基于单片机的烟草育苗大棚温湿度监测系统设计*

李晓歌 ， 李 娜

（1.河南牧业经济学院能源与智能工程学院，河南 郑州 450000；2.漯河职业技术学院信息工程学院，河南 漯河 462000）

烟草是我国一种非常重要的经济作物，育苗是整个烟草种植过程中极其重要的一个环节。温湿度对烟草的育苗质量影响非常大。目前的育苗大棚，大多是通过用一些温度或者湿度测试仪器，如温度计、湿度试纸等，来对大棚内环境进行人工检测[1]。这种检测方法工作量非常大，而且检测的时间受人为因素的影响较大，对棚内温湿度的变化不能及时监测及调整。尤其随着规模化种植逐渐成为趋势，这种检测方式的弊端就更成为急需解决的问题。

课题组将单片机技术、自动控制技术、无线通信技术、传感器技术等应用到了烟草育苗中，设计一个监测控制系统[2]。以单片机为控制核心，监测烟草育苗大棚的实时温湿度，把温湿度数值显示在液晶屏上，让检测人员不用进入育苗大棚就可观察到温湿度的实时数据。如果监测到温湿度超过所设定的范围，就会现场及远程报警，以便于及时调整育苗大棚的温湿度。

1 系统整体设计方案

通过对烟草育苗大棚的实地考察，与烟农交流，了解育苗的基本过程、育苗温湿度控制关键点、大棚中温湿度变化特点。在综合考虑系统功能与成本的基础之上，对系统进行了整体设计，基本框图如图1所示[3]。系统以STC89C51单片机为核心器件构成主控模块，由温湿度传感器DHT11完成大棚内温湿度数据的采集，将其传输到单片机，单片机分析并处理接收到的信号后发送到显示模块实时显示。设置模块用来设置温湿度的上限值和下限值，温湿度超出设置范围时报警模块报警，同时通过GSM通信模块发送信息给管理人员。

图1 系统框图

1.1 主控模块

主控模块采用STC89C51单片机。STC89C51是一款使用非常广泛的高性能CMOS 8位微控制器，具有4K字节系统可编程闪存，实际工作频率可达48 MHz。控制器有27个通用I/O口，10位精度ADC功能，2个16 位定时器，在完全满足功能需求的基础上，具有较高的性价比。设计的单片机最小系统如图2所示，最小系统主要包含单片机、电源电路、复位电路和振荡电路。

图2 单片机的最小系统图

1）电源模块为系统运行提供稳定的电压，考虑到系统在田野户外使用的特点，设计电源模块为外接5 V直流电源辅助太阳能充电方式。充电模块主要由太阳能板、可充电电池、升压部分组成。充电电池3.7 V的电压通过升压部分升压为5 V后可为整个系统供电[4]。

2）晶振电路由晶体振荡器Y1和C3、C4构成的并联谐振电路组成，为单片机提供基准时钟信号，本系统采用内部时钟方式。

3）复位电路采用上电自动复位和手动按键复位结合的方式。对于上电自动复位，应合理选择R和C值使高电平至少维持两个机器周期。一般URST大于3 V就能使单片机可靠复位，本设计复位电路中选用的电阻R11为10 kΩ，电容C1为10 μF，因此充放电电路的时间常数为100 ms，复位时间约等于0.511RC≈51 ms，对振荡频率为12 MHz，机器周期为1 μs的单片机，满足复位时间的要求。

1.2 温湿度采集模块

温湿度传感器的选择及布局需考虑要测量的温湿度数据区间、测量面积的大小。烟草育苗目前大部分使用漂浮育苗，种子播种在填充了基质的深度为8 mm～10 mm的育苗托盘中，大棚底部有15 cm～18 cm的水，托盘漂浮于水中。在幼苗发芽之前，大棚中的温度应该保持在20 ℃～22 ℃，空气相对湿度保持为85%～87%。在幼苗长成大十字之前，大棚内部的温度保持在22 ℃～24 ℃，相对空气湿度为80%～84%。在幼苗长成大十字到移栽之前，大棚中的温度保持在25 ℃～27 ℃，相对湿度为78%～82%。因此，烟草育苗棚的最佳生长环境温度范围为20 ℃～27 ℃，湿度范围为78%～87%RH。DHT11温度测量范围是0～50 ℃，湿度是5%～95%RH，满足温湿度范围[5]。本设计针对的对象为中小型育苗棚，棚的大小约为20.5 m×5.4 m×2 m，DHT11最大信号传输距离为20 m，兼顾到大棚的面积及温湿度分布特点，给每个大棚均匀放置两个温湿度传感器，放置在距离托盘10 cm处[6]。DHT11的电路图如图3所示，其中电源引脚VDD接5 V电源，引脚DATA与单片机的P1.0引脚连接，引脚NC悬空，GND为接地端。

图3 DHT11电路图

单片机通过P1.0引脚完成和DHT11的状态交互和数据传输。总线空闲状态为高电平，首先主机把总线拉低等待DHT11响应，拉低时间必须在18 ms以上，只有这样DHT11才可以检测到起始的信号。DHT11接收到主机的开始信号后拉低总线并发送80 μs低电平响应信号来告诉主机此时的DHT11正常，之后DHT11拉高总线80 μs左右，开始传送数据。DHT11高低电平的长短决定了数据位是0还是1，并且每一位数据都以50 μs低电平时隙开始。数据“0”是拉低总线50 μs然后拉高总线25 μs；数据“1”是先拉低总线50 μs，然后再拉高总线70 μs。

1.3 显示模块

在本系统中所采用的液晶显示模块为 LCD1602，它是一种点阵液晶。该模块界面简洁、使用方便、功耗低，价格也很便宜。LCD可以显示16×2个字符，本设计通过自动切换屏幕的方式显示所有的数据[7]。

LCD1602的电路图如图4所示。8位数据总线DB0～DB7，连接单片机的I/O口，接收单片机传输的数据并显示。本设计中LCD1602液晶显示器的数据线与单片机STC89C51的接口P0.0～P0.7相连。有RS、R/W和E三个控制端口，RS是数据命令选择端，与单片机接口P2.7相连，控制在高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；R/W是读写选择端，读数据用于检测液晶是否处于忙状态，本系统程序用延时完成数据分时传送，因此此端接地；E是使能信号，与单片机接口P2.6相连。

图4 LCD1602模块电路图

1.4 报警模块

系统报警模块通过蜂鸣器和发光二极管分别实现声音和光线报警。管理员设置温湿度的上下限后，系统中的温湿度传感器模块进行实时采样，和设置值对比后，如果不在预设范围内，系统会点亮相应的指示灯并驱动蜂鸣器报警[8]。

灯光报警电路如图5所示，四个LED灯分别与单片机的P2.0、P2.2、P2.4、P2.5引脚相连，超限情况发生时对应引脚输出低电平，对应的二极管点亮。第一个红色LED1灯亮时代表温度值过高，第一个绿色LED2灯亮代表温度过低；当第二个红色LED3灯亮时代表湿度值过高，第二个绿色LED4灯亮代表湿度过低。

图5 报警灯电路图

图6 蜂鸣器电路图

蜂鸣器电路如图6所示，通过一个PNP型三极管驱动蜂鸣器，三极管基极与单片机的P3.2连接，当温湿度超限时，此引脚输出低电平，三极管导通，驱动蜂鸣器发声。

1.5 通信模块

通信模块用GSM模块实现温湿度超限时给管理人员发送信息。系统选用的GSM模块是SIM800L。SIM800L模块的串口引脚是TTL电平，所以可以与单片机直接相连实现串口通信，单片机的TXD引脚与模块的RXD连接，单片机的RXD与模块的TXD连接，二者的GND在一起，就可实现单片机与模块的通信[9]。模块电路图及与单片机的连接方式如图7所示，其中 SIM-TXD引脚与单片机P3.0连接，SIMRXD与单片机P3.1连接。

图7 SIM800L模块电路图

为实现中文信息发送，系统使用PDU模式发送短信，要实现短信发送功能，需要设置编码格式，并根据该格式进行信息整理。首先要把汉字转换为Unicode字符，然后把SMSC地址信息、地址格式、目标号码、编码方式、用户信息等所有短信信息编排成PDU串，再加上相关格式说明，构成完整的信息串，然后通过串口发送。

1.6 设置模块

设置模块使用按键实现对温湿度上下限的设置操作。设置模块按键电路如图8所示。模块由S2、S3、S4三个按键组成，分别连接单片机的P1.1、P1.5、P1.6口。S2键按下进入数据设置状态，通过在程序中所设置模式变量记录的S2按下的次数，分别进入不同的设置模式。按下一次时模式值为一，进入设置温度上限值模式；按下两次时模式值为二，进入设置湿度上限值模式；按下三次时模式值为三，进入设置温度下限值模式；按下四次时模式值为四，进入设置湿度下限值模式；按下五次时模式值归零，进入初始显示状态。S3、S4按键在模式不为零时有效，根据模式值通过按下次数，按S3提高阈值，按S4降低阈值。

图8 设置模块按键电路图

2 实验结果

系统软件在keil中调试通过后，配合Proteus仿真软件来实现软硬件联调及仿真。仿真电路如图9所示。在仿真实验中，由于无法获取真正环境的温湿度值，温湿度值的变化用直接设置两个DHT11的温度和湿度数据来模拟。先通过设置按键及加、减按键设置温湿度的上下限值，然后设置两个DHT11的温湿值为各种可能的情况，可以观察到对应的发光二极管和蜂鸣器的反应与预设的状态相符，同时显示器也可以正确显示数据[10]。

图9 仿真电路图

通过仿真确认设计基本正确后，焊接实物进行模拟环境试验，实物运行结果之一如图10所示。模拟不同温湿度环境，将温湿度传感器放置其中，可以观察到所检参数不在设置阈值范围时系统能做出相应动作，发生报警时也能正确发送信息到指定手机。

图10 实物运行结果

3 结论

课题组针对目前规模化种植环境下传统烟草育苗大棚管理方式面临的实际问题，在对烟草育苗设备、环境、环节及育苗各环节所需控制的温湿度数据进行分析的基础上，设计了可以实现自动实时监测、远程报警的监测系统。文中对系统各个硬件电路的选型、设计及工作原理进行了详细介绍，经仿真和实物测试检验了系统的准确性和可靠性。