基于单片机的温室大棚移动监测仪的硬件设计

窦悉丝，江钰婷，于云霞，邹 雪

（成都理工大学 信息与通信工程系，四川 成都 610059）

随着科学技术的发展，我国的农业发展也取得了较好的成绩，任何事情都有其两面性，在取得进步的同时也凸显出许多问题。第一个问题就是：我国是一个人口大国，自然资源丰富，但人均占有量少；第二个问题就是我国农业生产的科技含量低且生产成本高，普遍为家庭式生产，没有形成规模化生产。

1 国内外研究现状

中国可以算得上最早有温室技术的国家，大多数温室种植都使用的薄膜技术，薄膜很容易受环境的影响。20世纪末，我国从欧美、日等国家引进了一系列现代化温室系统：加温系统、湿帘降温系统、灌溉系统、监测与集中控制系统等进行研究，正因为有了这些铺垫，在2007年6月，我国第一套单井抽灌浅层地能温室环境调控系统在中国农业科学院落成[1]。

荷兰是世界上温室生产最发达的国家，它的温室主要用玻璃筑成，覆盖面积广，位居世界前列。美国根据自然环境的特点和开发的计算机控制与管理系统，对温室内的土壤水的含量、温度、空气湿度、肥料、二氧化碳浓度等环境因子进行自动调控。日本是世界上果树栽培面积最大且种植技术领先的国家，其研制的计算机控制系统能够自动地检测环境因子的变化，然后进行适当的调整；并且可以对采摘后的农作物进行清洗、筛选、包装、保鲜等操作，全程自动化[2-4]。

2 系统结构及工作原理

系统框如图1所示，首先，通过单片机编写代码设定温湿度和光照强度的上下限值，然后按下遥控器相应的数码，小车进行移动。到达指定地点后，温湿度传感器和光敏电阻传感器开始采集数据，并通过模数转换将采集后的数据送给单片机，单片机进行处理后将数据传输给显示屏并显示出来。当单片机检测到数据值超过设定值就会驱动蜂鸣器报警[5]。

2.1 单片机的选择

单片机发展历史可分为3个阶段：（1）在初始阶段，因为工艺技术还比较初级，单片机采用的是双片形式，功能也比较简单，例如仙童公司生产的F8单片机。（2）低性能单片机阶段。单片机片内集成有8位CPU，并行I/O口，8位定时计数器，RAM及ROM等，但是没有串行口，中断简单。（3）高性能单片机阶段。低成本，高性能，操作简单，多型号，可满足不同的需求。随着经济社会的发展，人们对微型控制器的需求量也不断地在增加，单片机的应用渗透到人们生活的各个领域，比如各种仪表的控制、信息通讯、实时数据采集等，这也刺激了市场对单片机的生产，各个厂家的竞争也越来越激烈，从而有利于单片机制作工艺和性能的提高[6]。

图1 系统框

2.2 LCD12864液晶模块

液晶显示屏有体积小、功耗小、操作简单、成本低的优点。显示屏的种类也有很多，有字符型、点阵型等，常用的是点阵型的。大多数单片机开发板上的显示屏是LCD1602，显示范围太小，不能满足实时显示温湿度、光照强度等数据的要求，因此选用LCD12864来满足此类要求。LCD12864是一种具有8位/4位并行、3线或2线串行接口方式；其显示分辨率为128×64，128个16×8点ASCII字符集，内置8192个16×16点汉字。该模块接口方式可操作性强、灵活，方便执行指令，可全中文人机交换图形界面。

2.3 声光报警电路

当单片机系统检测到环境温度和湿度高于或小于某一设定值时，单片机发出信号驱动指示灯发光，同时蜂鸣器发出报警声，当温湿度处于正常范围时，声光报警解除。

2.4 智能遥控小车设计

2.4.1 总体思路

智能遥控小车由两个主体部分组成：红外遥控部分和智能控制部分。红外遥控部分采用模块化的遥控键盘作为发射端，一体化的HX1838作为接收端；智能部分以STC89C52单片机作为总控制中心，利用L293D电机驱动模块控制直流电机，进而控制小车的转弯、启停、速度快慢。

2.4.2 红外遥控模块

红外遥控分为接收和发射两个部分，发射电路通过键盘、编码调制将信号通过红外线发送给接收器；由于信号很微弱，接收器接收到信号后会将其放大、滤除不需要的信号、整形后得到TTL电平的编码信号，再传送给单片机，单片机解码后，发出相应的指令，控制相应的部分运转。

红外接收头采用的是TL1838，有3个接线端：接地端、信号输出端、供电端。

2.4.3 直流电机驱动模块

单片机的输出电流太小，而直流电机需要较大的驱动电流，因此需要电机驱动电路来配合单片机使电机正常运行。

L293D是专门为方便驱动电机而生产的芯片，此模块输入电压可达36 V，工作电压为5 V，输出电流±600 mA，含有4个控制端，4个输出端。A为输入控制端，Y为输出控制端，1A控制1Y，2A控制2Y，3A控制3Y，4A控制4Y，A=1时，Y输出12伏；A=0时，Y输出0 V。1,2EN和3,4EN使能端口需要短接，芯片最高工作电压为7 V。

2.5 DHT22温湿度传感器介绍

温湿度检测可分别使用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器，但设计电路复杂，因此采用DHT22作为温湿度检测模块。DHT22是一款单片智能数字化复合传感器，它采用专用数字模块采集技术和温湿度传感技术，使传感器具有高度的可靠性和长期稳定性。它包括一个能隙式测温元件和一个电容式聚合体测湿元件，并与一个8位的单片机紧密相连，体积小、测量范围广、性价比高。可测0%～100%RH湿度，误差±2%RH，-40 ～80℃，误差±0.5 ℃。

2.6 光敏电阻传感器介绍

光敏传感器是将光信号变成电信号的半导体器件，实际上相当于一个PN结，和普通二极管相比，在结构上有些不同，为了增加入射光照的面积，PN结的面积比较大，电极面积比较小，在使用时需要一个与光接触的窗口，当光线有明暗变化时，PN结自动导通或关闭。光照强度检测，主要使用光敏传感器模块测量。该模块主要由一个LM393电压比较器和光敏电阻组成。本系统采用薄片式光敏电阻作为传感器，入射光增强、电阻减小、入射光减弱、电阻增大，进而将光信号转换为电信号，再通过电压比较器转换为高低电平输送给单片机[7-8]。

3 测试结果分析

随着测试环境温度的上升，显示屏显示温度数据也随着上升；湿度呈现波动，基本维持在45RH%，比较符合常温下室内湿度。有一点不足之处就是显示屏反应速度有一点缓慢，在综合考虑实验室环境、硬件、软件等条件下，监测结果能满足设计的需要，但还需要在软件和硬件上进行优化。随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值减小，光敏模块输出电压减小。显示屏显示数据和实际测得的数据比较符合，存在一定的测量误差，可能是因为在测量电压时手指出现抖动或是硬件电路不够完善，导致接触不良。温湿度模块测试如图2所示。

图2 温湿度模块测试

4 结语

本次设计由于实验室条件、知识、经验和时间的不足，监测仪还有许多地方有待完善，实践是检验真理的唯一标准，只有将监测仪放入生产中，不断调试，才能了解系统所存在的问题，进而解决问题。随着经济的发展，我国越来越重视农业科技的发展，对科研的投入越来越多，传统的农业生产效率低、受环境影响大，还需消耗大量的人力物力，随着高新技术引入农业种植，未来的农业生产肯定会迈向集约化、高产、规模化、高水平道路。

[1]万军.基于单片机大棚温湿度远程监控的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012.

[2]牛甲.基于模糊控制的温室环境控制系统的研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[3]中华人民共和国农业部.农业部关于促进设施农业发展的意见[Z].〔2008〕3号.

[4]姚传安.无线温湿度测量传感器网络设计[J].计算机测量与控制，2007（2）：165-167.

[5]范茂军.传感器技术[M].北京：北京国防工业出版社，2008.

[6]马斌，刘志辉.基于单片机的温湿度监测系统的设计[J].新疆农业科技，2010（3）：87-92.

[7]王俊杰，曹丽.传感器与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[8]张义和.例说51单片机[M].北京：人民邮电出版社，2010.