基于单片机的人工气候箱的设计

摘 要：为了解决自然环境中温度、湿度、光照等影响作物生长发育的因素难以控制的难题，人工气候箱应运而生。人工气候箱通过计算机人为地模拟自然环境，从而得到不同农作物的最优生长条件。本文以8031单片机为控制核心，配置相应的驱动电路、I/O口、温度传感器、湿度传单器以及键盘和显示电路等并完成软件设计，从而完成显示、打印、报警等功能。

关键词：人工气候箱;农作物;单片机;温度;湿度

在自然环境中，影响农作物生长发育的三大主要因素是温度、湿度、光照，但是自然环境中，这三个因素又难以控制，为了探索各种农作物的生长发育规律，培育新品种，就需要局部的理想的人工气候环境。人工气候箱就是使用计算机模拟自然环境，适用于是生物遗传工程、医学、农业、林业、环境科学等领域，是生产和科研理想的试验设备。

一、总体设计方案

1.功能要求与技术指标：

（1）温度。自然环境中一天24小时的温度是随着时间变化而变化的。实验证明，一天中14时对应最高温度Tmax，0时即凌晨对应最低温度Tmin。最高温度Tmax和最低温度Tmin一年四季不同。Tmax和Tmin温度范围为[﹣10℃～50℃]，误差为±1℃。在这里温度分为实时温度即人工气候箱的实时测量温度，设定温度即实验要求设置的温度。

（2）湿度。给出湿度设定值，误差不超过±10%。

（3）光照。采用人工灯源模拟自然光照，根据要求，设定光照时间，光照大小模拟自然光照规律。

（4）温度、湿度报警。为了精确控制，防范事故，当温度、湿度超过一定的范围，要求有声光报警功能并切断电源，停止人工气候箱的工作。

（5）显示。显示实时温度、湿度，和设定的温度、湿度，实时时间等、

（6）打印。打印的内容同样要包括实时温度、湿度，和设定的温度、湿度，实时时间等、

2.实现措施：

（1）实时时钟。温度、湿度、光照都与时间有关，本设计中需要设定实时时钟，并由时钟程序完成，时钟包括年、月、日、时、分、秒。

（2）溫度控制。实时温度和设定温度差值超过±0.5℃，进行加热或者冷却处理，从而控制实时温度跟随设定温度的变化。

（3）光照控制。采用2组，每组设有4个人工光源，通过各个光源的开、关配合，模拟自然光的变化规律。

（4）湿度控制。当实时湿度和设定湿度误差大于±10%，执行加湿或除湿操作。

（5）温度、湿度报警。当温度、湿度超过设定的报警值时，声光报警并切断电源，保护人工气候箱设备。

（6）键盘和操作键。

二、硬件系统的设计

市面上的单片机系列和品种很多，本文综合功能要求和技术指标，选择MCS-51系列中的8031为控制核心，配置相应的外部扩展和传感器电路，实现温度、湿度的实时采集，A/D转换、显示、打印等功能。

1.信号采集。本设计中有温度、湿度两个模拟信号需要采集。通过温度、湿度传感器将温度、湿度转化成连续的模拟量，其中温度传感器的输出量比较小，需通过放大电路放大后，送入A/D转换器，湿度传感器的输出直接送入A/D转换器。采样电路如图1所示。

图1中的温度传感器采用热敏电阻，热敏电阻器的电阻值对温度很敏感，不同的温度下，电阻值不同。热敏电阻的最基本特性是其阻值随温度的变化有极为显著的变化。热敏电阻的作用是将温度变化变成电阻大小变化，热敏电阻和另外的三个电阻组成桥式电路，将电阻变化变成电压变化，再经放大电路的处理，送至A/D转换，转化成数字信号，送至单片机主机进行处理、显示、运算、控制等。

2.键盘及显示电路。单片机主机8031通过扩展，配备6位LED显示、4×4键盘。

三、软件系统的设计

软件系统分为两部分1.监控程序。监控程序包括键盘显示程序、时钟程序等。其中时钟程序可以模块化处理，采用已有的固有程序。2.主程序。主程序要完成的功能有设定温度计算、温度采样、湿度采样等。主程序软件结构框图如图2所示。

四、结语

本文中设计的人工气候箱，基本满足了功能要求和技术指标。对于研究农作物生长发育最佳条件，提供了有效的工具。本设计中的人工气候箱，完成了模拟自然环境，制造实验、科研、生产所需的理想人工气候，对于农业发展意义重大。

参考文献：

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[4]赵爱玲，黄景涛.基于单片机的电阻炉温度控制系统[J]. 安阳工学院学报，2008（6）：8-10.

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作者简介：李梦瑶（1985-07-）女，汉族，河南理工大学硕士，控制理论与控制工程 助教。