基于单片机的温室环境控制系统设计

薄英男++陈恒峰++郭辉++高国民++王桦++蒋畅

摘要：我国温室多为中小型塑料大棚，内部温度、湿度等因素受自然环境影响较大。针对中小型塑料温室大棚内的温度、湿度调控问题，以单片机为控制中心设计温室环境控制系统，提高控制精度及管理效率。

关键词：单片机；控制系统；传感器；温度；湿度

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）05-0017-04

温室栽培是我国北方地区冬季蔬菜瓜果的主要种植方式，能够有效缓解冬季蔬菜瓜果供应压力。我国现有的温室多为中小型塑料大棚，内部温度、湿度等因素受自然环境影响较大，如果不能及时调整，就会影响植物正常生长。目前，大部分温室的温度和湿度调节依靠手动设备，精度较差，且易造成资源浪费。通过温室环境控制系统对温室环境进行实时监测和控制，可以提高控制精度及管理效率，为作物生长提供适宜条件。

1 温室环境控制系统设计方案

环境监控系统的设计是一项复杂工作，涉及知识面较广，包含内容较多。系统设计主要包括硬件部分和软件部分。

系统设计思路为：根据中小型塑料大棚环境监测的实际需求，用户可通过液晶显示屏对温室内部的温度湿度进行实时监测，并可进行环境参数设置，使温室环境稳定在适宜植物生长的状态。

2 温室环境控制系统的硬件设计

硬件是环境控制系统的重要组成部分，主要包括控制器、传感器、键盘设定、控制报警、显示屏和程序下载电路。控制处理部分完成数据处理和外部设备控制；传感器用于环境数据采集；键盘电路用于环境参数设定；控制报警电路控制温室内部的调控设备及进行报警提示；显示屏接口电路用于显示环境监测值。

2.1 控制器电路

控制器是系统的核心部分，主要作用是数据处理、对外发布控制命令、协调系统各部分工作。工作时，控制器电路先读取传感器的检测数据，并由显示屏实时显示，同时判断检测数据是否超出设定范围。若超出设定范围，则启动控制电路和报警电路，对温室环境进行调控和报警提示。

控制器选用STC89C51单片机，其价格低廉，具有较好稳定性，外部扩展功能强大。STC89C51单片机有多种封装形式，系统使用双列直插式，具有宽电压输入范围，对输入电压的要求较低且功耗较小。STC89C51单片机需外接复位电路和时钟电路。复位电路在启动或运行出错时提供复位信号；时钟电路提供时钟基准，保证正常工作。STC89C51控制器电路如图1所示。

2.2 传感器接口电路

系统选用传感器DHT11来采集温室内部温度和湿度数据。是温湿度复合型传感器，精度较高，价格低廉。DHT11输出数字信号，可直接与控制器进行连接，通过一根数据线进行数据串行传输。DHT11的接口电路如图2所示，VDD接电源正极，NC为空管脚，进行悬空处理即可，DATA串行数据传输线，GND接地端。DHT11的供电电压为3.0～5.5 V。为稳定传感器与控制器之间的数据传输，需要在DATA管脚添加1个10 K上拉电阻。

2.3 键盘输入电路

系统参数设定通过键盘完成，按键被赋予不同功能，通过各按键配合完成调控参数设定。键盘由3颗按键组成，第一个按键为功能按键，主要用于温度和湿度设定之间切换；第二个按键和第三个按键主要用于温湿度设定值调节。键盘输入电路如图3所示。

2.4 控制报警电路

控制部分主要管理温室内部设备，根据单片机指令控制温室设备工作。控制电路主要由开关三极管、续流二极管和继电器等组成。三极管主要对单片机的控制信号进行功率放大，继电器用于控制220 V用电设备的电源。报警部分的电路主要由开关三极管、发光二极管和蜂鸣器组成。开关三极管对控制器信号进行功率放大，蜂鸣器和发光二极管用于声光等信号输出。控制报警电路如图4所示。

2.5 液晶屏显示电路

选用1602液晶屏对温室内部的环境信息进行显示。1602液晶显示屏结构小巧、耗电少、性价比较高，可以方便地进行字符和数字输出。其接口电路如图5所示。

2.6 程序下载电路

系统通过RS232串口电路进行程序下载，主要在单片机串口的TTL电平和232电平之间进行转换。RS232串口电路如图6所示。

3 温室环境控制系统的软件设计

系统程序的开发和调试由Keil软件完成，程序开发采用C语言。系统程序分为主程序和子程序，主程序是系统程序的主体部分，通过不断调用各子程序完成对硬件部分的控制。

系统主程序的流程图如图7所示。系统启动后进入初始化状态，此后主程序调用液晶显示屏驱动程序，对环境参数的检测界面进行设置；主程序根据用户操作对温室环境参数进行设定，并对温室环境进行调控。

4 温室环境控制系统仿真

系统设计完成后，在Proteus软件内进行仿真，完成对系统设计的检验。Proteus软件可以比较真实地反应电路的实际运行效果，并支持单片机加载程序进行仿真。在Proteus软件内绘制系统仿真电路并进行仿真测试。通过对系统电路进行仿真，验证系统对路设计是否合理。根据仿真效果对电路的设计进行修改，可有效提高系统的可靠性和精度。

5 结论

系统主要适用于中小型塑料温室大棚，实现对温室环境的实时监测和调控。系统设计以51系列单片机为控制中心，采用可靠性和性价比较高的传感器进行环境数据传输，能够有效降低系统成本。

參考文献

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[3] 郑晓霞，曹剑英，戴丹丹.基于Proteus的单片机系统设计与仿真[J].科研，2016，9（11）：00260.