蔬菜大棚温度监测系统的设计

张祥壮 王延玉

（潍坊科技学院，山东 潍坊262700）

温室大棚现在正朝着机械化、现代化、智能化方向发展。温度监测系统的发展经历了三个阶段：（1）人工感受，人们通过自身感受和以往的种植经验控制温度，但浪费人力，误差较大。（2）自动监测，使用温度计实时监测棚内温度变化，需要人们直接观察，而且仪器精密度不高，易受环境干扰等。（3）智能监测，通过利用硬件控制电路监测温度，与设定值比较进行自我调节与报警。

蔬菜的生长对于温度有着非常苛刻的要求，随着科技的不断发展，在蔬菜种植领域也要求各种信息数值的准确性和时效性。适合的温度有利于蔬菜的生长，不同的蔬菜适宜温度也大有不同。因此需要准确的控制大棚室内的温度，为蔬菜的生长繁殖提供可靠的保证。

大棚温度监测是一个非常复杂的监测过程，因为所监测的数据具有非线性、延时性、变量性等特点，为温度监测数据处理提出了很高的要求。

1 系统整体设计

本课题是设计一个温室大棚温度监测预报警系统。系统结构如图1 所示，首先需要给单片机STC89C52 提供+5V 的电源，同时利用DS18B20 温度传感器获得实时的温度数据，然后将实时温度信息给STC89C52 单片机做数据处理，通过数码管来显示实时温度，利用按键来实现一个温度区间的设置、复位等功能，如果实时温度不在设置区间范围内时，蜂鸣器报警提醒种植人员注意调节棚内温度。

图1 总体设计框图

2 硬件电路设计

本系统的电路原理图如图2 所示。现对各个部分做简要介绍。

图2 电路原理图

2.1 温度传感器DS18B20

大棚内的温度通常在10℃～40℃左右，DS18B20 温度传感器在现实中应用非常广泛，可以在-55℃～125℃范围内对温度进行监测。在0℃～100℃内，DS18B20 传感器有良好的线性特征，能够更好的对大棚内的温度进行监测，符合设计要求。

DS18B20 温度传感器是一个输出信号全部为数字信号的传感器，这样有利于单片机直接进行数据的整合与处理，也可以省去很多的外部电路的再设计工作。另外，选择DS18B20 温度传感器也是因为它采用了单总线的数据传输方法，可以直接与STC89C52 单片机相连接进行数据传输信号处理等工作。这样在硬件电路设计时，可以使结构更加简单，同时体积也可以缩小，便于最后进行安装调试。

DS18B20 温度传感器的供电方式我们采用电源供电方式，接线方式为1 脚接地，2 脚当做信号传输线与单片机连接，3 脚接电源。电源电压VCC 需要我们提供5V 左右的电压，否则温度无法转换或者显示温度误差会比较大。同时我们需要提供4.7k的上拉电阻给I/O(单总线数据传输)线温度转换期间提供足够的能量。

2.2 单片机STC89C52

本系统采用STC89C52 单片机作为硬件电路设计的核心部分。单片机控制具有处理数据快、稳定、方便等优点。STC89C52单片机还拥有强大的信息处理功能和控制功能，且价格相对较低，同时也具有较强的抗干扰能力。STC89C52 单片机也有功能强大的位操作指令，其芯片内部自带看门狗，程序空间大，最高时钟频率为0～35MHz，可以方便程序的调试，以及程序的烧录等。是实现系统功能要求的理想器件。

在设计时，将端口P1 设计为数码管的数据传输口；端口P20～P23 设计为独立按键的接口；端口P24 设计为DS18B20的数据传输口；端口P34～P37 设计为高位数码管的位选口；单片机的VCC 端口接电源＋5V；单片机的VSS 端口接地。

2.3 显示装置

LED 液晶显示装置的优点在于显示清晰、数据显示量大、使用方便；其缺点也显而易见，价格昂贵，接线设计难度加大等。因为本系统只监测温度不需要显示太多的数据。所以，这里采用数码管装置来进行显示，数码管具有操作简单、显示速度快等优点，符合设计的要求。

2.4 按键电路

在进行系统设计时以编写程序简单和容易设计操作为首要要求。因此，输入模块选择了独立按键电路，让每个按键单独占有一根I/O 接口线，并且每个I/O 口的工作状态都互不影响，这种键盘使用端口直接扫描方式，可以让设计电路时思路变得简单，编写程序时也变得相对比较容易。如果采用矩阵键盘则需要采用行列扫描方式，其电路比较复杂，编程难度较大。S2 是温度区间增温按键即“加键”，按下后对设置数值进行加法运算，温度数值增加；S3 是温度区间降温按键即“减键”，按下后对设置数值进行减法运算，温度数值减小；S4 是温度区间设置按键即“确认键”，设置好温度区间后，按下此键确认温度区间。

2.5 复位电路

在利用任何单片机设计电路时，都离不开复位电路。因为单片机开始工作或者工作出现差错时都需要使用到复位这个功能。设计复位电路的目的就是让处于工作中的单片机恢复到开始设定的值，然后单片机再次从初始状态开始继续工作。本设计采用的按键复位为RC 电路（电容10uF，电阻10K，τ=RC=10K*10uF=10ms）。如果外部电路工作导致单片机的RST 端口出现两个机器周期（24 个震荡周期）以上的高电平时，单片机开始复位。

2.6 时钟电路

单片机的工作都是在编写好的程序指控下操作的，它从获取到工作指令再到开始处理，都必须在时钟信号的控制下才能进行。设计时采用内部时钟电路方式，输入端口为XTAL1，输出端口为XTAL2，这两个端口外接电容和晶体，电容为30pf，晶体的震动频率选为12Hz。

2.7 蜂鸣器报警电路

本系统采用了蜂鸣器报警设计。驱动的方式采用PNP 型S8550 三极管驱动（价格低廉，易于操作），如果单片机的P25 端口输出为低电平，三极管内VE＞VB＞VC＞0 时，三极管开始导通，此时蜂鸣器开始报警；当P25 端口输出为高电平时，三极管停止工作，蜂鸣器停止工作。

3 系统软件设计

在进行系统软件设计时，采用了分块编程即模块化编程的方法。主要的模块有系统初始化模块、温度传感器采集模块、数码管显示模块、单片机信息处理模块等，实现了从数据采集到提交给单片机做数据处理；判断温度是否在设定区间（如果不在，则蜂鸣器开始报警）；再到数码管显示及重复测温等工作。完整序完成的功能：

（1）对硬件电路的初始化；（2）实时温度的采集；（3）单片机数据的处理；（4）温度区间的设置及判断；（5）蜂鸣器的报警功能；（6）数码管显示。程序流程图见图3 所示。

系统在完成一次温度采集与是否报警后，为了更好的对温度进行监测，每隔十分钟会再次执行系统的操作指令。

4 系统的仿真与测试

在设计完成电路后，利用Proteus 软件对电路进行仿真。整体仿真结果如图4 所示，仿真的首要目的就是检验电路的正确性，经仿真测试可得，电路运行可靠，仿真成功。

图3 程序流程图

图4 电路仿真图

结束语

本文设计的蔬菜大棚温度监测系统，通过单片机STC89C52来读取温度传感器DS18B20 的工作状态，然后对温度传感器DS18B20 得到的实时数据进行处理。数码管用来显示实时的环境温度，然后利用按键设置高温低温报警值范围，如果检测的温度大于设置的温度报警值的时候，蜂鸣器开始工作并报警同时报警灯闪烁；如果小于设定温度最小值，同样的蜂鸣器开始工作并报警同时报警灯闪烁。

本系统结构简单，功能调试方便，系统处理数据快速灵活。经多次实验监测，该大棚环境监测系统设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。