基于单片机的温室自动控制系统设计研究

关键词：单片机；温室自动控制系统；STC89C52 单片机

中图分类号：TP273；TP368.1 文献标识码：A

0 引言

温室大棚种植的反季农作物不仅能够满足人们的日常饮食需求，还能够为种植者增加经济收入。随着科学技术的发展，温室技术自动化将成为未来发展趋势，自动化系统的构建不仅能够节省人工成本，还能够根据种植要求实现各项参数的有效控制和调节，真正实现温室大棚的智能化管理，为种植效益的提升提供保障。

1 温室自动控制系统的硬件设计

1.1 整体结构

温室自动控制系统主要是对温室内部环境中的温度、湿度和光照度进行控制。该系统包含测量单元、控制单元和执行单元3 个部分，利用物联网中的传感器技术完成温度、湿度和光照度的测量，并将测量值与设定值进行对比。根据两者的比较结果和农作物的生长属性，有效调节温室内部环境的温度、湿度和光照度，从而将温室内的状态参数控制在标准范围内。

1.2 控制器

本文选用STC89C52单片机作为核心控制器，针对温室和区域进行细致划分，通过对温度、湿度和光照度进行有效调节，在确保满足温室基本要求的基础上实现节电、节水。STC89C52单片机属于8位单片机，其功耗低、性能强，具备8kB的程序存储空间和512B的数据存储空间。

1.3 传感器

如图1 所示，温室参数测量器件包含温度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器和光照度传感器。温度传感器主要是对温室内部的温度进行控制；空气湿度传感器是控制温室内的空气湿度，确保其在设定范围内；土壤湿度传感器是利用喷水量控制土壤的湿度，促进温室内作物的生长；光照度传感器是通过补光或遮光的设计，为温室内作物的生长提供适宜的光源。

1.3.1 温度传感器

DS18B20 温度传感器具备速度快、引脚少、体积小的优势，尤其是调节温度数值所需的时间较短，其测量数值范围为-55 ～ 125℃，特别是在-10 ～ 85℃ 时，测量精度可以达到±0.5℃。温度传感器的应用使温室内的温度保持在设定范围内，为作物生长提供了基本条件。

1.3.2 空气湿度传感器

DHT11 湿度传感器的线性度较高，分辨率高达0.1% RH，其湿度测量范围为0 ～ 100% RH，适用的温度范围为-40 ～ 80℃。空气湿度传感器主要是对温室内空气湿度条件进行调控，从而为作物生长提供适宜的环境。

1.3.3 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器主要是通过电位器根据土壤需求进行湿度调节，从而实现对水泵开关的控制。例如，当土壤的湿度低于设定温度时，继电器会自动吸合，从而启动水泵，确保土壤的湿度能够达到相关要求。

1.3.4 光照度传感器

GY-30 光照度传感器能够直接输出数字量，无须区分环境光源，测定精度较高，其范围为0 ～65 535 lx。此外，光照度传感器内置16 位模拟数字（analog to digital，A/D）转换器，采用NXP 公司的集成电路总线（inter-integrated circuit，I2C）通信协议标准和5 V 单片机的输入/ 输出（input/output，I/O）进行衔接。光照度传感器主要是对温室内光照情况进行调控，从而满足温室内的光照情况。

由于不同传感器输clROzXtUhNAju+yILgfPoFNGrg/VW56OB+qa2EfVuzA=出信号形式不同，因此温度、空气湿度和光照度等各个参数传感器在读取过程中，单片机能够直接读取传感器输出的数字量。然而，在读取土壤湿度参数时，需要利用继电器对水泵开关进行控制，以比较实际土壤湿度与设定土壤湿度。

1.4 执行机构执行机构

包括加热片、制冷片、加湿器、通风机、遮光帘和补光灯等，利用不同的执行机构对温度、湿度以及光照度进行控制和调节。

1.4.1 加热片与制冷片

温度的控制可以借助加热片和制冷片进行操作。当温室内的实际温度高于设定温度时，需要启动制冷片，通过物理降温的原理将温度控制在设定范围内；当温室内的实际温度低于设定温度时，则需要启动加热片，以升高温室内的温度。此外，通过设计1℃ 双边控制地区，当温度超出或低于1℃时，加热片或制冷片不会出现启动或停止，从而避免加热片和制冷片反复启停造成的机器故障，同时延长该执行机构的使用寿命。

1.4.2 加湿器与通风机

湿度的控制主要是利用加湿器和通风机。加湿器主要是对温室起到增湿的作用，而通风机则负责降低湿度。例如，当温室内的实际湿度低于设定范围时，就会启动水泵开关，通过调节喷水量来增加湿度。而当温室内的湿度高于设定范围时，则利用通风机来达到降低湿度的目的。

1.4.3 遮光帘与补光灯

光照度的控制主要是利用遮光帘和补光灯[1]。其中，遮光帘通常选择百叶窗，根据室内光照度对百叶窗的角度进行调整，进而满足光照需求。例如，阳光较为充分的中午，利用单片机算法对百叶窗的角度进行控制，使其发挥遮光作用，而在光照不足时，则利用照明设备进行补光，确保温室内有充足的光照[2]。

1.5 显示机构

在本次温室自动控制系统设计的过程中，选用LCD1602 作为显示元件，用于显示各个参数的设定值与测量值。其中，点阵型液晶显示模块主要用于数字、字母、符号等元素的显示。

1.6 按键机构

独立式按键电路具备灵活性强、软件编程简便等优势，在其应用的过程中能够利用简捷操作完成相应的任务。例如，通过查询算法查询某根I/O 口线是否为低电平，可以确认I/O 口线所对应的按键是否已按下，之后跳转至该键的功能处理程序[3]。

2 温室自动控制系统的软件控制

如图2 所示，温室自动控制系统包含系统初始化，系统自检、定值设定，测量参数，数据显示，参数超限，加热、补光以及执行机构调整等流程。在系统完成初始化后，定时器可以对各个程序的状态进行控制，以2 min 为单位测量和处理相关参数，并根据温室内的参数状态对执行机构进行调整，保证温度、湿度和光照度处于可控范围内[4]。一旦温度、湿度和光照度等相关参数超出范围，蜂鸣器则报警，同时相关执行机构启动，使参数值向设定值靠近[5]。

3 功能测试与结果分析

3.1 测试目的

系统进行功能测试的目的是及早发现系统运行中存在的问题，排除系统中出现的错误，从而完善系统功能，为温室自动控制系统的正常运行提供根本保障。

3.2 测试方法

在电路连接完成后，按照温室内作物对温度、空气湿度、土壤湿度和光照度等各个参数的需求在计算机上完成设定。一旦温室内的温度高于设定范围，则启动制冷片，反之则关闭制冷片；一旦空气湿度低于设定值，则立即启动水泵开关，反之，则开启通风机；一旦土壤中的湿度未能够满足设定需求，则启动水泵开关，反之则关闭水泵开关；一旦温室内的光照不足，补光灯则会自动亮起，而一旦光照度满足设定需求，补光灯则自动熄灭。

3.3 测试结果分析

测试结果显示，尽管各个传感器都存在一定的误差，但所取得的测试数据都在标准范围内。此外，水泵、制冷片以及补光灯的反应速度较快，证实了该温室自动控制系统的测量精度较高，能够切实满足温室内作物的生长需求，基本达到实际应用要求。

4 结论

综上，基于单片机的温室自动控制系统设计有效结合了温室农作物的实际生长需求，将温度、湿度和光照度控制在适合农作物生长发育的最佳值，为温室智能化管理和种植者经济效益的提升提供有效保障。此外，该温室自动控制系统还可以应用于多种作物的生长环境控制中，在节省人工成本的同时，提高温室大棚的种植效益。