基于单片机的温室大棚环境监控系统设计

吴波

摘要：针对目前温室大棚环境监控系统调节控制不集中、温湿度控制精度不足、自动化水平有限的问题。系统采用AT89C51单片机以及AM2301温湿度傳感器构成下位机单元，在对温湿度数据实时采集的同时，通过RS-485通信接口将数据传输至PC机的人机交互系统界面进行集中式监控。通过温湿度传感器准确地将温湿度参数测量出来，并将数据记录储存下来。通过与预设的参数值进行对比，当检测到的温湿度参数超过预先设定的范围时，系统发出报警警报。用户可以在上位机界面设置温度、湿度的上下限，系统自动将预设值写入AM2301温湿度传感器中，以此来达到监控的目的。

关键词：AT89C51单片机；数据采集；报警装置；AM2301传感器

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）24-0246-03

Abstract： The current greenhouse environment monitoring system is not centralized， temperature and humidity control accuracy is insufficient， automation level is limited. The system adopts AT89C51 single chip computer and AM2301 temperature and humidity sensor to constitute the lower computer unit. While collecting the temperature and humidity data in real time， the data is transmitted to the interface of the man-machine interaction system of PC computer through RS-485 communication interface for centralized monitoring. The temperature and humidity parameters are accurately measured by the temperature and humidity sensor， and the data are recorded and stored. By comparing with the preset parameters， the system gives an alarm when the temperature and humidity parameters are higher than the preset range. The user can set the upper and lower limits of temperature and humidity in the upper computer interface， and the system automatically writes the preset value into the AM2301 temperature and humidity sensor to achieve the purpose of monitoring.

Key words： AT89C51 single Chip Microcomputer； data acquisition； alarm device； AM2301 Sensor

伴随着科技的发展，国内外的温湿度检测器件种类纷杂繁多，而且拥有比较宽泛的应用，再加上随着现代单片机和大规模集成电路技术快速崛起，随之产生了可行性比较高、稳定性高的单片机环境监控系统。普通的温室大棚没有技术、设备的支持，当自然灾害来临时，自我抵抗能力很低，不能很好地调节温室内的自然条件参数，智能化程度低，技术含量不高。究其根本，在于温室大棚缺乏现代化的智能监控调节系统。在现代农业生产中，往往需要对生产环境中的一些重要参数进行采集和检测。许多环境条件都在影响着农作物的长势，例如：空气的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等，这些因素都与植物的生长发育密切相关，人们手工的对环境参数进行检测不仅测量不准确，而且不能连续作业，容易造成经济损失，很难达到种植的预期效果，也不利于提高种植质量和规模，信息化程度难以提升。智能化温室大棚通过先进的科学技术与管理技术，运用环境科学、计算机科学、信息处理等技术，能对大棚内环境因素进行实时检测、监控。结合温室智能监控系统所收集到的参数数据，农作物的自然生长状况，有效的调节温室大棚内的环境条件，使得农作物达到预期的长势，提高产量与质量。

1 系统方案设计

1.1 系统的工作原理

本系统在采集参数、传输数据、显示数据、报警判断过程中都要通过AT89C51单片机进行运算，因此AT89C51单片机是该系统的主要核心。由温湿度传感器AM2301进行数据采集，通过AT89C51单片机在1602LCD液晶显示器上显示收集的数据。如果实际的数据结果超出设定的规定范围，报警器就会经行实时的报警，红色LED将会显示提示。此监控系统中的单片机是采用C语言进行程序编写的，编写相对简单，而且运用了RS—485总线技术。温室大棚监控系统是基于AT89C51单片机为中央核心控制，该中心负责系统的控制和操作，进而实现各模块的模块化设计和工作协调。单片机把所采集的数据准确合情地处理，并在LCD上显示相应的数据。报警功能的实现则是通过发光二极管LED实现，倘若超过之前设定的范围，系统便会自动报警，这会体现在LED和蜂鸣器上，以此来通知用户采取相对应的措施。系统的工作原理图如图1所示。

1.2 系统的组成

温室大棚环境监控系统采用AT89C51单片机作为中央处理芯片（MCU），采用控制系统、通信系统、温湿度检测系统等相关技术，测量元件为AM2301温湿度传感器对温湿度检测。主要电子元器件为：AT89C51单片机，温湿度传感器AM2301、1602LCD液晶显示屏、红外对射传感器，控制部分采用电磁继电器控制组。系统组成框图如图2所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 时钟电路设计

时钟电路是时序的基础，按照先后顺序有规律地运作，单片机内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟，时钟有外部方式和内部方式两种方式。系统采用内部时钟方式，XTAL1输入端和 XTAL2为输出端之间设有12M的石英晶体和30pF的电容，以此构成了一个相对稳定的振荡器，采用外部时钟方式 ，XTAL2口悬空，它的外部时钟电源将会接到XTAL1口。时钟电路如图3所示

2.2 复位电路设计

复位系统的使用方式是上电和按键两种方式共同运作，两者都能够将单片机复位。在这里面，上电方式的复位，是为了使单片机电容的充放电时间保持在2US以上，同时RST引脚接收得到这个电信号，这样便完成了上电方式的复位；在使用键盘复位方式时，此时电充处于一个暂时性短路状态，电能被全部释放掉，电阻增大，引起了系统的复位。复位电路图如图4所示。

2.3 AM2301接口電路设计

AM2301数字温湿度传感器是一种温度和湿度信号可以同时输出的传感器。它是应用特定程序的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有高可靠性和良好的长期稳定性。AM2301与AT89C51连接电路如图5所示。

2.4 报警电路设计

该系统采用发光二极管LED作为报警装置，当系统检测到的数据符合规定的要求时，现场红灯不亮；当系统检测到的数据不在规定温湿度内，现场为红灯报警。报警装置电路如图6所示。

2.5 LCD显示电路设计

LCD显示电路用LCD1602字符型液晶显示模块与单片机连接进行数值显示，其电路图如图7所示

3 系统软件电路设计

温室大棚环境监控系统软件设计部分主要有：系统初始化数据收集模块、数据判断模块、LCD显示模块、警报模块。核心单元为AT89C51单片机，温湿度传感器对温室大棚内的温度和湿度进行测量，将测量到的温度和湿度参数传输到单片机中，通过与预设的参数值进行对比，当所检测的温度参数超过预设范围时（60℃），湿度超过（60%RH），自动触发警报系统，警报装置可发出声光警报。数据参数直观地显示在显示屏上。软件设计流程图如图8所示。

4 结论

为提升温室大棚环境监测温湿度的自动化程度，满足我国现代牧业的发展需求，该研究进行了以常用单片机AT89C51为控制核心的温室大棚环境温湿度采集与控制于一体的系统设计。该系统设计实现了对温湿度实时的采集与分析调节，极大地提高工作性能与效率，具有高性能、低功耗、高精度等优点，提高了大棚温湿度控制的自动化程度，减少了农民的日常工作量，改善了我国当前温室大棚温湿度控制系统简单粗放、自动化程度低、工作效率低下的现状，极大地节省了劳动力和推动了我国农业发展。该设计性价比高，操作简单，满足绝大多数农民的需求。反复试验表明，该系统可满足农业上对温室大棚环境监测、控制、调节的要求。

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