接在单片机的引脚RST。

2.2　数据采集单元

本设计采用数字温湿度传感器SHT11和光照度传感器来采集信号。温湿度传感器有SHT10、SHT11、SHT15型号，但要考虑使用环境、稳定性、精度、价格等各方面问题，因此综合考虑以上因素，选择型号SHT11。该传感器由一个温度传感元件和湿度传感器组成，并连接一个高性能的8位单片机。因此，产品品质优良，响应速度快，抗干扰能力强，性价比很高。即使在恶劣的环境下应用，也可以很好地传输，因此成为各种应用的最佳选择。SHT11的额定工作电压在2.4-5.5V范围区间内，而一般供电电压设定是3.3V，在25℃时测温精度为±0.4℃，测湿精度为±3.0％RH。SCK用于微处理器与SHT11之间的通讯同步，DATA用于读取传感器数据。

根据温室大棚内农作物的要求，选择光照度传感器GY-30，无需任何外部零件，光源的依赖性不大，其输出信号为标准的电压及其电流信号，具有体积小、安装方便、线性度好、抗干扰能力强和量程可调的特点，广泛用于环境、养殖、温室和建筑等的光照强度测量[4-5]。

2.3　键盘电路

在实际运用中，需要设置一个适合植物生长的温湿度、光照度范围。当一个单片机应用系统的运行需要人工干预时，键盘往往是一种最简单的干预途径，利用键盘，人们可以很方便的实现向系统输入数据或让系统去执行某一项命令。在此，系统设置了三个按键，通过这三个按键来设置温湿度、光照度的上下限数值。CPU的操作很快，因此这种抖动就容易对按键的识别产生影响，为了防止因按键抖动而导致系统的误操作，一般采取延时操作消除按键抖动。

2.4　输出模块

1）液晶显示电路。采用LCD1602液晶显示屏，显示系统采集到的环境参数，当需要进行参数上下限调整时，显示出参数的调整值。可以调节滑动变阻器来调节数据显示的亮度。2）报警电路。该系统采用三个发光二极管灯作为光报警，当系统检测到的数据符合给定的要求时，现场灯不显示；当系统检测到的数据不符合要求时，现场做出相应参数的报警。本设计采集监测三个数据，设置了3个报警，更加容易分辨是哪个参数需要调整。

3　软件系统设计

主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括键盘程序，中断程序，以及各个控制端口的初始化工作。系统在初始化完成后就进入温湿度和光照度测量程序，实时的测量当前的环境参数，并通过显示电路在LCD上显示数据。程序中以中断的方式来重新设定参数的上下限。根据硬件设计完成对环境参数的控制。按下数值加键可以设定参数上限，按下数值减键可以设定参数下限。

4　结论

本环境参数监测系统设计，是采用数字式温湿度传感器、光照度传感器采集信息，送到单片机进行控制温湿度度和光照度的显示。另外本系统还可以通过外接电路扩展实现报警功能，从而更好的实现温湿度和光照度的实时控制。若AT89C51内存不足，由于引脚相同且功能没有太大差别，可以改为AT89C52替换。在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。

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参考文献

［１］钟新平.基于单片基的温室大棚环境参数自动控制系统[D].控制工程，2011:1-5.

［２］盛凯，于会山.基于cc2530的温室大棚智能监测系统设计[J].无线互联科技，2014（7）:62-65.

［３］王敏，薛隆泉.温室大棚温湿度、二氧化碳测控系统的研究[J].浙江冶金，2007（3）:62-67.

［４］刘洋，金太东.基于CAN总线的智能型温湿度采集系统设计[J].现代电子技术，2010，1:12-22.

［５］李毅，余少辉，周步洲.基于DS18B20的测温系统设计[J].电子技术，2009，1:11-13.

［责任编辑：汤静］