基于AT89C52智能温室大棚的设计与实现

梁成功 陈梓豪 魏 敏 胡亮亮 张丽红

(1．晋中学院物理与电子工程系，山西 晋中 030600；2．山西省交控数字交通科技有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

温室大棚快速发展，规模迅速扩大，但是传统的温室大棚控制系统却没有相应的更新换代，目前应用到温室大棚的监测系统多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关以及A/D 转换器等组成的传输系统。这类传输系统成本高、易受外界干扰、损耗大且测量误差大，无法有效控制温度。 单片机因其优良的性价比和可控性备受青睐。该文基于AT89C52单片机设计了一款智能温室大棚控制系统，真正意义上实现了无人化、智能化生产，与目前常见的其他智能温室大棚相比，其具有成本低廉、功能多样以及可移植性强等优点，能有效提高大棚种植的经济效益[1]。

1 设计流程

根据预期所要实现的功能，按照模块化设计的思想，初步确立智能温室大棚系统由核心AT89C52单片机最小系统、实现温度采集与控制功能的温度采集模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、大棚增温灯模块、实现阴历显示与定时灌溉功能的实时时钟模块、液晶显示模块、独立键盘模块以及蜂鸣器模块组成，系统模块设计框图如图1所示。

系统具体运行流程如图2所示，先初始化，刷新时间，刷新温度显示；执行主循环，进行按键检测，如果有按键按下，就执行按键功能，如果没有按键按下，就每200 ms监测系统状态1次，判断此时系统状态处于阳历模式还是阴历模式，如果阳历模式，就刷新时间、日期，如果为阴历模式，就刷新阴历[2]；设定温度阈值，同时每秒检测温度1次，如果温度高于33 ℃ （设定阈值），就开启降温系统对大棚降温，驱动舵机旋转到-90 °方向，代表遮阳网开启。如果温度为25 ℃～33 ℃，就表示温度适宜植物生长，降温系统转为关闭状态，舵机保持不动。如果温度低于25 ℃，就打开增温补光灯，给予植物充分的光照和温度，同时舵机转动到+90 °方向，代表遮阳网关闭。最后对时间进行监测，当定时灌溉系统处于开启状态且时间达到所设定的时间时，驱动电机开启水泵，均匀浇灌植物，同时，还可以通过软件及土壤湿度科学设置灌溉时长。

图2 系统运行流程图

2 单片机最小系统与扩展模块线路设计

最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟以及复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。将最小系统作为智能温室大棚系统的核心部分，将其引脚外接不同的模块，使单片机具备温度监测与控制、智能灌溉以及阴阳历转换等功能。 选用AT89C52单片机为核心，在XTAL1与XTAL2引脚外接11.059 2 MHz的晶振，使单片机有合理的运行速度。 RST引脚接复位电路，高电平复位[3]。

AT89C52单片机最小系统电路如图3所示，在设计中，单片机P0.0～P0.7引脚接液晶显示屏LCD1602的D0～D7引脚，作为数据传输引脚；P2.0引脚接蜂鸣器引脚，作为温度阈值报警、定时灌溉驱动提示音引脚；P2.5引脚接LCD1602的RS引脚（寄存器选择引脚），高电平时为数据寄存器，低电平时为指令寄存器；P2.6引脚接LCD1602的RW引脚（读/写控制引脚），因为只需要写入数据，所以可以只接低电平；P2.7引脚接LCD1602的E引脚，为使能端口，高电平有效；单片机对E引脚、RS引脚以及RW引脚输入控制信号，便能与LCD1602建立数据通信，将时间、日期以及温度等信息传输到液晶显示屏上显示；P3.0～P3.3引脚接独立键盘的K1～K4引脚，具备时间调整、阴阳历界面切换、设定灌溉时间以及开关状态功能；P3.7引脚接温度传感器DS18B20的WD引脚，单片机通过P3.7引脚可以读取DS18B20的温度数据；P1.0～P1.2引脚接时钟芯片的SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚与RST复位引脚；P1.3引脚和P1.5引脚接ULN2003A的4B口和6B口，当单片机对这2个端口输入高电平时，便可以驱动相应的电机转动，同时LCD1也与P1.5引脚相连，当P1.5引脚输入高电平时，LCD1被点亮，代表定时灌溉系统开启；P1.4引脚接舵机SG90的DJ引脚，通过DJ引脚向舵机发送不同占空比的脉冲信号，可以使舵机转动到不同方向[4]；P1.7引脚接大棚增温灯LED2，当P1.7引脚输入低电平时，大棚增温灯被点亮。

3 温度采集与控制功能设计

温度采集与控制功能由单片机最小系统与温度采集模块、舵机模块、电机模块以及大棚增温灯模块协作实现。其中，温度采集模块采用数字式温度传感器DS18B20，如图4所示，DS18B20采用单总线设计，其DQ端与单片机P3.7引脚直接相连，单片机通过这一条总线便可以完成对DS18B20的复位操作、存在检测以及读写等操作，从而完成温度采集工作[5]。

图4 温度采集与控制电路设计图

先启动DS18B20温度转换，执行总线复位，单片机通过拉低总线499.45 μs来发送复位脉冲，挂接在总线上的温度传感器将会被复位，之后单片机释放总线进入接收模式，总线被拉至高电平。当DS18B20检测到总线上升沿信号后，等待83.45 μs，将总线拉低发送一个存在脉冲，向主设备表明温度传感器在总线上，并且做好通信准备。 接着，总线控制器产生读写时序，通过向总线发送由0与1组成的序列码，完成忽略ROM指令操作以及温度转换指令操作，从而读取温度值。总线控制器产生写0时序，将总线拉低最少1.00 μs，保持低电平76.95 μs，然后释放总线；产生写1时序，在产生写时序的15.00 μs内将总线拉高，再保持60.00 μs以上，以保证ds18b20采样；同理，产生一个读时序，必须先将总线拉低至少1.00 μs，在读信号开始后的15.00 μs内完成将总线拉高或者保持低电平的操作，同时将数据保持60.00 μs以上，保证总线控制器完成总线数据采样工作[6]。

完成温度采集工作后，根据所获取的温度数据，设置温度阈值（33 ℃），并通过判断温度是否超过相应的阈值范围，执行相应的增温、降温操作。

当温度高于33 ℃时，单片机通过P1.3引脚向ULN2003A中的4B口输入高电平信号（图5（a）电机），则4B口对应的输出口4C口会得到一个低电平信号，此时COM口为高电平，4C口为低电平，电机小电风扇启动，开始对大棚降温，同时单片机通过P1.4引脚及DJ端口向舵机输入占空比为1∶39的脉冲信号（图5（a）舵机），舵机转动到-90 °方向，代表遮阳网开启。

当温度为25 ℃～33 ℃时，就表示温度适宜植物生长，单片机通过P1.3引脚向ULN2003A中的4B口输入低电平信号（图5（b）电机），则4B口对应的输出口4C口会得到一个高电平信号，此时COM口为高电平，4C口为高电平，降温电机停止转动，同时单片机停止向P1.4口输入脉冲信号（图5（b）舵机），舵机保持不动。

当温度低于25 ℃时，单片机向P1.7口输入高电平信号，开启增温补光灯，给予植物充分的光照与温度，向P1.4引脚输入占空比为5∶35的脉冲信号（图5（c）舵机），舵机转动到+90 °方向，表示遮阳网关闭，同时单片机向P1.3引脚输入一个正脉冲信号（图5（c）电机），确保电机处于关闭状态[7]。

图5 电路波形图

4 阴历显示与定时灌溉功能设计

阴历显示通过单片机向SCLK端输入低电平，向RST端输入高电平，进行初始化，对I/O口输入写控制指令，当下一个SCLK时钟脉冲的上升沿来临时，将数据写入DS1302；对I/O口输入读控制指令，当下一个SCLK时钟脉冲的上升沿来临时，将数据读出DS1302，这样通过SCLK与I/O口的配合将精确的时刻数据传输到单片机中。单片机接收到时钟数据与从天文台得到的阴历数据进行对比，就可以得到当年的春节日期，以计算公历日离春节的天数，以后只要根据大小月和闰月信息，减一月天数，调整一月农历月份，即可推算公历日所对应的农历日期[8]。

在得到时间数据后，通过if语句判断时间与所设定时间是否相等，如果相等，那么单片机通过P1.5口输入高电平，LED1被点亮，同时ULN2003A中6C口位置的电机启动，蜂鸣器发出滴滴提示音，代表定时灌溉功能开启（图5（d）蜂鸣器与定时灌溉）；再通过if语句判断时间与所设定时间加洒水时长是否相等，如果相等，就给P1.5口输入低电平，LED1与电机均关闭，系统通过2个if语句便完成了定时灌溉功能的设计。

图6 阴历显示与定时灌溉功能设计图

5 结语

该文基于AT89C52智能温室大棚温度监测与控制系统，采用模块式设计与软硬件结合的方法，将单片机与温度采集、电机驱动等8个外部扩展模块连接，在硬件上，采用数字式温度采集，将温度误差缩小至±0.5 ℃；同时，设计了升温补光、电机降温等温控功能，使温室大棚内农作物即使在外界环境温度大幅度变化的情况下，仍可以正常生长。在软件上，通过应用流程代码，实现了对各个模块的调用以及各个模块功能的相互配合，不但全面、实时且准确地完成了对温室大棚温度实时监测与控制，而且额外增添了符合农业生产节气的阴历显示功能与定时灌溉功能，从而实现温室大棚的智能化生产。通过模块化设计的方法，电路可移植性强，可以根据不同环境的需求增添外部扩展模块，例如可以加入蓝牙模块，与手机相连，操作更便捷，管理更精准；也可以加入湿度检测模块监测土壤湿度，更有效、科学地管理灌溉时长。综上所述，基于AT89C52的智能温室大棚系统比传统智能控制系统更智能化、人性化，性价比更高，更符合市场需求。