基于嵌入式系统技术的温室环境测控系统

郑涛 王洁 朱建锡 费焱 徐文硕

摘 要：随着温室的大规模发展，对温室智能监测与控制系统提出了更新、更高的要求。在现代智能监测与控制系统中，一个系统能否对温室环境参数进行智能准确的监测和控制，决定了该系统的发展前景。本文应用AT89S52单片机，设计了一个能对温室中的二氧化碳浓度、温度、湿度参数实现准确测控的系统，并对系统的组成部分及各部分中使用的一些主要部件进行简要说明。

关键词：单片机；嵌入式系统；温室环境；测控系统

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）23-0038-02

Greenhouse Environment Measurement and Control System

Based on Embedded System Technology

ZHENG Tao WANG Jie ZHU Jianxi FEI Yan XU Wenshuo

（Zhejiang Provincial Agricultural Machinery Research Institute，Jinhua Zhejiang 321017）

Abstract： With the large-scale development of greenhouse， the intelligent detection and control system of greenhouse has been updated and higher. In the modern intelligent detection and control system， whether a system can monitor and control the greenhouse environment parameters intelligently and accurately determines the development prospect of the system. In this paper， AT89S52 single-chip microcomputer was used to design a system which could accurately measure and control the parameters of carbon dioxide concentration， temperature and humidity in greenhouse， and the components of the system and some main components used in each part were briefly described.

Keywords： single chip microcomputer；embedded system；greenhouse environment；measurement and control system

1 研究背景

在当前现代温室逐渐呈现出规模化与集约化发展趋势的大背景下[1]，针对温室智能化管理提出了高标准的要求。所以，如果想要实现温室、大棚高产，则需要准确监测温室环境数据，包括空气温湿度及一氧化碳浓度等。

温室环境控制具体指的是在免受外部气候条件影响的基础上，借助改变温室内部环境因子为作物成长提供良好的环境条件，所涉及的控制技术由两部分构成，即硬件结构与控制算法。由于单片机控制系统具有能全局管理、操作简单、价格低廉等一些优点，所以其在温室环境测控中得到了广泛应用。

2 温室环境测控系统设计

2.1 系统总体设计

系统下位机的核心为ATMEL公司生产的AT89S52单片机，其具备在线调试功能。应用本系统可以实时监测温室、大棚中的空气温湿度及一氧化碳浓度等，并借助串口与上位机和主芯片进行通讯。系统整体框架结构具体可见图1。

2.2 系統主芯片

本系统下位机的主芯片是AT89S52单片机。AT89S52单片机作为CMOS 8位微控制器，具有低功耗及高性能的优势，其中的Flash存储器可以在系统中编程。在设计中应用到了ATMEL公司提供的存储器技术，确保了高密度性和非易失性，可以和工业80C51产品指令与引脚充分兼容。片上Flash能为程序存储器于系统中编程提供支持，同时也适用于常规编程器。在单芯片中具备灵巧的8位CPU及在系统可编程Flash，从而保证AT89S52普遍应用于多种嵌入式控制应用系统中，其引脚图如图2所示。在本系统中，其可以接收、执行命令，并根据图示箭头方向进行数据流传输。

2.3 信号采集部分

本系统需要采集温室空气温湿度与二氧化碳浓度，前者是通过SHT75温湿度传感器实现的，后者是通过MG811二氧化碳传感器实现的。

SHT75温湿度传感器（见图3）中包括电容式聚合体测湿元件及能隙式测温元件各一个，同时在同一个芯片中和14位A/D转换器、串行接口电路无缝连接，温度量程为-40～123.8℃，而湿度量程则是0～100%RH。

SHT75温湿度传感器连接在微处理器中，借助C8051F120中的2个I/O接口可以和SCK引脚与DATA引脚连接起来，以达到数据交换的目的；VDD和3.3V电压连接。而为了防止出现信号冲突，微处理器需要在低水平下驱动DATA，因此应于I/O电路之下。在DATA引脚中另外加装上拉电阻，从而可以把信号提拉到高电平之上，并通过10kΩ电阻与3.3V电压相连接。

MG811二氧化碳传感器采用固体电解质电池原理。因其对二氧化碳有良好的灵敏度和选择性，加之受温湿度的变化影响较小及良好的稳定性和再现性，所以该传感器被广泛应用于空气质量控制、发酵过程控制和温室二氧化碳浓度监测等方面。MG811二氧化碳传感器主要面向模拟数据进行输出，应借助电流放大电路与转换电路把采集量转变成数字量，以确保主芯片可以进行有效识别。

2.4 下位机-上位机通信部分

因为本系统是借助上位机监测界面来采集控制传感器数据，所以实时通信至关重要。在系统设计过程中主要应用RS-232串口通信协议完成通信操作，同时通过MAX232芯片转换电平。RS-232能被应用于多方面，如连接打印机、鼠标及Modem，而且还能与工业仪器仪表相连接，主要是实现驱动以及改进连线。一般来说，RS-232对应传输长度或是速度都会大于标准值。RS-232只能用于PC串口及设备之间的点对点通信，最大通信距离约为15m。

2.5 下位机命令输入与显示部分

应用外设按键能采取外部中断方式进行命令输入，通过74HC148优先编码器来编码按键，同时输入到主芯片中。在实践应用中，为了最大程度地加强交互式功能，系统另外设置了液晶显示器对命令执行结果予以显示，如果传感器数值大于警戒值，则LED灯会发出报警。

74HC148优先编码器为16脚的集成芯片，是一个八线-三线优先级编码器。通常情况下，在优先编码器电路中能支持同时输入编码信号2个以上。然而，在设计优先编码器的过程中，已针对全部输入信号根据优先级别做出排序。如果同时有两个及以上输入信号，则优先编码器根据优先级相对较高的输入信号进行编码。

2.6 上位机部分

上位机部分是借助串口和主芯片进行通信，设有一个可视化界面，具备交互功能。此外，其和数据库相连接，能将历史数据记录下来，并进行管理。

3 结语

该系统实现了对温室环境参数（二氧化碳浓度、环境温度和环境湿度）的自动化监测，并能实现智能化存储。该系统结构简单、运行可靠、操作方便、成本低廉，完全可以满足在现代温室中进行上述三个参数的监测。但是，由于单片机控制结构采用的是集中式控制方式，各种性能都是集中于单片机中，因此，若单片机发生故障，则整个系统监测到的数据就会丢失。

参考文献：

[1]陈建恩，王立人，苗香雯，等.温室数据采集系统远程通信接口设计研究[J].农业工程学报，2003（4）：259-263.