基于单片机的温室环境控制系统设计

摘要：在温室种植管理中，传统管理方式无法实现各项环境参数的精准控制，如空气温度、湿度等。鉴于此，文章提出一款基于单片机的温室环境控制系统。该系统可以对温室环境进行持续监管，营造良好的田间环境，进而提升农作物的生长效率。

关键词：单片机；温室环境；控制系统；设计

中图分类号：TP312" 文献标志码：A

作者简介：何兵（1981— ），男，讲师，学士；研究方向：电子技术。

0" 引言

采用在温室大棚中种植农作物的方式既可以使农作物增产、增收，还可以促进温室大棚的节能效果，有效防控病虫害问题，最终使种植经营者的经济效益最大化。随着科学技术的广泛推广和应用，在温室大棚农作物的种植管理期间，有机结合科学技术措施具有可行性，有利于进一步提升农作物的种植效率。但对于科技化的温室环境构建，还必须给出科学合理的设计方案，营造相对独立的农作物生长环境，从而彻底摆脱传统农业对自然环境的高度依赖。

1" 系统的设计思路

本文设计的温室环境控制系统以单片机控制为核心，实现温室环境中温度、湿度等植物生长条件的自动化控制，由此起到替代人力、提高田间管理效率的作用。控制系统的检测功能主要结合相关的传感器实现，例如：湿度传感器、空气温度传感器、光照传感器等。通过相关传感器对温室内部环境进行采集，所得信息再经过模数输入通道转换后送入单片机控制系统，由单片机对相关数据进行对比、分析，作出相应的判断。根据判断结果对温室环境内的温、湿度等参数进行调整，从而实现科学调整、控制大棚内各项自然参数的目标。

为了方便工作人员及时了解大棚环境，根据大棚环境的具体状态，本文给出了切合实际的干预措施。例如：在系统中配备LCD显示设备，以实时显示大棚空间环境的各项实时参数。另外，为了便于工作人员对温室环境的管理、控制，在系统中还配有远程控制功能，相关工作人员可以远程调节大棚温室的温度、湿度，进而保持良好的温室环境［1］。

2" 单片机的选择

根据温室大棚温度控制的实际需求，本文选择AT89C51系列单片机，该类单片机集成了微处理器、存储器、只读程序存储器、输入/输出电路、定时计数器、串行通信口、驱动电路、脉宽调制电路、键盘、LED显示电路的扩展以及硬件时钟电路等结构，从而构成一个结构小且功能性完善的计算机系统。这些结构能够在程序控制下，准确、迅速、高效地执行程序，继而完成预期设定的目标任务。例如，存储器可以存放监控程序、采集程序、显示程序、通信程序、自动控制设备程序等。相关程序的有机联动，可以使温室环境控制自动化，满足植物的生长需求。与微处理器有所不同，单片机可单独实现系统的智能化控制，这为系统设备的自动化运行提供了可靠保障，从而能够有效应对一系列突发情况，例如，当主机设备出现故障、通信信号异常等情况时，单片机可基于程序自动化运作。因此，该单片机适用于本文提出的温室环境自动化控制系统设计。

3" 基于单片机的温室环境控制系统设计

3.1" 控制系统原理与结构设计

基于单片机的温室环境控制系统结构主要由传感器、控制器、人机界面、执行机构等部分组成。传感器主要包括温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器等，用于采集各类数据；控制器用于自动控制相关设备，可以根据传感器检测到的各项数据进行智能化操控；人机界面主要是温室环境控制系统的显示单元，可以对温室中的温度、湿度、CO2浓度等进行实时显示，与此同时，工作人员也可以通过人机界面进行温室环境的个性化调整；执行机构主要用于对温室内灯光、风机、水泵等进行控制，确保营造一个适宜的环境条件，提升农作物的生长发育效率。

就控制系统原理而言，其实质是一个小型分布式的数据采集、控制系统。在数据采集过程中，主要通过数据采集工作站中的相关传感器进行环境温度、湿度、CO2浓度的收集。数据采集工作站运行时，既可以根据实际情况独立完成各种化工信息采集任务，又可以执行相关任务，如可以根据控制中心传送的指令参数，启动增降温设备、加湿除湿设备、遮阳补光设备等，从而满足温室微气候环境调整的要求。控制系统还包括上位机，可以将工作站传来的数据及时转变为动态的在线数据，以曲线的方式进行显示。系统中的相关数据能够被及时存储，一般可以保存一个生长季节的数据，相关数据可以作为资源进行统计、分析，通过分析结果可以对温室控制的成果进行总结，以便工作人员对控制器进行优化改善［2］。

3.2" 传感器的选择

在基于单片机的温室环境控制系统的设计过程中，合理选择传感器是确保温室环境控制质量的关键。在具体的传感器选择过程中，研究人员主要从传感器的测定范围出发，保障传感器的测定范围有效，确保温室环境温度适宜；保障传感器具有一定的灵敏性，及时感知温室环境的变化。研究人员在选择传感器时，对比了多种型号的传感器，最终选择了性价比最佳的传感器，包括DS18B20数字温度传感器、DHT11湿度传感器、BH1750FVI数字光强度传感器等。

3.3" 控制器的选择

研究人员在进行温室环境控制系统设计时，对控制器的选择进行了深入分析。从实际需求出发，控制器应具备功能可靠性，能够与单片机的温室控制系统进行有机结合；同时该设备单元还应具备稳定性，如在长期投入使用过程中，控制器的功能应保持良好。基于上述需求，在控制器的选择阶段，研究人员对市面上的控制器型号、种类进行了深入的对比、分析，从最优性价比角度出发，选择了适宜的控制器——ATmega328P控制器［3］。

3.4" 温室系统控制方案设计

3.4.1" 温室环境的控制

在温室环境控制系统的设计阶段，研发人员主要从控制对象、调节器2部分出发。在实际应用时，温室控制系统须要具备稳定性、准确性、快速性，同时要使这3种性能平衡。若其稳定性过高，则其快速性会受到限制；若其快速性较强，则可能无法实现精准。鉴于此，针对温室控制系统的设计，研究人员对调节器选择进行了深入分析，考虑到监测对象的动态性变化，最终，从算法上进行了设计规划，解决了温室环境的控制问题。

3.4.2" 模糊控制

在温室农作物的种植管理过程中，涉及多种因素的影响，包括温度、湿度、光照度、CO2浓度等。而以上相关因素的变动也存在不可预知性，如在外界持续降雨的天气下，必然会对温室环境状态造成冲击。对于外界客观环境的突发影响，温室大棚种植管理者可以从经验角度进行控制，包括雨后的及时通风、排湿以及室内的增温等，从而为植物的生长创造一个适宜的环境。针对自动化控制，常规的自动化控制模式仅能基于室内特点给出有效的应对方式，对于突发的环境变化通常具有反应迟缓的现象，这并不利于大棚植物的健康成长。

考虑到这种问题，研究人员在具体的温室环境控制系统设计中，给出了模糊控制方案。模糊控制方案是指仿人类思维，对相关复杂的生产过程进行拟定控制程序设计，进而提出模拟控制算法，通过模糊控制到输出确切的控制值实现对系统的精细化控制［4］。

3.5" 系统软件设计

软件是温室环境控制系统的主要控制平台，结合实际需求，软件控制主要包含2个部分：一部分是以单片机为核心的仪表、传感器监控程序，该部分主要利用汇编语言进行编程，实现对温室环境的监测、控制；另一部分为上位机可视化管理系统，该部分软件程序主要使用Visual Basi C编程，软件程序控制的侧重点在于实现对各终端仪表的管控、协调控制，该部分在一般情况下并不会直接参与控制。这2部分软件在功能上具有一定的相似性，相关控制参数既可以在智能仪表上进行设定，又可以在计算机控制单元上进行调整。例如，对于温度的上下限设定，可以从以上2个渠道进行设置。该软件部分具有独立性，增强了系统的容错性。

4" 控制系统实现与测试

4.1" 控制系统实现

待完成对温室环境控制系统的设计后，拟建了实际的温室环境，以实现对该系统功能的测定及调整。本文搭建了长1.2 m、宽0.8 m、高1.7 m的模拟温室。温室墙体采用亚克力板材料进行建设，考虑到后墙承重需求，后墙材料选择硬度较高的硬塑板；盖板同样采用亚克力板，可以保障采光效果良好。地板采用角钢进行固定，安装了滑轮，以方便移动控制。待硬件基础施工建设完成后，工作人员安装温室环境控制系统设备，包括在相应的位置安装控制器、电源、传感器等。最终，本文完成了温室环境的构建，确保温室环境控制系统具备良好的功能效果［5］。

4.2" 温室环境控制系统测试

在完成温室环境基础构建后，研究人员在温室内种植常规农作物，选择生长速度较快的马铃薯作为测试样本。为了确保系统测试的有效性，研究人员采用对比法进行试验，试验组在温室内进行种植，对照组在常规环境下种植。在试验组的植物种植过程中，按照科学的环境参数对单片机中的控制程序进行设置；对照组按照一般的种植方式进行作业。在2组幼苗的田间管理工作中，工作人员给予相同的水、肥供给量，共持续60 d。在此过程中，研究人员每隔5 d记录一次试验组、对照组的植物生长状况。结果表明，温室中的马铃薯植株生长发育更为茂盛，植株更高、叶片更大。最终，在植物收获期间，温室环境内的马铃薯产量更高，马铃薯果实的体积更大。由此可知，该温室控制系统能够有效促进马铃薯农作物的生长，获得更高的产量。另外，在种植测试过程中，研究人员还对温室控制方案中的模糊模式进行了测定，同样能够使农作物产量达到预期目标，证明了所提方案能够为农作物的健康成长营造良好条件。

5" 结语

伴随着时代发展，在农业种植过程中有机结合信息技术具有可行性，但如何合理地利用信息技术并发挥出信息技术的最大化价值则是需要认真研究的课题。本文基于单片机技术的特点，将其应用于温室环境的控制中，设计了温室环境控制系统，具有数据实时显示、自动控制、超限报警等功能。在开发设计该系统后，研究人员及时进行了模拟试验。结果表明，该系统能够切实发挥温室环境的控制作用，促进农作物的健康生长，提高农作物的产量。

参考文献

［1］夏小强.基于STM8单片机的日光温室平板车控制系统设计［J］.工业控制计算机，2024（1）：165-166.

［2］史晨浩，李成创，余佳庆，等.基于单片机的农业大棚温湿度采集控制系统的设计［J］.电子制作，2023（13）：92-94.

［3］朱旭东，李卓群，薛文初.基于数字孪生的新能源智能温室控制系统设计［J］.电子制作，2023（22）：55-59.

［4］熊峻辉，刘娟秀，黄心怡，等.基于5G的智慧农业物联网控制管理系统设计［J］.电子制作，2022（17）：30-32.

［5］姚子鹏.融合单片机和ZigBee技术的温室大棚温度控制系统研究［J］.现代工业经济和信息化，2023（3）：106-107.

（编辑" 沈" 强）

Design of greenhouse environment control system based on single-chip microcomputer

HE" Bing

（Taixing Secondary Vocational School， Taixing 225400， China）

Abstract： In the greenhouse cultivation management， the traditional management method cannot achieve the precise control for the environmental parameters， such as air temperature and humidity. In view of this， this paper proposes a greenhouse environment control system based on the single-chip microcomputer. This system can continuously monitor the greenhouse environment， create a good field environment， and improve the growth efficiency of crops.

Key words： single-chip microcomputer; greenhouse environment; control system; design