基于ATmega8L智能农业温室大棚检测控制系统设计

文/马东

我国土地辽阔，农业生产还比较落后，南北方农业耕作方式差异较大，特别是广大北方地区，由于气候环境等原因，适宜农作物生长的时间较短，农产品相对比较匮乏。随着科技的进步，目前我国在农业自动化发展应用上还处于初级阶段，跟西方发达国家相比较自动化水平较低，可人们对日常生活要求越来越高，不仅要求吃新鲜的蔬菜水果，而且更希望能在一年四季都能吃到。为了满足人们对美好生活的需求，必须加快农业的现代化改造，温室大棚的出现实施极大的提高了农业生产的方式，随着温室大棚的大规模建设，利用科学技术手段来实现温室大棚的智能管理和控制，将会最大限度的提高农作物的生长周期，同时降低日常维护运营的成本。将对我国的农业现代化发展具有重要的意义。因此本人设计了基于ATmega8L单片机的智能农业温室大棚检测控制系统。

1 系统总体方案构思

本设计是基于ATmega8L单片机为核心来实现控制的智能温室大棚检测控制系统，该系统主要由信号检测部分和控制处理部分组成。以此为基础进行的模块化设计，系统可分为6个模块：LCD显示系统模块、键盘电路模块、信号检测模块、通信模块、控制处理模块、防盗报警模块。该系统首先检测键盘电路，如果有信息输入控制将直接执行，如果没有键盘输入信息，将通过对光照参数、CO2浓度参数、温/湿度参数等数据信息进行采集对比判断 ，同时通过LCD显示系统输出数据，这样检测人员就可以实时监控温室大棚内农作物的环境情况，如果检测到的数据超过所设定的上下限，则系统会自动产生相应的声光报警。所有的检测操作都可以通过主机控制软件来实现。该系统可以实时、精确、可靠地对温室大棚环境进行检测和控制。系统方案框图，如图1所示。

图1：系统方案框图

2 系统硬件电路设计

该系统采用模块化设计，这样不仅方便了系统的软件升级和扩展辅助功能 ，同时也可以根据用户需求而定制和改造不同功能模块，既方便了系统设计、维修和调试，也大大增强了系统的实用性。该系统在设计上采用上位机和下位机结构，上位机为微机系统，主要用于数据的集中管理和存储。下位机为ATmega8L单片机控制器，实现温室大棚内数据的采集和控制。下位机控制器可以实现系统独立，即能脱离上位机独立完成检测、控制和显示报警等功能。

本系统通信接口采用RS232与上位机相连接，可以设置自动记录温室大棚内温/湿度等的相关参数信息，例如通过多个DHT11温湿度传感器采集不同地点的环境数据，并用LCD实时显示程序中设置所需的温湿度，若显示的环境数据超过设置值，则通过防盗报警系统报警。也可以设置每隔一定的时间进行温度和湿度的采集，同时上传到上位机，以供查询。该系统结构简单易于实现。

2.1 控制器主芯片

控制器是系统的核心大脑，对电路的检测和控制至关重要。由于温室大棚的内部环境比较潮湿，而且昼夜间的温度差异较大，从温室大棚环境监控对处理器的要求和性价比方面考虑，选择AVR系列单片机ATmega8L。ATmega8L是基于增强型的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS控制器，ATmega8L单片机的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减监控系统在功耗和数据处理之间的矛盾。另外ATmega8L单片机还具有一整套的编程与系统开发工具，这样更方便系统软件的编写与调试。

图2：温湿度检测电路

图5：声光防盗报警电路

2.2 温湿度检测系统

图6：主程序流程图

温室大棚内农作物的生长要求就是温室大棚的环境指标，不同的农作物温湿度要求也大有不同，一般来说，对于农业温室大棚的空气温度有效范围在0℃～50℃，湿度有效范围在30%～90%。这样更有利于农作物的生长。由于温室大棚面积较大，为了能够更准确测量环境，要求安装多个传感器。本设计中选择DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型传感器。它具有专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术，具有极高的稳定性与可靠性。传感器内部包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件。不需要通过 A/D 进行转换即可得到信息数据。传感器最好安装在温室大棚或畜禽舍中空气流通比较好的遮阳处，防止由于空气流通差导致的局部小气候现象。温湿度检测电路如图2所示。

2.3 光照强度采集系统

由于我国地域辽阔，特别是北方地区冬夏温差较大。为了能够适合更广大的地域。本设计利用了光敏电阻来代替光照强度传感器。因为光敏电阻采集到的是模拟信号，所以需要对信号进行转换。在信号转换方面，本设计选用了ADC0832将模拟信号转换为数字信号。通过ADC8032连接到单片机的P1.1，P1.2，P1.3口，将采集到光照强度信息输入到单片机内，由单片机将采集到的光照信号分为5个等级，5为最高等级，依次递减，单片机采用中断方式对信息进行处理。光照强度采集电路如图3所示。

2.4 LCD系统显示系统

在显示系统中，一般的数据显示终端有两大类：一是采用LED数码管显示，二是采用LCD显示。根据本系统的设计要求，选用自带字库的中文显示模块HG1286401C作为显示器件，其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字能直接显示汉字，字符和阿拉伯数字，显示直观，方便使用。同时可以通过外接电位器对显示屏的亮度进行调整，单片机通过P0.0～P0.7分别与HGl286401C的D0～D7相连接，通过排阻R12为P0.0～P0.7各I/O口加上拉电阻。系统显示电路如图4所示。

2.5 声光防盗报警系统

在温室大棚的主要入口及周边等，可以设置红外传感器或摄像头，当监测到有未经允许进入的人或较大型动物进入时，传感器可通过单片机通知上位机；并同时发出警报。报警电路主要由NPN三极管、限流电阻和蜂鸣器组成，NPN三极管集电极接+5V电源正极，基极通过限流电阻与单片机P2.3端口相接，发射极接地。声光防盗报警电路如图5所示。

2.6 通信互联系统

该系统通过单片机接收数据信息，可以通过以太网、CAN总线或RS232等技术传送给微机系统，并可以通过微机系统向单片机发出指令，实现远程管理控制。本系统采用RS232接口实现远距离串行传输数据。为了实现单片机与上位机计算机之间通讯，系统需要采用MAX232芯片进行电平转换。

2.7 电源模块电路

该系统电源由变压器，桥式整流，滤波电容，和稳压器7805构成。此直流电源具有精度高、稳定度好的特点。三端稳压器是一种通用线性稳压电源集成电路，具有成本低、性能好、工作可靠、使用方便等特点。

2.8 执行控制电路

执行控制电路是系统的主要控制处理环节，本系统根据温室大棚环境参数采集系统获取数据，同各类作物适宜环境参数进行数据对比判断，当出现误差时系统会驱动执行电路工作，如通风、加热、遮阳、灌溉等。由于单片机的I/O口输出电流较小，因此不能直接驱动电机等大功率负载，需要增加驱动环节。为了提高系统的耐用性与可靠性，采用光耦作为隔离器件，可选用晶闸管驱动电路，具有体积小、无器械接触、便于安装等优点。

3 系统软件架构

该系统软件的编写采用适时性强Keil C51开发，采用模块式结构设计，包括主程序模块、检测系统模块、LCD 显示程序模块、执行程序模块、预警与通讯模块等。主程序流程描述如下，系统上电首先初始化各个端口，初始化所有传感器，使传感器处于正常工作状态，然后系统检测键盘是否有信息输入，如果有输入控制立即执行该操作并通过LCD显示系统输出。如果没有键盘输入，系统将依次检测各个传感器并读取相关数据，如果传感器数据在合理范围将数据通过LCD显示系统正常显示输出，如果数据异常，将立即执行声光报警功能，实现报警的同时通过控制执行机构实现系统控制调节。然后系统返回重新读取相关数据信息。实现对温室大棚的环境进行全面检测与控制，从而使得温室大棚内农作物处于最佳生长的环境状态。主程序流程图如图6所示。

4 总结

农业温室大棚的环境是一个非常复杂的大系统，深入研究温室大棚内部环境的控制方法，提高其智能化、自动化水平将对我国农业的发展具有重要的现实意义，使我国农业早日从粗放型向精细型农业方向转变。本设计通过对ATmega8L单片机技术、传感器技术、数据采集与数据处理技术等的综合应用，针对我国农业温室大棚智能检测控制系统展开研究，通过模块化设计思路，不仅降低了开发难度，同时也极大地提高了系统的稳定性和准确性。运用该系统适合中小规模温室大棚或畜禽舍的升级改造的需求，该系统的优点是实用范围广、操作简单、成本低、系统的灵活性强，在农业温室大棚控制乃至农业生产自动化方面将具有广阔的应用前景。