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摘 要：本文设计了一种温室大棚环境参数控制系统。以单片机为核心，利用传感器采集温室大棚内影响农作物生长的温度、湿度、光照、CO2等环境参数，通过单片机输出控制信号，经隔离放大后驱动温室大棚内相应装置的开合，达到环境参数控制的目的。系统具有输入和显示模块，方便技术人员对环境参数进行设置和更改及了解系统状态。
关键词：单片机；温室大棚；环境参数；传感器；控制
随着农业科学技术的发展，温室大棚蔬菜种植技术得到了大力推广。然而，目前我国温室大棚内温湿度等参数的监测和控制主要依靠人工完成，自动化程度低。究其原因主要是一套温室大棚智能监控系统设备的价格昂贵，且温室大棚相对偏远，远离城区导致系统维护保养不易，极大的阻碍了智能温室大棚控制系统的应用[1]。对此，本文设计了一种成本低、稳定性好、适应性强、便于推广的温室大棚控制系统。
1.系统工作原理
温室大棚是在土地上合理利用支撑和隔离材料组合成的一个相对封闭的农作物种植空间。为了充分发挥温室大棚的效率，需要对影响农作物生长的温度、湿度、光照、CO2等环境参数进行有效的检测和控制[2]。本系统利用传感器采集温室大棚内与农作物生长有关的环境参数，传输给单片机进行处理，处理后向各执行机构输出相应的控制信号，从而改变相关的环境参数，为温室大棚内农作物的生长提供适宜的环境。同时系统包含LCD显示模块、报警电路和键盘输入模块，以方便农业技术人员直观了解和设置农作物生长环境参数。系统结构如图1所示。
2.系统硬件设计
2.1 单片机系统
单片机是整个温室大棚控制系统的核心部分，系统单片机采用宏晶STC15F2K60S2系列单片机，该单片机采用宏晶第八代加密技术，加密性好，温飘小，频率宽范围可设置，指令代码完全兼容传统51系列单片机。单片机内部资源丰富，功能强大且价格便宜，内部有3路PCA、8路高速10位A/D转换、2组高速异步串行接口、1组高速同步串行通信端口、内置2K字节大容量SRAM[3]。另外，单片机内部集成高精度时钟电路和高可靠复位电路，可省去外部晶振和复位电路，进一步增强系统稳定性和降低成本。
2.2温室大棚环境参数采集传感器
系统利用传感器采集温室大棚内与农作物生长有关的环境参数，其中温湿度检测采用DHT11温湿度传感器，该传感器含有已校准数字信号输出的温湿度复合检测传感器。传感器内部包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件，且内部集成一个高性能8位单片机。与同类产品相比，其具有品质卓越、快速响应、抗干扰能力强、传输距离远、功耗极低、性价比高等优点。DHT11采用单总线数字信号输出温湿度信号，1、4引脚连接电源，2脚通过5K上拉电阻直接与单片机I/O口相连，进行温湿度数字信号传输。湿度測量范围20-90%RH，精度±5%RH，分辨率1%RH，温度测量范围0-50℃，精度±2℃，分辨率1℃，长期稳定性<±1%RH/年。
温室大棚内光照度检测采用GY-30数字光强度检测模块，该模块是一种两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用其高分辨率可以探测较大范围的光强度变化，并内置16bitA/D转换器，可直接输出数字信号。模块以BH1750FVI芯片为核心检测光照度，并集成稳压器和电平转换电路，使该模块供电及通信电压为3-5V，方便与外部电路连接。使用时1脚接电源VCC，4、5引脚接电源GND，2、3引脚通过5K上拉电阻与单片机两个I/O口相连。该模块具有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性（峰值灵敏度波长典型值：560nm），无需其他外部件，可检测1-65536lx之间的光照强度，且对光源种类不敏感，可检测白炽灯、荧光灯、卤素灯、太阳光等各种光源，测量误差小，受红外线影响很小。
温室大棚内CO2检测采用MG811- CO2检测模块，该模块是一种具有双路信号输出的CO2浓度检测传感器集成电路。利用其高分辨率可以实现CO2 0- 10000 PPM浓度范围内的浓度检测。该模块以CO2气体感应探头和L M393为核心对CO2浓度进行检测并输出TTL电平信号和模拟信号。其中TTL电平信号低电平有效，可作为浓度报警信号，直接与单片机I/O口相连，浓度报警阈值可通过模块电位器调节。模拟信号输出0-2V或0-4V电压信号，浓度越低输出电压越高，与单片机相连后，通过单片机内部A/D转换模块转换为相应的数字信号。该模块带温度补偿输出，当温度环境变化时，输出电压信号变化，将温度变化量转换为对应电压输出变化量，从而通过程序可以补偿该温度变化量，提高CO2浓度检测精确度。
2.3温室大棚环境参数控制部分
温室大棚环境参数的改变通过控制天/侧窗、遮阳装置、加热器、加湿器、风机的开闭实现。单片机接收温室大棚环境参数信号进行处理，输出数字控制信号，该信号经过ULN2003芯片光耦隔离后驱动电磁继电器动作，控制相应的电动机的开关状态，改变天/侧窗、遮阳装置等设施，从而达到改变环境参数的目的。
2.4人机接口电路部分
人机接口电路部分包含键盘输入模块、报警电路模块和LCD显示模块。键盘输入模块方便用户对温室大棚参数进行设置和更改。当温室大棚参数超过预先设定的报警值是，报警电路模块发出相应的报警铃声，方便技术人员及时处理。LCD显示模块对大棚环境参数和系统工作状态进行实时显示，方便技术人员了解大棚环境参数及系统工作情况。
3.系统软件设计
为提高系统地稳定性和可靠性，系统软件设计较为简洁，包含主程序和中断服务程序两部分。按键输入部分设置和更改各环境参数的阈值，需要满足快速响应的要求并且软件设计简单故采用中断的方式实现。数据采集、分析和决策、控制信号输出、报警输出和显示程序在主程序中实现。主程序流程图如图2所示。
4.结论
本温室大棚控制系统采用单片机为控制核心，利用温湿度传感器、光照传感器、CO2浓度检测传感器采集温室大棚环境参数，经单片机处理后输出相应控制信号，改变温室大棚内相应装置的开关状态，实现参数控制的目的，且系统参数可设置，环境参数及系统状态可显示，方便技术人员操作和了解温室大棚状况。经验证，本系统结构简单，成本低廉、稳定性好，具有较强的适应性，能实现对温室大棚环境参数的控制，为农作物提供适宜的生产环境。
参考文献
[1]蔡思静.结合物联网技术的烟叶堆存储温湿度控制系统设计[J].中国农机化学报，2014，35（6）.
[2] 田苗苗.温 室 大 棚 监 控 系 统 的 研 究 [D].吉 林：吉 林 大学，2013.
[3]STC15 系列单片机器件手册. 宏晶公司官网 http：//www.stcmcu.com/index.htm.
关键词：单片机；温室大棚；环境参数；传感器；控制
随着农业科学技术的发展，温室大棚蔬菜种植技术得到了大力推广。然而，目前我国温室大棚内温湿度等参数的监测和控制主要依靠人工完成，自动化程度低。究其原因主要是一套温室大棚智能监控系统设备的价格昂贵，且温室大棚相对偏远，远离城区导致系统维护保养不易，极大的阻碍了智能温室大棚控制系统的应用[1]。对此，本文设计了一种成本低、稳定性好、适应性强、便于推广的温室大棚控制系统。
1.系统工作原理
温室大棚是在土地上合理利用支撑和隔离材料组合成的一个相对封闭的农作物种植空间。为了充分发挥温室大棚的效率，需要对影响农作物生长的温度、湿度、光照、CO2等环境参数进行有效的检测和控制[2]。本系统利用传感器采集温室大棚内与农作物生长有关的环境参数，传输给单片机进行处理，处理后向各执行机构输出相应的控制信号，从而改变相关的环境参数，为温室大棚内农作物的生长提供适宜的环境。同时系统包含LCD显示模块、报警电路和键盘输入模块，以方便农业技术人员直观了解和设置农作物生长环境参数。系统结构如图1所示。
2.系统硬件设计
2.1 单片机系统
单片机是整个温室大棚控制系统的核心部分，系统单片机采用宏晶STC15F2K60S2系列单片机，该单片机采用宏晶第八代加密技术，加密性好，温飘小，频率宽范围可设置，指令代码完全兼容传统51系列单片机。单片机内部资源丰富，功能强大且价格便宜，内部有3路PCA、8路高速10位A/D转换、2组高速异步串行接口、1组高速同步串行通信端口、内置2K字节大容量SRAM[3]。另外，单片机内部集成高精度时钟电路和高可靠复位电路，可省去外部晶振和复位电路，进一步增强系统稳定性和降低成本。
2.2温室大棚环境参数采集传感器
系统利用传感器采集温室大棚内与农作物生长有关的环境参数，其中温湿度检测采用DHT11温湿度传感器，该传感器含有已校准数字信号输出的温湿度复合检测传感器。传感器内部包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件，且内部集成一个高性能8位单片机。与同类产品相比，其具有品质卓越、快速响应、抗干扰能力强、传输距离远、功耗极低、性价比高等优点。DHT11采用单总线数字信号输出温湿度信号，1、4引脚连接电源，2脚通过5K上拉电阻直接与单片机I/O口相连，进行温湿度数字信号传输。湿度測量范围20-90%RH，精度±5%RH，分辨率1%RH，温度测量范围0-50℃，精度±2℃，分辨率1℃，长期稳定性<±1%RH/年。
温室大棚内光照度检测采用GY-30数字光强度检测模块，该模块是一种两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用其高分辨率可以探测较大范围的光强度变化，并内置16bitA/D转换器，可直接输出数字信号。模块以BH1750FVI芯片为核心检测光照度，并集成稳压器和电平转换电路，使该模块供电及通信电压为3-5V，方便与外部电路连接。使用时1脚接电源VCC，4、5引脚接电源GND，2、3引脚通过5K上拉电阻与单片机两个I/O口相连。该模块具有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性（峰值灵敏度波长典型值：560nm），无需其他外部件，可检测1-65536lx之间的光照强度，且对光源种类不敏感，可检测白炽灯、荧光灯、卤素灯、太阳光等各种光源，测量误差小，受红外线影响很小。
温室大棚内CO2检测采用MG811- CO2检测模块，该模块是一种具有双路信号输出的CO2浓度检测传感器集成电路。利用其高分辨率可以实现CO2 0- 10000 PPM浓度范围内的浓度检测。该模块以CO2气体感应探头和L M393为核心对CO2浓度进行检测并输出TTL电平信号和模拟信号。其中TTL电平信号低电平有效，可作为浓度报警信号，直接与单片机I/O口相连，浓度报警阈值可通过模块电位器调节。模拟信号输出0-2V或0-4V电压信号，浓度越低输出电压越高，与单片机相连后，通过单片机内部A/D转换模块转换为相应的数字信号。该模块带温度补偿输出，当温度环境变化时，输出电压信号变化，将温度变化量转换为对应电压输出变化量，从而通过程序可以补偿该温度变化量，提高CO2浓度检测精确度。
2.3温室大棚环境参数控制部分
温室大棚环境参数的改变通过控制天/侧窗、遮阳装置、加热器、加湿器、风机的开闭实现。单片机接收温室大棚环境参数信号进行处理，输出数字控制信号，该信号经过ULN2003芯片光耦隔离后驱动电磁继电器动作，控制相应的电动机的开关状态，改变天/侧窗、遮阳装置等设施，从而达到改变环境参数的目的。
2.4人机接口电路部分
人机接口电路部分包含键盘输入模块、报警电路模块和LCD显示模块。键盘输入模块方便用户对温室大棚参数进行设置和更改。当温室大棚参数超过预先设定的报警值是，报警电路模块发出相应的报警铃声，方便技术人员及时处理。LCD显示模块对大棚环境参数和系统工作状态进行实时显示，方便技术人员了解大棚环境参数及系统工作情况。
3.系统软件设计
为提高系统地稳定性和可靠性，系统软件设计较为简洁，包含主程序和中断服务程序两部分。按键输入部分设置和更改各环境参数的阈值，需要满足快速响应的要求并且软件设计简单故采用中断的方式实现。数据采集、分析和决策、控制信号输出、报警输出和显示程序在主程序中实现。主程序流程图如图2所示。
4.结论
本温室大棚控制系统采用单片机为控制核心，利用温湿度传感器、光照传感器、CO2浓度检测传感器采集温室大棚环境参数，经单片机处理后输出相应控制信号，改变温室大棚内相应装置的开关状态，实现参数控制的目的，且系统参数可设置，环境参数及系统状态可显示，方便技术人员操作和了解温室大棚状况。经验证，本系统结构简单，成本低廉、稳定性好，具有较强的适应性，能实现对温室大棚环境参数的控制，为农作物提供适宜的生产环境。
参考文献
[1]蔡思静.结合物联网技术的烟叶堆存储温湿度控制系统设计[J].中国农机化学报，2014，35（6）.
[2] 田苗苗.温 室 大 棚 监 控 系 统 的 研 究 [D].吉 林：吉 林 大学，2013.
[3]STC15 系列单片机器件手册. 宏晶公司官网 http：//www.stcmcu.com/index.htm.