多肉植物大棚环境控制系统设计

朱春馨，刘亚荣，谢晓兰，覃彦之

（1.桂林理工大学 信息科学与工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林 541004）

近年来，多肉植物由于品种繁多、体态娇小、形状各异、适合设计各种微景观等特点受到越来越多消费者的关注和喜爱[1-2]，为了满足市场需求，多肉植物大棚应运而生。然而，多肉植物与普通花卉植物的养护存在很大区别，主要表现在生长温度、浇水方法、光照和通风状况等方面。如何科学有效地提升多肉植物的品质及观赏价值是广大多肉植物爱好者及多肉植物大棚管理者考虑的重要问题[3-4]。

该文以STC89C52 单片机为核心，考虑了多肉植物对环境温湿度、通风条件、光照和土壤湿度等的特殊要求，设计实现了针对多肉植物的大棚环境控制系统，与普通花卉大棚控制系统相比，在温湿度控制及通风、光照控制方面均有较大不同[5-10]。

1 系统硬件电路设计

1.1 多肉植物大棚环境监控系统结构框图

多肉植物的养护与普通花卉的养护存在很大的差别，主要表现在生长温度、通风条件、浇水方法、光照及配土方面[11-12]。

大多数多肉植物适合的生长温度为15～28 ℃，温度低于10 ℃或高于30 ℃，多肉植物停止生长或生长非常缓慢，基本进入休眠状态。多肉植物在生长期的浇水需遵循“不干不浇，浇则浇透”的原则，而休眠期需要断水或者只需给少量水[13]。闷热潮湿的环境对多肉植物会造成致命的伤害，因此必须对其生长环境中的温度和湿度进行实时采集，并采取措施加以控制。多肉植物对光照有一定的要求，生长期的多肉植物需要充足光照以避免其出现徒长现象；但当温度较高时，刚浇过水的多肉植物一般需要避免阳光直射，以防多肉植物叶片被灼伤[14]。

基于以上问题，该文以STC89C52 单片机最小系统为核心，采用传感器实时采集环境温湿度和土壤湿度值，结合显示模块、按键模块、通风模块、遮阳模块、补光模块和浇水模块，设计了多肉植物大棚环境控制系统，其框图如图1 所示[15-16]。

图1 系统结构框图

1.2 单片机最小系统

单片机最小系统为环境控制系统的核心，由STC98C52 单片机、电源电路、晶振电路、复位电路组成，如图2 所示。

图2 单片机最小系统

电源电路采用5 V 的电源插座供电，快捷方便简单。晶振电路采用11.059 2 MHz晶振和30 pF的陶片电容，保证单片机顺利运行程序；复位电路由10 kΩ电阻和10 μF 的极性电解电容组成，使该系统接通电源即可实现自动复位；STC89C52 单片机的P0.0-P0.7 口外接上拉电阻；----EA 引脚接高电平，保证程序的正常运行。

1.3 浇水模块电路

浇水模块电路主要由土壤湿度传感器和继电器组成，如图3 所示。土壤湿度传感器，其端口分别为电源端口VCC、GND 和信号输出端口DO、AO。DO端口输出数字信号，AO 端口输出模拟信号，经过模数转换传送到单片机进行处理，得到土壤湿度值。该系统所用模数转换芯片为ADC0832，该芯片操作简单，性价较高。继电器通过小电流驱动功率较大的器件，同时又起到电路保护和隔离的作用。当土壤湿度低于所限定范围的低阈值且大棚内的温湿度处于所设定范围时，继电器吸合，开始浇水，当土壤湿度值达到所限定范围的高阈值或者大棚内的温湿度不在所设定的范围内时，继电器结束吸合，抽水泵停止工作。

图3 浇水模块电路

1.4 遮阳模块和补光模块电路

遮阳模块主要包括光照传感器、窗帘和指示灯，连接电路如图4 所示。利用光敏电阻R4和ADC0832组成光照传感器检测大棚内的光照情况。光敏电阻R4的环境温度为25 ℃。该型号的光敏电阻亮电阻为2～5 kΩ，暗电阻为0.2 MΩ，电阻值随着光照强度的增加而减小，根据欧姆定理可知，R4的电阻越小，分得的电压就越小，R6的电压就越大，模拟电压信号经过ADC0832 转换成数字信号，然后通过I/O 口进入单片机，利用ULN2003 五线四相步进电机模块来驱动窗帘。当光照强度高于或者低于所限定的范围时，单片机驱动电机正转或者反转控制窗帘的开关从而达到遮阳的效果。二极管用作遮阳指示灯，显示窗帘的开关状态。当光照强度过低且窗帘已经处于拉上的状态时，可以开启补光灯，给多肉植物补光。

图4 遮阳模块电路

1.5 通风模块电路

通风模块电路主要由DHT11 温湿度传感器模块和继电器模块构成。DHT11 温湿度模块三个引脚电源接口VCC、GND 和数据输出端口OUT。VCC 和GND 外接3.3～5 V 电压，OUT 数据端口带上拉电阻，直接输出数字信号，可直接连接单片机。电路如图5所示。当温度或者湿度高于所限定的值时，单片机就会通过继电器驱动电机通风，起到除湿降温的作用。

图5 通风模块电路

2 软件程序设计

2.1 系统主程序

该文所设计系统上电后系统初始化，可以选择是否设置环境参数阈值（温湿度、土壤温湿度、光照强度），阈值设定后，传感器模块开始实时采集环境温湿度、土壤温湿度和光照强度，并将采集量送入单片机实现不同模块的控制，其流程图如图6 所示。

图6 主程序流程图

2.2 遮阳模块和补光模块程序

由于光照对多肉植物生长尤为重要，同时也是普通花卉与多肉植物的关键区别所在，因此遮阳模块和补光模块尤为重要，其工作流程图如图7所示。该系统初始化时窗帘处于开启状态，补光灯处于关闭状态。当两个模块开始工作时，光照传感器实时采集多肉植物大棚中的光照强度值，判断光照强度是否处于设置范围内。当光照强度大于预设高阈值时，驱动电机关闭窗帘进行遮阳；当光照强度低于所设阈值时，首先判断窗帘是否处于遮阳状态，若是，则打开窗帘，同时判断此时光照强度是否仍然低于所设阈值，若是，则开启补光灯进行补光。

图7 遮阳系统程序流程图

2.3 浇水模块程序

浇水模块工作流程严格按照多肉植物生长习性设置，不仅考虑土壤湿度值，同时还要兼顾环境温度，当环境温度过高或者过低时，即使土壤湿度达到了浇水的阈值，也不能对多肉植物进行浇水。

3 系统测试

3.1 测试内容

该系统实物如图8 所示，根据功能可将系统分成遮阳、补光、浇水和通风四大模块，分别对四大功能模块进行逐一测试。

图8 系统实物图

浇水模块测试：湿度越大数值越大，当土壤水分低于所规定的值且当前的温湿度处于所规定范围内，系统控制水泵开始进行浇水工作，当土壤湿度达到规定的值时或者温湿度不在所规定的范围内，停止浇水工作。

通风模块测试：当温度或者湿度高于规定值时，继电器吸合，电机转动，进行通风。新增的加热指示灯也正常工作。

遮阳模块测试：当窗帘指示灯亮，表示大棚的窗帘处于拉开的状态；当光照强度低于所规定的值时，补光灯变亮；当光照强度高于所规定的值时，系统则将窗帘放下进行遮阳，窗帘指示灯则变暗。

3.2 测试结果

表1、表2 和表3 为功能测试部分结果。

表1 遮阳系统功能测试（当前光照强度5 000/lux）

表2 通风系统功能测试

表3 浇水系统功能测试（当前温度29 ℃、湿度78%）

4 结束语

该文利用传感器采集多肉植物大棚中环境的温湿度、土壤湿度、光照强度值，结合按键模块、通风模块、遮阳模块、补光模块和浇水模块，通过控制系统实现了多肉植物大棚环境中各参数的控制，有利于多肉植物的正常生长。该系统具有操作简单、实用性强及性价比高的特点。