一種簡易溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針對溫室大棚人工控制過程復(fù)雜，生產(chǎn)成本高和效率低下等問題。設(shè)計了一款基于STC89C55的低成本簡易溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、和二氧化碳濃度等環(huán)境因子進(jìn)行實時監(jiān)控，并能按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對溫室環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以滿足不同農(nóng)作物的生長要求。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟硬件的實現(xiàn)方法。經(jīng)仿真和實際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)具有探作簡單，運(yùn)行可靠和造價低廉等特點(diǎn)，能滿足溫室控制的需求，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值。
關(guān)鍵詞：智能溫室；控制系統(tǒng)；單片機(jī)；環(huán)境因子

溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境，為植物生長創(chuàng)造更好條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種園藝溫室和農(nóng)作物溫室的數(shù)量在不斷的增加，目前這些溫室環(huán)境的控制大部分仍靠人工經(jīng)驗來進(jìn)行手動控制，這種控制方式生產(chǎn)效率低下，單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本偏高，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益，阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。因此采用智能溫室控制代替手工控制是現(xiàn)代溫室發(fā)展的一個必然趨勢，而當(dāng)今國內(nèi)常見的智能溫室系統(tǒng)都是采用工控機(jī)或者PLC方案，其控制成本高，性價比低，較大部分用戶經(jīng)濟(jì)能力承受不起。為此本文在綜合考慮系統(tǒng)的測量精度、生產(chǎn)效率以及成本等多方面因素之后，設(shè)計了一種基于STC89E55RD+單片機(jī)的低成本簡易溫室控制系統(tǒng)。其成本較工控機(jī)要低，運(yùn)行可靠，便于大批量推廣。

1 總體設(shè)計
本系統(tǒng)整體原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用STC89E55RD+單片機(jī)作為控制核心，通過各種傳感器將溫室內(nèi)的溫度，濕度，光照度和二氧化碳濃度等環(huán)境因子轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，經(jīng)調(diào)理電路后送入到單片機(jī)，實現(xiàn)對環(huán)境因子的采集，存儲與顯示。采集后的信號與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)溫室內(nèi)環(huán)境因子參數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的值時，啟動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行控制且系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，直至環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)至目標(biāo)范圍內(nèi)。溫室控制系統(tǒng)還包括各種人機(jī)界面和數(shù)據(jù)傳輸接口，以實現(xiàn)了人機(jī)交換方式和實時參數(shù)的設(shè)定。此外，控制器同時也可與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)指令并把采集的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)可對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2. 1 信號采集模塊
2．1．1 模擬量采集模塊
模擬量采集模塊要完成對溫室現(xiàn)場溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照度的測量與采集。
溫度傳感器選用數(shù)字化集成溫度傳感器DS18B20，該傳感器將現(xiàn)場溫度直接采用“一線總線”的數(shù)字方式進(jìn)行傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。濕度傳感器選用瑞士Scnsirion公司生產(chǎn)的智能數(shù)字濕度傳感器SHT11，該傳感器將濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能全部集成于一芯片中，可給出全校準(zhǔn)相對濕度值輸出；并帶有兩線制的串行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，使系統(tǒng)的接口設(shè)計變得簡單快捷。圖2為溫度和濕度采集電路原理圖。

考慮到溫室傳感器的輸出信號需要遠(yuǎn)距離傳輸，因此二氧化碳傳感器和光照度傳感器都選用電流型輸出的傳感器，光照度傳感器選用TBQ-6型光照度傳感器。二氧化碳傳感器選用VC1008T-KS型CO2傳感器。光照度和CO2采集模塊電路原理圖如圖3所示。這兩種傳感器的輸出信號都為4～20 Ma的電流信號，其信號處理通道如下：4～20 Ma的電流信號先通過250 Ω高精度取樣電阻(精度為0．1％)，將電流信號轉(zhuǎn)化為1～5 V的電壓信號，通過四選一的多路模擬開關(guān)ADG509以差分的方式將信號輸送到儀表放大器AD620，AD620將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出，這種以差分方式輸入電壓信號，極大地減少了外間因素給A／D數(shù)據(jù)采集帶來的信號干擾，提高了信號的輸入阻抗，通過負(fù)反饋運(yùn)算電路將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為MAX187所允許的輸入電壓范圍0～4．096 V。在MAX187數(shù)字信號輸出端與單片機(jī)的I／O口上加入6N137光電隔離器，把數(shù)字量信號和模擬量信號進(jìn)行相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_作用。