基于单片机的温室智能控制系统研究

摘　要：研制了一种单片机控制植物温室温度、湿度、光照度和CO2浓度等参量的电路系统，并着重介绍了系统的功能、硬件、软件和主要特点。

关键词：单片机、植物温室、控制系统、智能控制
　　植物，尤其是珍贵花卉、苗木和反季节蔬菜的生长都需要某种特定的温度、湿度、光照度和二氧化碳含量等条件，当气候条件不能满足上述要求时，它们便生长不良，甚至枯萎、腐烂或死亡。如果对温室实行智能化控制，使其气候参数始终处于植物生长所需的最佳状态，将大幅度提高其产量和品位，带来较好的经济效益。目前，我国农业温室应用智能控制的为数不多，主要是因为这种设备价格昂贵，不适合国情。为此，我们开发一套低成本的植物温室自动控制系统，该系统能为植物生长提供所需的最佳温度、湿度、光照度和二氧化碳含量等气候条件，最适合对我国现有中、低档普通温室进行“智能化”改造，符合农民消费水平，适合我国国情。
1、系统的总体结构
　　本系统以W77E58单片机为核心，外扩8255可编程接口芯片。由单片机完成数据采集、数据处理及环境气候参数的调节功能，并可将数据通过RS—232通讯线路传送给主机（PC机），实现多温室系统的数据处理、监控和维护功能。控制系统包括传感器子系统、数据采集子系统、信息处理子系统和执行子系统四部分。
1.1 传感器子系统
　　传感器子系统的作用是将气候参数转换成电压参数，它是监控系统的主要信息来源，关系到整个系统的检测、数据分析和控制的可靠性与准确性。主要包括土壤湿度传感器、叶面湿度传感器、空气温湿度一体化传感器、光照度传感器、CO2传感器。由于温室大棚一般面积较大，传感器属定点使用的仪表，所以各类传感器的使用数量较多。
1.2 数据采集子系统
　　主要完成对传感器子系统传来的信号进行信号变换、A/D转换和采样以及通道选择等。
1.3 信息处理子系统
　　信息处理子系统是整个系统的核心部分，包括环境参数预设置、信号处理和控制三部分。环境参数预设置一方面可以将某一时间范围内植物生长对温度、湿度、光照度和CO2浓度的要求进行设置，另一方面可根据农作物不同生长期对温度、湿度、光照度和CO2浓度的要求进行设置。信号处理实现测量数据与本阶段所设定的最佳气候参数进行比较分析，为控制提供依据。控制部分的作用是向控制电路发出各种相应的控制信号。
1.4 执行子系统
　　执行子系统包括通风机、加热器、水泵、光照调节装置（遮阳网滚筒机构和补充照明设备）、CO2施放机构等设备，是自动控制系统的执行者。
2、系统的功能
　　该系统为满足植物生长所需的最佳气候条件，具有以下功能：
2.1检测与控制温度的功能
　　系统自动检测温室内的温度，当温度低于某设定值时，自动启动加热器加温，当温度升至某设定值时自动关闭加热器；当温室的温度高于某设定值时，自动开启通风窗降温，当温度降至某设定值时，自动关闭通风窗。


2.2检测与控制湿度的功能
　　系统自动检测与控制温室内空气湿度、叶面湿度与土壤湿度，采用空气湿度传感器检测空气湿度，采用叶面湿度传感器检测叶面湿度并由单片机控制喷雾水泵调节空气湿度和叶面湿度。当湿度低于某设定值时，自动启动喷雾水泵增湿，反之，自动启动通风窗去湿。采用土壤湿度传感器检测土壤的湿度，当湿度低于某设定值时，自动开启水泵浇水或液体肥料。
2.3检测与控制光照的功能
　　系统自动检测温室内植物所受的光照信息，针对阳性、阴性或中性植物所需光照不同的特点，设定相应的光照参数，当光照度高于某设定值时，自动启动滚筒机构覆盖黑色的遮盖网，以遮挡部分阳光来接近或达到光照度的要求，反之，揭去遮阳网。若某植物须延长光照时间，还可在夜间进行定时顶光照射。
3、硬件系统
3.1硬件整体结构
　　系统硬件整体结构框图如图1所示。


　　图1 系统硬件框图
　　由图所示，系统以单片机W77E58为控制的核心部件，单片机分别接收与处理温度、湿度、光照和CO2传感器传送来的信息，所发出的控制信号分别控制输出电路中的直流继电器M1～ M6 。由于M1～ M6的触点J1 ～J6都分别接入执行机构中各交流接触器线圈回路中，因此触点的动作可分别控制遮阳网滚筒结构、发热体、通风窗、浇水泵、喷雾泵和CO2施放机构等输出设备的运行。
3.2 单片机W77E58接口原理图
　　单片机W77E58接口原理如图3所示。温度、湿度、光照度和CO2等传感器所检测的信号从W77E58的引脚P1.0~P1.5输入，控制信号从引脚P2.0~P2.5输出。引脚P0.0~P0.7接外扩可编程接口芯片8255，引脚P3.2~P3.4接模拟开关，引脚P3.0~P3.1接RS－232数据接口。W77E58单片机的串行接口通过MAX232接口芯片完成电平转换（TTL/RS232），按照一定的通信协议与PC机串行通信，进行多温室的联网控制，这样可根据各温室所种植物的不同种类和不同生长期，实现各不相同的气候特点，真正做到分散采集数据,集中操作管理。

　
　　
图2  单片机W77E58接口原理图
　　
4、系统软件设计
　　单片机通过依次查询P1.0~P1.5获得的输入信号，并将控制信号从P2.0~P2.5 引脚输出，程序设计采用模块化结构，源程序用汇编语言编写。源程序主要包括主程序、输出处理子程序和2分钟延时子程序。延时子程序用于解决温室喷雾后的一段时间内空气水雾影响空气湿度正常检测的问题，
5、系统主要特点
　　本系统具有以下特点：（1）信号检测的多元化和连续化。检测信号为温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度等多种不同类型的信号，并且同一类型的信号又有若干个检测点。系统对植物温室内多种环境参数信息的检测是一个动态的连续过程，由于外界气候环境的变化具有很大的随机性，要实时保持大棚内环境气候的相对稳定性，必须对它进行连续监控。（2）数据采集与处理的实时化。为了保证实时地检测大棚内环境的变化，数据采集与处理要满足一定的时间限制，以便能实时做出处理，抵御意外事故的发生。（3）系统大部分功能都由软件实现，因外围电路简单，软件可随时修改，所以适应性强，操作人员可以根据温室内所种植物的习性及生长特点，人为改变环境预置参数，保证植物生长环境最佳。另外，系统设计采用模块化结构，在不需要改动系统结构的情况下，容易增加新的模块，使系统的功能容易扩展。（4）控制系统具有简单、灵活、价廉、实用等特点，可满足不同用户的需 要。目前，商丘和全国农民正在大力发展温室栽培，绝大部分温室大棚已经安装有通风、加热、喷淋等设备，只需添加我们"" 自动控制系统""中的单片机控制器、环境参数采集传感器及输出控制柜，就能把现有中、低档温室改装成一套低成本的""智能温室""，平均每亩只需一次性投入人民币1000元左右。经我们在商丘多家温室大棚的智能化改造证明，反季节农作物产量可比改造前提高50％--100％ ，而且大大减少了劳动力的投入，既经济又实惠，符合广大农业用户的销费水平，符合我国国情。
参考文献：
　　[1] 徐淑华等. 单片微型机原理及应用[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社， 1994
　　[2] 汪吉鹏.  微机原理及接口技术[M]. 北京：高等教育出版社，2001
基金项目：商丘市科技攻关项目 (200310412).