蔬菜温室大棚温度控制系统的设计

段乃侠

(陕西国际商贸学院信息与工程学院，陕西 咸阳　712000)



蔬菜温室大棚温度控制系统的设计

段乃侠

(陕西国际商贸学院信息与工程学院，陕西 咸阳712000)

摘要：为了提高蔬菜大棚的经济效应，实现温度自动控制，开发了蔬菜温室大棚温度控制系统。该系统以温度自动控制为目的，采用AT89S51单片机为核心控制器，运用DS18B20传感器对大棚温度进行采集，通过LCD1602显示器对当前温度进行显示。以西红柿大棚为例对该系统进行验证，实验结果表明：该系统能自动调节环境参数，且测得的数据结果可靠、精准。

关键词：温度控制；单片机；温室大棚

蔬菜的生长发育受到温度的影响，因此对于蔬菜温室大棚来说，在蔬菜的整个生长过程中，要随时检测温度的变化，以便对温度进行控制，保证蔬菜所处的环境温度符合蔬菜生长发育的要求，提高蔬菜的产量和质量。

关于温度控制系统的研究，我国当前已经取得了一定的科研成果。太原理工大学研制开发了蘑菇温室控制系统，可以对温度、光照、CO2浓度、肥料浓度等进行智能综合控制[1]；曲阜师范大学成功研制了采用分布式控制管理方式的蔬菜温室大棚智能控制系统[2]。但是当前市场上有一些针对温室大棚环境监测的系统，只能进行简单的监测和报警，不能及时控制调节室温和土壤水分参数，同时还存在测量精度低和布线复杂等问题; 也有些采用了 ZigBee 无线通信技术的设备，但是存在传输距离短、无线传输路由复杂、经常出现数据丢失等故障[3-4]。为了克服上述缺点，更好地对温度进行控制，本文开发出一种基于计算机自动控制的蔬菜大棚温度控制系统，并力求在测控精度、经济实用等方面对系统进行优化。

1温室温度自动控制的目标功能

1)系统能够对蔬菜大棚的环境温度进行采集和显示。

2)用户可以通过上位机远程设定蔬菜生长期适宜的温度范围，并可通过上位机中预先存储的不同蔬菜不同生长期的温度数据，学习种植蔬菜知识。

3)当大棚的环境温度参数超出设定的上下限5℃时，系统自动启动报警装置，并同时启动控制系统进行升温或降温操作，直到温度回到预设值范围内。

4)可对大棚当前的环境温度、时间、报警阈值等信息进行实时显示，也可查询各个时间段的温度情况。

2控制系统的总体设计

温度控制系统的核心是51单片机，温度的调节和控制是通过调温控制模块进行的。当系统开始工作时，用户可以在上位机通过键盘输入温度的初始上限值和初始下限值，上位机和单片机通过通信接口进行数据交换，单片机系统将用户设置的初始值保存于芯片中，温度传感器开始检测周围环境的温度，并将检测到的温度值通过显示模块显示输出。当大棚内的温度小于或大于设置的初值时，单片机将通过报警模块发出警报声，提示温度已超出预先设定的阈值，同时单片机启动调温控制模块，使控温设备开始工作，进行升温或降温操作，使温度回到预设值范围。该大棚温度控制系统的结构图如图1所示。

2.1　上位机

在本系统中，上位机的主要作用是作为一个可视化的人机界面，操作者可以通过上位机设置大棚温度的阈值，实现与单片机之间的通信，如发送升温命令、降温命令等，也可以查看各个控制点的温度信息及报警信息。除此之外，在上位机的操作界面还增加了一项功能，即“蔬菜种植学习”按钮，用户在闲余之际可点击此按钮，进行蔬菜种植方面的学习。因此，本系统对于上位机没有特殊的要求，选择普通的PC机即可，经济方便。

2.2　单片机的选取

本系统中的单片机选用AT89S51作控制器[5]，AT89S51是一个低功耗、高性能的CMOS 8位单片机。本系统中单片机的主要功能是：实现对数字量的采集；可通过键盘设置参数；进行声光报警；通过按键来完成手动/自动控制方式的切换；通过串行接口把采集到的数据和控制信息传送至上位机；接收上位机命令实现参数设置；进行输出控制。

2.3　温度传感器的选取

温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和显示[1]。DS18B20体积很小，用它来组成的温度测量系统线路非常简单，只要求一个接口即可实现通信，且可通过数据线寄生供电。DS18B20温度测量范围为-55℃～+125℃，其分辨率可以从9～12中选择(默认为12)，本系统的温室大棚中要求温度变化范围为15℃～35℃，精度为1℃，所以选用该温度传感器完全可以满足需要。

2.4　显示元件的选取

本系统采用LCD液晶显示器作为显示元件，LCD1602显示器的显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，且LCD1602显示器可以显示2行16个字符，完全可以满足本系统的需要。

2.5　报警系统的选取

报警系统是整个设计的辅助部分，它能帮助用户发现大棚的异常环境，本系统的设计思路是：由单片机AT89S51的3个引脚P3.0～P3.2分别控制报警器的开或关和两个二极管，用以报警。红色二极管发光代表温度超出预先设定的阈值，绿色二极管发光代表温度在设定范围内，当这些输出端输出为低电平时，对应的二极管发光。

3系统的软件设计

3.1　上位机程序设计

系统工作流程如图2所示。本文设计的上位机程序可实现对降温电机、升温电机的启停控制，控制板DS18B20传感器实时采集温度信息并将这些信息传输到上位机，实时显示在上位机的程序界面中。该程序的关键在于上位机Windows软件与下位机单片机程序之间通过串口实现双向通信。程序流程图如图2所示。

图2　温室自动控制系统工作流程图

选用目前主流的C语言编程进行程序设计，程序的控制命令采用字符串命令，具体约定见表1。

表1上位机C语言程序字符串命令

操作要求加热开加热关降温开降温关字符串命令HOT_OPENHOT_CLOSECOLD_OPENCLOD_CLOSE

3.2　下位机程序设计

1)按键、控制引脚定义。

Sbit k1=p1^6;//升温电机开关控制按钮

Sbit k1=p1^7;//降温电机开关控制按钮

Sbit F_IN1=p1^0;//升温电机开关控制端

Sbit F_IN2=p1^1;

Sbit F_IN3=p1^2;//降温电机开关控制端

Sbit F_IN4=p1^3;

2)采集显示温度程序。

Float temp=0.0;

LCD_Initialize();//液晶初始化

LCD_ShowString(0,0,“wenshihouse Test”);

LCD_ShowString(1,0,“TEMP: ”);

Read_Temperature();//读取温度

Delay_ms(800);//延时

While(1)//循环读取温度并显示

{if(Read_Temperature() )//读取温度正常则转换并显示

{temp=(int)(Temp_Value[1]<<8|Temp_Value[0])*0.0625;

Sprint(Disp_Buffer,“%5.1f”,temp);//浮点温度转换为字符串

PutStr(stract((char*)Disp_Buffer,“ ”));//向PC机发送温度数字串

Strcat(Disp_Buffer,“xDFx43”);//浮点温度字符串末尾附加摄氏度符号

LCD_ShowString(1,7,Disp_Buffer);//液晶显示

Delay_ms(50);

}

}

3)电机控制程序。

If(k1==0)//升温电机开关控制

{delay_ms(10);

If(k1==0) { F_IN1=1; F_IN2=1; }

else { F_IN1=1; F_IN2=0; }

}

If(k2==0)//降温电机开关控制

{delay_ms(10);

If(k2==0) { F_IN3=1; F_IN4=1; }

else { F_IN3=1; F_IN4=0; }

}

4实验分析

为了验证上述系统的有效性，对一个西红柿蔬菜温室大棚进行实验测试。该大棚的规格为80m×15m，以西红柿的坐果期为例，该期对生长环境的要求十分严格，如果温度太高或太低、通风不及时、湿度过大都会引起农作物的病虫害，白天温度要求25℃~28℃，夜间温度要求13℃~15℃，土壤含水率保持在65%~80%，空气湿度50%~60%。大棚的土壤水分检测区域分成4块，每块规格为15m×20m，在大棚的四面墙上安装4个温湿度监控节点，土壤水分测定传感器埋在土壤中，埋入的深度为2~3m，监测西红柿坐果期白天的生长环境，测得的实验数据见表2、表3。

表1　大棚内西红柿坐果期温湿度监测结果(9:00-17:00)

表2　大棚内西红柿坐果期土壤含水率监测结果(9:00-17:00)

根据表1的数据可知，大棚内白天的湿度范围为50%~60%，白天的温度范围为25~28℃，没有超出果实生长的最佳控制范围，避免了温度太低、湿度过大而引起作物病虫害。由表2可知，棚内4块土地的土壤含水率范围都在65%~80%，这充分说明系统能够自动调节环境参数，并且测得的数据结果可靠、精准。

5结束语

蔬菜温室大棚温度控制系统采用了上位机(PC机)与下位机(单片机)相结合对温度控制的方法，解决了传统的只使用单片机控制的系统界面不易操作、功能单一的缺点。本系统采用Windows操作界面，界面友好、易操作，并在该系统中增加了蔬菜种植学习数据库，用户可以在管理大棚的同时进行学习，一举多得。由于现在PC机家庭普及率非常高，因此使用本系统的成本不高，自动化程度高，温度控制比较精确。使用该系统可有效地降低蔬菜种植者的工作量，把蔬菜种植者从繁重的人工控制温度的劳动中解放出来，同时还可以提高蔬菜的产量和质量，在蔬菜种植地区有着良好的应用前景和推广价值。

参考文献：

[1]蒋友. 蘑菇温室智能控制系统的设计[D]. 太原: 太原理工大学, 2010.

[2]董文国. 蔬菜温室大棚智能控制系统的设计[D]. 曲阜: 曲阜师范大学, 2012.

[3]袁志强. 基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计[J]. 江苏农业科学，2012，40(11):396-397.

[4]付焕森，李元贵，张雪莲，等.智能专家系统在蔬菜温室大棚种植中的应用[J]. 中国农机化学报,2014,35(1):240-244.

The development of temperature control system of vegetable greenhouse

DUAN Naixia

(College of Information & Engineering,Shaanxi International

Trade College, Shaanxi Xianyang, 712000, China)

Abstract：Using AT89S51 microcontroller as the core controller for the purpose of automatic temperature control, DS18B20 temperature sensor for greenhouses acquisition, LCD1602 displayer for the current temperature show, it develops the temperature control system of vegetable greenhouse. Taking the tomatoes greenhouse as an example, it verifies the function of the system. The experimental results show that the system adjusts automatically the environmental parameters, and is reliable.

Key words：temperature control; SCM; greenhouse;

作者简介：段乃侠( 1979—)，女，陕西咸阳人，陕西国际商贸学院讲师，主要研究方向为单片机编程及高级语言编程。

基金项目：陕西省咸阳市科技局科研基金资助项目(2012K09-08)

收稿日期：2015-10-09

中图分类号：TP311.1

文献标志码：A

文章编号：2095-509X(2015)12-0052-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2015.12.014