基于51单片机的蔬菜大棚智能监控灌溉系统

张馨月

为获得更高质量与数量的大棚蔬菜，对蔬菜大棚种植进行规模化、智能化的全方位合理管理无疑成为一种可取的方式，因此提出一种基于51单片机的蔬菜大棚智能监控灌溉系统，该系统可根据监测到的土壤湿度、棚内温度、光照、和二氧化碳浓度，通过数据分析控制对应装置、发出相应警报提示并且显示当前棚内环境情况。

【关键词】51单片机 智能监控 智能灌溉 温度 湿度 光照 二氧化碳浓度

1 引言

基于51单片机的蔬菜大棚智能监控灌溉系统，通过手动模式的控制的或者自动模式的智能判断，控制器发出命令控制电磁阀和水泵的打开与关闭来达到灌溉的目的，使得灌溉方式更具灵活性。从影响植物生长的外界环境因素来看，合适的光照、温度、湿度、二氧化碳浓度都是植物良好生长的必要条件。因此想要得到高产量以及高质量的蔬菜，对蔬菜大棚内土壤湿度、棚内温度、光照、和二氧化碳浓度进行检测和控制是很有必要的。本系统通过PC上位机实现实时监控相关信息，土壤湿度、光照、二氧化碳浓度的AD采樣、棚内温度以及时间的读取都由控制器内部资源完成，该系统能够大大减少劳动力投入，提高经济效益，促进农业自动化、智能化的发展。

2 智能监控灌溉系统的组成

本系统以51系列单片机为核心控制器件，系统构架主要包括电源部分、单片机最小系统模块、传感器模块、LCD显示模块等。系统总体架构如图1所示。

3 功能模块的设计与实现

3.1 传感器模块设计与实现

3.1.1 温度传感器的选择及功能描述

本系统采用单总线数字化DS18B20温度传感器，其具有体积小、精度高、适用电压宽、可组网、耐磨耐碰、使用方便、封装形式多样等优点，并将其以51单片机为控制器组成温控系统。

用户通过按键自定义温度上下限阈值，并将上下限值与当前棚内温度值在LCD液晶显示器上进行显示。若当前温度超过上限值，则蜂鸣器以1秒间隔发出鸣响，并闪烁红色LED灯，等待用户或系统解除报警；若当前温度低于下限值，则蜂鸣器不间断鸣响，并闪烁红色LED灯，等待用户或系统解除报警；若当前温度介于上下限阈值之间，则亮绿色LED灯，蜂鸣器不做任何提示。

3.1.2 湿度传感器的选择及功能描述

数据采集电路主要采用JZ-TDR3型土壤水分传感器，该传感器具有精度高、灵敏度高的特点，专门用于农田土壤水分的测量。

用户通过按键自定义湿度下限阈值，并将上下限值与当前棚内温度值在LCD液晶显示器上进行显示。在手动模式下，若当前湿度低于设定值，则蜂鸣器以0.5秒间隔鸣响，并闪烁橘黄色LED灯，等待人工解除报警。在自动模式下，若当前湿度低于设定阈值，则系统根据当前环境数据分析选择需灌溉的水量并进行自动灌溉。

3.1.3 光照传感器的选择及功能描述

本系统采用光敏电阻对光照强度进行采集。但由于太阳光线具有的发散性，会导致各个电阻采集到的信号相差很小，无法判断太阳方位，因此光敏电阻不能裸露安装。利用光线直线传播的特性，每个电阻都安装在一个导光筒底部，这样接收的光线将会最强。

若当前光照达不到最适合该植物生长所需的强度，则系统根据当前光照强度分析选择所需光照时间并启动农用钠灯进行补光照射。用户也可根据种植经验自己手动开关补光灯控制补光时间，使农作物处于一个最适宜生长的棚内环境中，已达到高产量、高质量的效果。

3.1.4 二氧化碳浓度传感器的选择及功能描述

本系统采用S-100HCO2传感器，S-100HCO2传感器是一种光学式气体传感器，利用不同气体会吸收不同波长的光，我们可以唯一确定出这一种气体。

当系统整合出当前棚内二氧化碳浓度达不到植物一天内此时段所需的浓度时，系统会根据不同时段所需二氧化碳浓度的不同，选择对应的增加二氧化碳浓度的方案。白天植物进行光合作用较强，所以此传感器只在白天发生作用。系统根据合适的光照强度，自动计算出所需的二氧化碳浓度，分析选择启动二氧化碳发生装置或选择对大棚进行通风，达到所需浓度后，系统自动关闭二氧化碳发生装置或关闭通风口。

3.2 显示电路模块选择

本系统采用12864LCD液晶显示器，其具有工作电压低、微功耗、体积小、可视面积大、无电磁辐射、数字接口、寿命长等特点。

3.3 串口通信模块

通过串口通信实现上位机PC端与单片机的良好通信，便于上位机处理单片机发送过来的数据以及上位机发送命令任务，以实现各功能模块的与系统整机的联系。

3.4 驱动模块

本系统驱动模块包括：按键、电磁阀和水泵灌溉装置、LED和蜂鸣器电路、通风驱动装置、二氧化碳发生装置、农用钠灯驱动装置等，以配合系统达到给大棚蔬菜提供最适生长环境的目的。

4 结束语

由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度共同作用的蔬菜大棚智能监控灌溉系统，以51系列单片机为核心结合传感器模块和驱动器件组成，硬件电路简单，系统成本较低，具有很高的实用性。通过此系统对蔬菜大棚实时监测和控制，保证蔬菜的良好生长环境，以获得高质量及高收益的产量，对蔬菜大棚的手动、自动灌溉模式的选择使得灌溉方式更具灵活性，减少了对人力资源的输出，促进了农业的自动化发展，具有较高的经济效益和社会效益，值得广泛推行。

参考文献

[1]濮少翔，周恺.智能灌溉系统的设计与实现[J].赤峰学院学报（自然科学版），2016（03）.

[2]刘柳，姚超.基于STC89C51与DS18B20温度传感器的温控系统设计[J].电脑知识与技术，2015（06）.

作者单位

西华师范大学 四川省南充市 637000