农业大棚空气温湿度智能控制系统设计

胡保玲,马 俊,周 磊,余志伟,解思博,吴庆洋

(1.巢湖学院 计算机与人工智能学院,安徽 巢湖 238024;2.巢湖学院 电子工程学院,安徽 巢湖 238024)

农业温室大棚是在人工条件下实现作物生长的主要场所,也是现代化农业中一个非常重要的设施.为实现高效且科学化的生产模式,需利用自动化装置来科学合理地控制农业大棚内温度和湿度,使得大棚能够为农作物提供更加适宜的生长环境,从而产生更高的经济效益.因此,设计精确有效的农业大棚空气温湿度控制系统,具有十分重要的意义.国内学者对其进行了大量研究,并取得了丰硕的成果.刘盛竹等[1]设计了一种具有芯片扩容功能的温度自动控制系统,通过AT89C51微型处理器有效实现了温度的精确控制.杨金祥等[2]利用STC89C52单片机为控制核心,设计了一种温湿度控制器以实现大棚内部保持恒温恒湿环境.胡超等[3]设计了一种基于单片机控制的大棚温湿度控制系统,通过温度传感器、湿度传感器分别对大棚里的温度、湿度进行实时检测,从而实现温湿度的精确控制.张叶茂等[4]设计了一套智能温室控制系统,有效地实现了温室大棚参数的实时采集、信号传输和智能控制.陈辉江等[5]利用物联网技术,开发了环境监控系统,设计出一种农业大棚温湿度控制系统,有效地监测与调控农业大棚内部环境信息.苏恒阳等[6]基于智能计算机温湿度控制技术,并通过智能化控制模块的相关指令,有效实现农作物大棚温度控制.张俪亭等[7]在分析了温室大棚温湿度控制需求的基础上,设计了一种基于STC89C52的温室大棚温度湿度自动控制系统,有效实现了温室内温湿度的自动调节.张云帆等[8]设计了一种以单片机为核心,结合温湿度、光传感器、继电器和风机箱,设计了一种温湿度智能控制系统,能够实时监测采集数据,并根据反馈数据实时做出调节.孙万麟等[9]设计了一种以AT89C51单片机作为主控器的温湿度测控系统,实现温湿度数据采集,并设置超限指示灯报警功能.李倩等[10]在STC89C51单片机基础上,设计了蔬菜大棚温湿度自动控制系统,并预先设置温湿度合理值,当测量温湿度不在预设值内时,系统将会发出蜂鸣报警并采取相应措施.

本文在上述研究的基础上,设计了一种更加灵敏完善的农业大棚空气温湿度智能控制系统,通过温湿度传感器实时检测环境变化,并配置液晶显示模块,使观察更加准确,从而有效地满足人们对大棚智能控制与检测的需求.

1 系统及硬件设计

农业大棚空气温湿度智能控制系统主要具备温度值与湿度值的检测功能,并将检测结果通过单片机处理并利用显示模块与执行模块输出,以达到实时监测和改善大棚环境的目的.本设计采用STC89C51单片机为处理器,通过DHT11型温湿度传感器来实时测量大棚内温湿度的数值,然后通过数码管显示模块实时显示检测的温湿度数值是否超过警报阈值,并利用执行模块实时调节温湿度信息.该系统主要包含6大模块,即单片机及其最小系统、温湿度检测模块、数码管显示模块、继电器执行模块、系统报警模块和电源模块(本文主要阐述前4个主要模块),其核心系统组成框架如图1所示.

图1 系统总体组成框架

1.1 AT89C51单片机及其最小系统

本设计采用应用最为广泛的STC89C51单片机为核心处理器,它是一种低功耗却有着极高性能的8位微处理器,有40个引脚和3种封装方式.其中40个引脚大致可分为4类:时钟、电源、控制和4组I/O引脚.所谓最小系统,是指能使单片机正常工作的最小组成部分,包括单片机核心处理器本身、复位电路以及时钟电路,其电路结构如图2所示.

图2 单片机最小系统电路结构

1.2 温湿度传感器模块设计

传感器DHT11将数据输入/输出的管脚与I/O口进行直接连接,再通过微处理器对传感器进行操控,将所采集的农业大棚温湿度信息输送到处理器中运算,温湿度传感器结构如图3所示.

图3 温湿度传感器模块

1.3 数码管显示模块设计

LCD1602液晶显示模块是一种工业字符型液晶,能够同时显示16列2行,即32个字符,数码管显示电路如图4所示.

图4 数码管显示模块

1.4 继电器执行模块设计

本设计中的继电器模块是通过4个三极管来驱动的,当测量出的温湿度数值不在设定范围内时,信号由高电平转变为低电平,三极管导通,继电器吸合,继电器相当于开关的作用,能够驱动负载.当湿度高于预设上限时,Q4导通、发光二极管D3发亮、蜂鸣器发声、风扇转动进行烘干;当湿度低于预设下限时,Q5导通、D4发亮、蜂鸣器发声、微型水泵工作进行加湿;当温度高于预设上限时,Q3导通、D2发亮、蜂鸣器发声、风扇转动进行降温;当温度低于预设下限时,Q2导通、D1发亮、蜂鸣器发声,加热棒开始工作进行升温.继电器电路如图5所示.

图5 继电器执行模块

2 系统软件设计

软件设计是该系统的重要组成部分,决定系统是能否正常工作.首先,键入设定的温湿度阈值,并利用传感器工作检测环境中的温湿度,读取成功后对数据进行线性拟合,并在LCD1602液晶屏上进行显示;中心处理器判断所读数据是否在键入的范围之内.若不在范围内,报警指示灯亮起,蜂鸣器发声报警,随后通过继电器控制调控设备进行调控,直到再次读取的数值在键入范围内,调控设备停止运作,并在液晶屏显示当前的温湿度值,主程序流程如图6所示.

图6 主程序流程

3 系统调试与实验验证

在装好应用系统后,需对系统进行调试以排除系统可能存在的故障.本次设计的调试方法包括软件仿真测试、系统性能测试和温湿度检测模拟实验.

3.1 软件仿真测试

在进行硬件焊接前,需在仿真软件上进行系统仿真,以验证该系统的性能,所搭建的系统包含了多个模块,分别是单片机主控电路、按键电路、电源接口电路、DHT11温湿度传感器模块、蜂鸣器报警电路、LCD1602液晶接口模块等.仿真软件测试结果表明系统的各模块之间均可正常运行.

3.2 实验验证分析

在软件仿真测试后,对所设计系统进行性能测试.在接通电源前,需对电路板及接线进行检查,确认无误后接通电源,保障系统能正常运行,运行状态如图8(a)所示.为更加全面地分析系统功能,验证所设计温湿度智能控制系统的实际运行效果,本文构建了简易模拟装置对系统进行温湿度检测模拟实验,如图8(b)所示.分别对温度上限、温度下限、湿度上限、湿度下限进行4次不同实验,并记录相应控制设备的运转情况.

(a)系统正常运行效果

(b)模拟大棚环境图8 系统正常运行与模拟大鹏环境效果

(1)温度上限检测与控制实验

将模拟大棚置于自然光下进行照射,每隔5分钟记录模拟大棚温度的测量值、报警情况及相应控制设备的运作情况(温度单位为℃).在正常自然光照情况下,利用光照程度来对模拟装置中温度进行调节,不同时刻的具体情况如图9所示.记录每个时刻所对应的测量数据,实验记录如表1所列.其中,时刻1为初始状态;时刻2在自然光照射下温度逐渐升高;时刻3到达温度预设上限,风扇降温,蜂鸣器报警,LED常亮;时刻4为温度降至上限以下,由于温度变化浮动较小,时刻5、6分别与时刻3、4对应一个循环检测调节过程.从图9与表1的结果可知,在进行温度上限检测与控制模拟实验时,该系统可正常运行.

表1 温度上限报警控制实验记录

(a)时刻1

(b)时刻2

(d)时刻4

(e)时刻5

(f)时刻6图9 自然光照环境不同时刻检测结果

(2)温度下限检测与控制实验

将模拟大棚置于室内,开启空调进行降温,每隔5分钟记录模拟大棚温度测量值、报警情况及相应控制设备的运作情况(温度单位为℃).通过上述降温条件,以此检验本设计对温度低于下限时的报警及控制情况,不同时刻的具体情况如图10所示.其中,时刻1、2是初始降温过程;时刻3到达临界值,LED灯常亮,蜂鸣器报警,加热棒开始工作;时刻4由于加热棒加热需要时间,温度继续下降;时刻5为在加热棒工作一段时间后温度上升至临界值;时刻6回归预设范围内,实验记录如表2所列.综合图10与表1的结果可知,在进行温度下限检测与控制模拟实验时,该系统可正常运行.

表2 温度下限报警控制实验记录

(a)时刻1

(b)时刻2

(c)时刻3

(d)时刻4

(e)时刻5

(f)时刻6图10 低温环境下不同时刻检测结果

(3)湿度上限检测与控制实验

将系统置于模拟大棚内,再放入一个小型加湿器,每隔5分钟记录模拟大棚湿度的测量值、报警情况及相应控制设备的运作情况(湿度单位为%),不同时刻的具体情况如图11所示,实验参数如表3所列.时刻1为初始状态;时刻2和时刻3表示随着加湿器工作,湿度逐渐升高;时刻4和时刻5为湿度上升至超过预设上限值,蜂鸣器发声报警,LED常亮,烘干风扇工作,进行干燥降湿.从图11与表3的结果可知,在进行湿度上限检测与控制模拟实验时,该系统可正常运行.

表3 湿度上限报警控制实验记录

(a)时刻1

(b)时刻2

(c)时刻3

(d)时刻4

(f)时刻6图11 加湿环境不同时刻检测结果

(4)湿度下限检测与控制实验

在风力较强时,将模拟大棚中置于通风处,每隔5分钟记录模拟大棚湿度的测量值、报警情况及相应控制设备的运作情况(湿度单位为%),现分别采样6个不同时刻的湿度信息,具体情况如图12所示.其中,时刻1、2为湿度值随时间降低的过程;时刻3、4、5为湿度降至预设下限以下,LED灯常亮,蜂鸣器报警的过程;时刻6为水泵工作,使湿度回归预设范围之内,实验记录如表4所列.从图12与表4可知,所设计的温湿度智能控制系统在湿度低于下限数值时,有效地实现对湿度数值的调节控制.

表4 湿度下限报警控制实验记录

(c)时刻3

(d)时刻4

(f)时刻6图12 通风环境下不同时刻检测结果

综合以上实验及数据可知:所设计系统能够达到功能需求,有效地实现了4种不同情况的模拟实验.当温湿度超出设定的阈值范围时,所设计系统通过驱动相关执行模块调节系统参数,使其恢复到设定阈值的范围内,保证了模拟农业大棚空气温湿度信息的恒定,进一步验证了系统的可行性与有效性.

4 结语

通过对农业大棚空气温湿度智能控制系统的需求分析,本文采用STC89C51单片机为核心,设计了硬件系统结构,然后为不同模块设计了软件以驱动该系统正常工作.最后,通过软件仿真测试了系统可正常运行,并制作实物分别进行4种情况的模拟实验,结果表明,所设计的系统可有效检测温度与湿度的变化情况,当相关数值超限时,驱动执行模块可调节相关数值使其恢复到稳定状态,从而达到控制大棚棚内环境恒温恒湿的效果.