蔬菜大棚环境监测仪的设计与制作

广东海洋大学寸金学院 杜永峰 黄伟钧 伲 坤 胡华健

本项目介绍了一种基于单片机的环境检测仪的设计方案。该监测仪以STC89C51单片机为控制核心，通过光照传感器、湿度传感器、温度传感器实现三路环境参数的采集，同时具有液晶显示和键盘操作等人机交互功能，用手机APP进行同步显示。测试结果表明，该监测仪测量结果精确，功耗低，操作灵活方便，基本满足蔬菜大棚环境参数检测的需求。

我国地大物博，物产丰富，人口众多，人们希望一年四季天天都能吃到所要吃的新鲜健康的绿色蔬菜。因此农业生产在国民生产中占据了非常重要的地位。由于我国领土面积广大，从南往北、从东到西，地理位置差异很大，气候复杂多变的原因，因此对现代农业的要求越来越高。基本农业生产技术加现代智能控制技术相结合的智慧农业生产受到人们的青睐。农作物的生长条件是温度、湿度、光照，对于这三个参数的有效调控已成为人们研究的进一步提高蔬菜品质、产量的重要方面，因此开发设计一款对温室大棚室内温度、湿度、光照等环境参数适用于多地区的环境检测仪，对农业生产力的提高具有深远影响。

1 系统设计的构想

基于51单片机的蔬菜大棚环境监测仪，通过手动模式的控制或者自动模式的智能判断来改善蔬菜大棚内环境参数量的装置。

本系统主要由供电、控制、检测、人机交换等组成，包括BH1750光照检测模块电路、DHT11温湿度模块电路、按键设置电路、12864液晶显示模块电路、继电器驱动模块电路、声光报警模块电路、单片机最小系统等组成。控制模块选择STC89C51作为控制核心芯片，该系统如图1所示为基于单片机的蔬菜大棚环境监测仪原理框图。

图1 基于单片机的蔬菜大棚环境监测仪原理框图

该控制系统通过BH1750光照传感器模块检测电路，DHT11温湿度传感器模块检测电路检测蔬菜大棚内的环境参数，然后将这些环境参数量直接输出到STC89C51单片机中进行数据处理并输出。通过按键对温度、湿度、光照进行上下限调节设置，并且保存在单片机内部，掉电保存，根据测得的数据执行相应的控制程序，当环境中温度、湿度、光照任意一项不在设定阈值内，开启继电器模拟和蜂鸣器报警，从而实现对蔬菜大棚内的环境量的调节控制。

2 系统的硬件功能模块的设计

2.1 DHT11温湿度传感器

本系统DHT11数字温湿度传感器由一个电阻式感湿元件和一个负温度系数测温元件构成。它输出已校准的标准数字信号并直接与高性能8位单片机相连接。它的特点是连接电路简单、体积极小、功耗极低、性价比极高、响应极高、抗干扰能力极强等优点。使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。

2.2 BH1750光照传感器模块

BH1750FVI是一种采用I2C总线接口的16位光强传感器，是一种可以根据通过透光孔的光线强度变化，来调整输出电平信号的集成芯片。它的高分辨率特点可以使它能够感测比较大的光照强度变化。它的特点是：（1）支持I2C总线接口；（2）接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性；（3）输出对于亮度的数字值；（4）感应光照的输入范围大，灵敏度高；（5）通过降低功率功能，实现低电流化；（6）通过50HZ/60HZ除光噪音功能实现稳定的测定；（7）支持1.8V逻辑输入接口；（8）无需外接其他部件；（9）光源依赖性弱，识别能力强；（10）有两种可选的I2C工作模式地址；（11）可调的测量结果影响较大的因素为光入口大小；（12）精度高最小误差波动在正负20%等特点。

2.3 12864显示电路模块

本系统采用带有中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；它可显示显示8×4行16×16点阵的汉字。也可完成图形显示。其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。它具有接口方式灵活、操作指令简单、低电压低功耗、体积小和可视面积大、性价比高等优点。

2.4 按键功能设置电路

按键功能设置电路由三个按键组成。分别是功能设置键、增加键和减小键。功能键按一次进行报警温度上限值设置，此时设置H高温报警温度并闪烁显示；按第二次进行报警温度下限设置，此时设置L低温报警温度并闪烁显示；再按一次即第三次时，则恢复初始原有正常的温度显示界面。增加键可以对上限温度或下限温度进行增大调整；减小键可以对上限温度或下限温度进行减小调整；湿度和光照同理。这样便可设置好温湿度和光照的阈值。

2.5 声光报警电路

本系统采用蜂鸣音报警电路。它的组成是由三极管、电阻、蜂鸣器等组成。当外部环境量超过预设值的时候，蜂鸣器声光报警电路将发出灯光和响声。

2.6 电源电路

本设计电路中，单片机、液晶显示模块、传感器模块等由使用5V的电压，因此直接用干电池串联构成，或者直接使用5V充电器直接给其模块供电。

3 系统软件程序设计

首先对系统进行初始化，然后采集温室大棚内的光照，温度和湿度信号环境量数字信号，再经过单片机计算处理后输出控制信号，从而去使相应的继电器驱动模块进行动作，相应的负载启动，改善光照、温度和湿度，进而实现对蔬菜大棚环境量的监测和调节控制。

结论：本系统针对农作物生长所需要的温度、湿度和光照三要素对其进行控制调节，将传感器技术和单片机技术相结合，实现对蔬菜大棚室内环境参数监测和调节和控制。硬件电路设计过程采用模块化设计思想，提高了系统的稳定性、可靠性、安全性。极高的性价比使其具有广阔的应用前景和实用价值。