阳台农场环境控制系统设计

2018-04-10 09:16张鑫宇史颖刚赵继政
安徽农业科学 2018年10期
关键词:土壤湿度按键阳台

梁 鑫,张鑫宇,史颖刚,赵继政,张 磊

(西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100)

随着经济、社会和科技的发展,观赏农业、休闲农业、都市农业,成为农业的最新发展领域[1-2]。屋顶农场、室内农业、阳台农业、墙体农业,是都市农业的主要研究内容[3-5],其中,阳台农场在城市居民中广受欢迎[6-7]。目前,大多数阳台农场仍主要靠人工管理,需要花费大量时间和精力。因此,笔者设计开发了一款成本低、功能全的阳台农场环境控制系统。

1 系统整体设计

根据阳台农场的目标功能,其自动控制系统包括:温度监测及控制模块、空气湿度监测及控制模块、土壤湿度监测及控制模块、光照强度监测及控制模块、按键模块、LCD显示模块。系统整体框架图如图1所示[3-4,6-7]。选用SCT89C52单片机核心控制芯片,选用DHT11数字输出式温湿度传感器检测空气温度和湿度,选用YL-69传感器检测土壤湿度,选用BH1750光照传感器检测光照强度,传感器采集的环境信息后,通过LCD1602液晶显示屏显示。同时,传感器采集数据传输到主控芯片中,与设置的环境参数阈值进行比较。当某环境参数值超过阈值时,LED灯亮,进行报警提示,控制外置设备启动,进行调控。系统选用植物生长灯增加温度和光照强度,选用风扇降低温度和空气湿度,选用加湿器增加空气湿度,选用水泵增加土壤湿度,直至该参数值达到合理范围后,LED灯关闭。

图1 系统整体框架Fig.1 System framework

2 系统电路设计

温湿度传感器DHT11的通信方式为单总线方式,DATA口与单片机的P1.0连接,将测得的空气温湿度,以数字方式传送给单片机。土壤湿度传感器YL-69的电极片,可以使湿度信号转变为高低电平数字信号,土壤湿度越大,获取的模拟量值越小。光照传感器BH1750共有5个端口,用时只需接其中的4个,SCL时钟线和SDA数据线分别连接到单片机的P1.3和P1.4上,用于传输数据。数据显示,采用LCD1602,其与单片机的P0口连接,接收单片机处理后的参数数据,显示当前环境的空气温度和湿度值、土壤湿度、光照强度以及按键设定的各参数阈值[8-9]。

系统主控电路采用SCT89C52的最小系统,这里不再赘述。用于改变参数阈值大小的按键,分为设置、增加、减小3个按键,分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.4连接。设置键用来切换要改变的阈值的种类,增加键和减小键用于阈值设置。其中,按键时,光照强度阈值每次改变50 lx,温度阈值每次改变1 ℃,空气湿度和土壤湿度每次改变1%。

继电器用于控制植物生长灯、风扇、加湿器和水泵的开关,其电路原理如图2所示。P2是KF128-2P端子,用来连接外设。LED用于参数值不符合阈值范围时的报警。

图2 继电器电路Fig.2 Relay circuit

3 系统软件设计

系统工作的整体流程如图3所示,单片机读取参数检测电路数据,实时显示在LCD1602上,检测按键是否按下,如果是,进入按键所代表的功能程序中去,然后再进行参数判断,比较检测数据与设定阈值,判断是否超出设定阈值,若超出,则控制外接设备启动,调控各参数,否则继续检测。

图3 系统软件流程Fig.3 System software flow

LCD1602显示程序如图4所示。LCD是分块的8×8点阵,显示时根据坐标进行定位,再从字库里提取所需要的符号进行显示,由定位显示结合按键控制。

图4 LCD1602显示程序流程Fig.4 LCD1602 display program flow

键盘扫描程序流程如图5所示。Key1为设置键,根据按键次数,分别对应8种按键模式,模式功能如表1所示。当按下Key1的次数大于等于8,次数计数变为0,返回按键模式0。Key2对应增加键,使相应的阈值增加;Key3对应减小键,使相应的阈值减小。

图5 键盘扫描程序流程Fig.5 Keyboard scanning program flow

编号No.模式Mode功能Function10显示当前光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度的值21温度上限阈值可改变32湿度上限阈值可改变43温度下限阈值可改变54湿度下限阈值可改变65土壤湿度上限阈值可改变76光照下限阈值可改变87土壤湿度下限阈值可改变

参数控制模块程序流程如图6所示。用户根可据植物生长的要求,在单片机的内部存储器中设定4个参数阈值,系统检测数据将会与预设阈值进行比较,超出阈值范围,则进入报警调控模式,进行相应的调控。外界环境处于植物的生长区间内时,植物处于最佳生长环境。

图6 参数控制模块程序流程Fig.6 Parameter control module program flow

报警调控及外置设备控制的中断程序流程如图7所示。报警调控,包括LED灯的亮、灭,外置设备的启动与停止。4个报警灯,分别对应空气湿度、空气温度、土壤湿度、光照强度4个参数,当传感器数值不满足阈值时,报警模块及外部设备启动,并开始参数调控,直到报警信号解除。

程序中的定时器中断0服务程序,是为了在环境参数异常的时候,控制外置设备进行调控。检测进入中断后,首先关闭总中断和外部INT0中断,然后判断是否有来自传感器的低电平信号,若是,则开启定时器0,结束此次中断,否则返回继续检测。

图7 外置设备控制中断程序流程Fig.7 External device control interrupt program flow

最终设计的阳台农场环境控制系统如图8所示。

图8 阳台农场环境控制系统Fig.8 Balcony farm environment control system

4 结语

该研究设计的阳台农场环境控制系统可以实现空气湿度、空气温度、土壤湿度、光照强度的数据监测、显示及自动调控。系统可检测21%~91%内的空气湿度,误差范围±5%;0~50 ℃的空气温度,误差范围±2 ℃;光照测量范围为1~65 535 lx;土壤湿度的测量范围为1%~100%。该设计操作简单、成本低廉,使普通人就可以实现阳台农场管理,并实现科学种养殖。但系统在功能的多样性和自动化的程度上仍有很大的不足,比如没有远程调控功能和除病虫害的功能,这些缺点将在后续的研究中进行改进。

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