一種基于單片機(jī)的蔬菜大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

99 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 中國(guó)科技信息 2024 年第 20 期 兩星推薦 在當(dāng)今科技迅速轉(zhuǎn)型的時(shí)代 新行發(fā)展的各類(lèi)科技與新 穎的傳感器被運(yùn)用到各行各業(yè)當(dāng)中 而在農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域 其 代表的智能大棚中的各項(xiàng)設(shè)備也在此次技術(shù)的革新中得以升 級(jí) 這次的革新使得蔬菜智能大棚的監(jiān)測(cè)儀器與控制技術(shù)得 到了升級(jí)和發(fā)展 可以更好地檢測(cè)大棚內(nèi)各種蔬菜作物的生 長(zhǎng)狀況 能夠確保智能蔬菜大棚內(nèi)農(nóng)作物始終處于所種植作 物的一個(gè)最佳生長(zhǎng)環(huán)境 提高大棚內(nèi)農(nóng)作物的品質(zhì)以及產(chǎn)量 從而可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量 本文設(shè)計(jì)了一種蔬菜 大棚智能控制系統(tǒng) 本控制系統(tǒng)是以單片機(jī)作為控制核心 通過(guò)土壤的濕度 溫度傳感器等來(lái)檢測(cè)大棚內(nèi)部的各種環(huán)境 參數(shù) 并且通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行顯示 并將其各種數(shù)據(jù)輸入到單 片機(jī)中做數(shù)據(jù)處理 通過(guò)獲取的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì) 比 從而對(duì)滴灌 噴灌設(shè)備 遮陽(yáng)卷簾機(jī)等進(jìn)行控制 以滿(mǎn) 足智能蔬菜大棚對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行識(shí)別 監(jiān)控并運(yùn)用 各種控制設(shè)備進(jìn)行處理 從而使得農(nóng)作物可以在最適宜的環(huán) 境狀態(tài)生長(zhǎng) 整個(gè)智能蔬菜大棚的監(jiān)測(cè)與控制為大棚內(nèi)農(nóng)作 物的高品質(zhì) 高產(chǎn)量提供了基礎(chǔ) 在我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展 和進(jìn)程中具有實(shí)際應(yīng)用的意義 大棚的整體組成及其結(jié)構(gòu)圖 大棚的整體結(jié)構(gòu)主要是由大棚本體 遮陽(yáng)卷簾機(jī) 灌溉 設(shè)備 溫度 濕度傳感器等 大棚內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境 因子的監(jiān)測(cè)以及通過(guò)調(diào)節(jié)各種設(shè)備來(lái)對(duì)其環(huán)境因素的控制 單片機(jī)是大棚進(jìn)行智能控制的核心物件 通過(guò)他來(lái)對(duì)各種設(shè) 備控制以實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境達(dá)到最佳適合作物生長(zhǎng) 遮陽(yáng)卷簾機(jī) 主要處于大鵬的頂部 實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)植物對(duì)陽(yáng)光采集量的控制 灌溉設(shè)備主要含有滴灌以及噴灌兩種方式 根據(jù)土壤中水的 行業(yè)曲線(xiàn) 開(kāi)放度 創(chuàng)新度生態(tài)度 互交度 持續(xù)度 可替代度 影響力 可實(shí)現(xiàn)度 行業(yè)關(guān)聯(lián)度 真實(shí)度 一種基于單片機(jī)的蔬菜大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 孫普一 衣俊霖 張 嘉 孫普一 衣俊霖 張 嘉 青島科技大學(xué) 圖 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖示 中國(guó)科技信息 2024 年第 20 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 100 兩星推薦 含量的來(lái)選擇相對(duì)應(yīng)的灌溉方式 溫度主要是通過(guò)大棚中的 抽風(fēng)機(jī)以及加熱裝置來(lái)控制 單片機(jī)的設(shè)置與連線(xiàn) 首先該系統(tǒng)包括了土壤濕度檢測(cè)系統(tǒng) 濕度 溫度檢測(cè) 系統(tǒng) 光照檢測(cè)系統(tǒng)和二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng) AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 大棚內(nèi)部環(huán)境因素的控制系統(tǒng)等 該系統(tǒng)通過(guò)STC89C51 單片機(jī)來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)控制 STC89C51單片機(jī)是一款基于 8051 內(nèi)核的高性?xún)r(jià)比 單片機(jī) 由國(guó)內(nèi)的 STC 微電子公司生產(chǎn) 該單片機(jī)的特點(diǎn) 是具有高速運(yùn)行 豐富的外設(shè)接口 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域等優(yōu)點(diǎn) 性?xún)r(jià)比高 存儲(chǔ)容量大 內(nèi)置的 Flash 存儲(chǔ)器的容量相對(duì)較 大 可以滿(mǎn)足較為復(fù)雜的應(yīng)用需求 STC89C51 系列單片 機(jī)具有豐富的外設(shè)接口 如多個(gè)串口 I2C SPI PWM 定時(shí)器等 可以滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求 因此我們采用此單片機(jī)來(lái)對(duì)大棚內(nèi)部的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理以及執(zhí)行各種命令 A D模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng) ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A D 模數(shù)轉(zhuǎn)換 器 此轉(zhuǎn)換器有8通道的模擬開(kāi)關(guān) 比較器 地址鎖存器和 譯碼器以及8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D A轉(zhuǎn)換器 其內(nèi)部有一個(gè)8通 道多路開(kāi)關(guān) 它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào) 只選通 8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A D轉(zhuǎn)換 之后通過(guò)三態(tài)輸 出鎖存緩沖器輸出 在我們大棚內(nèi)部的各種檢測(cè)的結(jié)果都是電信號(hào) 由于 STC89C51單片機(jī)對(duì)于模擬信號(hào)是無(wú)法進(jìn)行直接讀取以及 工作的 只能夠?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理 那么我們就需要一個(gè) A D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來(lái)對(duì)各種檢測(cè)系統(tǒng)所識(shí)別的模擬的電信號(hào) 進(jìn)行處理 使那些模擬的電信號(hào)來(lái)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào) 進(jìn)而使 得單片機(jī)可以對(duì)環(huán)境因子控制系統(tǒng)進(jìn)行有必要的控制 顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)我們所采用的是若干個(gè)八位共陰極數(shù) 碼管來(lái)對(duì)當(dāng)前檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示 而在此次我們采用 共陰極數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的方式 相比于靜態(tài)驅(qū)動(dòng) 動(dòng)態(tài)驅(qū) 動(dòng)相比于靜態(tài)驅(qū)動(dòng)所占用的U0端口較少 能夠節(jié)省大量的 I O端口 而且功耗更低 比較適用于單片機(jī)對(duì)于多種信號(hào) 進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示 而我們所采用的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是在 單片機(jī)中較為普遍的一種顯示連接方法 因此我們采用此數(shù) 碼管來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 土壤濕度采集系統(tǒng) 我們所采用的PHSL S土壤傳感器是一種FRD型頻 率反射器 使用的是電磁脈沖的原理去采集土壤中的介電常 數(shù)C 傳感器檢測(cè)共振頻率 土壤含水量不同 發(fā)生共振的 頻率不同 共振幅度最大 通過(guò)其由于受不同的土壤中水 分含量的影響 從而去影響頻率 獲得輸出電壓信號(hào) 進(jìn)而 得到土壤的介電常數(shù) 從而得到土壤中水的含量 當(dāng)土壤中 的濕度與所種植的植物適宜生長(zhǎng)的不同時(shí) 則通過(guò)單片機(jī)控 制啟用灌溉系統(tǒng) 根據(jù)差別的大小選擇合適的灌溉方式 大棚溫度測(cè)量系統(tǒng) 接觸式測(cè)溫法以及非接觸測(cè)溫法是我們當(dāng)前市場(chǎng)中主流 的集中測(cè)量溫度的方法 我們可以通過(guò)測(cè)量物體的物理特性 以及其化學(xué)特性中的某些參數(shù)會(huì)隨著周?chē)h(huán)境溫度的變化從 而變化 接觸式溫度傳感器可以與被測(cè)目標(biāo)直接接觸 當(dāng)達(dá) 到熱平衡之后 傳感器即可測(cè)定被測(cè)目標(biāo)溫度 但其測(cè)量需 要一定時(shí)間進(jìn)行熱平衡 不能夠達(dá)到較為精確的實(shí)時(shí)測(cè)量 同時(shí)也有可能受到某些材料的限制 當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的環(huán)境 中有可能會(huì)損壞傳感器 造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確 而非接觸測(cè) 溫法通過(guò)對(duì)目標(biāo)整體的范圍進(jìn)行測(cè)量 傳感器不需達(dá)到熱平 衡的狀態(tài) 相較于接觸法具有實(shí)時(shí)性較好 抗惡劣環(huán)境以及 其它因素的影響 測(cè)量范圍廣 分辨率高等優(yōu)點(diǎn) 對(duì)于蔬菜 大棚的溫度測(cè)量具有重要的實(shí)用意義 而我們所采用的是聲學(xué)測(cè)溫法 他是采用聲波在氣體 介質(zhì)中的傳播速度與該氣體介質(zhì)的溫度具有相關(guān)性 在被 測(cè)的區(qū)域放置揚(yáng)聲器以及傳聲器 通過(guò)計(jì)算出傳聲器接受 聲波的時(shí)間以及測(cè)量區(qū)域的距離 從而得到聲速 從而計(jì) 圖 2 STC89C51 單片機(jī)接線(xiàn)圖 圖 3 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 101 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 中國(guó)科技信息 2024 年第 20 期 兩星推薦 算出其路徑上的平均溫度 通過(guò)溫度的高低與設(shè)定的溫度 對(duì)比則得出來(lái) 光照檢測(cè)系統(tǒng) 由于種植在大棚里面的植物往往對(duì)于光照的需求不一 樣 因此實(shí)時(shí)的檢測(cè)到大棚內(nèi)部的光照強(qiáng)度就會(huì)顯現(xiàn)的尤為 的重要 根據(jù)不同植物所需要的光照的種類(lèi)不同 以及光的 強(qiáng)度不一樣就能夠及時(shí)的調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部的對(duì)應(yīng)的燈 或調(diào)節(jié) 遮陽(yáng)卷簾機(jī)的運(yùn)作 因此我們?cè)诖耸褂肰EML6075紫外線(xiàn)傳感器對(duì)大棚內(nèi) 部的紫外線(xiàn)光照強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行測(cè)量 而使用BH1750FVI來(lái)作 為對(duì)大棚內(nèi)部的其他光照強(qiáng)度 VEML6075傳感器可以將日光以及照射的燈光的 UV光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào) 能夠準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度 即使長(zhǎng)時(shí)間地暴露在光照下 它的性能也比較良好 能夠 在 40 85 的溫度范圍內(nèi)具有很好的溫度補(bǔ)償性 并且 其功耗較低 經(jīng)濟(jì)效益比較好 因此此傳感器對(duì)于植物大棚 的適配性是很強(qiáng)的 對(duì)于BH1750FVI而言 此芯片具有較 高的分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化 對(duì)應(yīng)的輸入光 范圍為1 65 535lx 最小誤差在 20 因此也較為適合 于大棚內(nèi)部的植物養(yǎng)殖 二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng) 由于溫室蔬菜大棚的特殊設(shè)計(jì) 我們對(duì)于大棚內(nèi)部的二 氧化碳的測(cè)量要求逐步增多 我們所選擇的二氧化碳檢測(cè)系 統(tǒng)必須滿(mǎn)足溫室大棚的環(huán)境要求 因此我們選擇Grove CO 2 MH Z16 傳感器來(lái)作為溫室大棚測(cè)量二氧化碳濃度 的工具 Grove CO 2 MH Z16 傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn) Grove CO 2 MH Z16 傳感器是一款紅外的高靈敏 度與高分辨率的二氧化碳傳感器 高靈敏度 高分辨率此外 該傳感器還具有以下特點(diǎn) 1 功耗較低 2 具有多種輸出 信號(hào)方式例如 模擬電壓信號(hào) PWM波形信號(hào)以及UART 信號(hào) 3 響應(yīng)時(shí)間快 4 具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?能夠使得 輸出信號(hào)呈現(xiàn)線(xiàn)性 5 穩(wěn)定性比較高 6 使用壽命長(zhǎng) 7 抗水汽干擾等優(yōu)點(diǎn) 因此在溫室蔬菜大棚中我們采用此二氧化碳傳感器更加 適應(yīng)環(huán)境 做到測(cè)量的更加準(zhǔn)確 從而使得二氧化碳做到更 加及時(shí)有效 報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 若大棚內(nèi)部的溫度 濕度 光照強(qiáng)度或二氧化碳濃度超 出或者小于我們所設(shè)定的最大限度范圍 那么該報(bào)警系統(tǒng)就 應(yīng)該運(yùn)行 報(bào)警器發(fā)出聲音 報(bào)警燈就應(yīng)該亮起 直到由人 工干預(yù)其報(bào)警開(kāi)關(guān) 或者由系統(tǒng)內(nèi)部自我進(jìn)行調(diào)節(jié) 從而使 得大棚內(nèi)的環(huán)境因子處于適宜植物生長(zhǎng)的水平 我們采用蜂鳴器來(lái)作為其報(bào)警的發(fā)聲裝置 使用三色報(bào) 警燈來(lái)作為報(bào)警燈 當(dāng)綠燈亮起時(shí)則代表當(dāng)前系統(tǒng)處于正常 運(yùn)行狀態(tài) 當(dāng)紅燈亮起并且有蜂鳴器發(fā)出聲響的時(shí)候則證明 當(dāng)前大棚內(nèi)某一項(xiàng)環(huán)境因子變化超出最值范圍 當(dāng)報(bào)警未能 夠自我關(guān)閉時(shí) 應(yīng)給予人工糾正或?qū)z測(cè)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn) 行檢查 看系統(tǒng)是否有損壞 溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng) 吊掛式微噴灌溉系統(tǒng) 吊懸微噴是經(jīng)過(guò)低壓管道以較小的流量將水均勻噴灑 到土壤的外表面進(jìn)行農(nóng)作物澆灌的一種節(jié)水灌溉方式 它是 在滴灌和噴灌的基礎(chǔ)上逐步形成的 吊懸微噴是水流以較 大的流速由微噴頭噴出 在空氣阻力的作用下將水粉碎成 微小的水霧噴灑在地面或農(nóng)作物的葉面 由于微噴頭孔口 的流量和流速均大于滴灌的滴頭流速和流量 從而使得灌 水器相比于普通灌溉裝置更容易流通 大大增強(qiáng)了灌水器 的抗堵塞性 吊懸微噴還可將可溶性化肥隨灌溉的水直接 噴灑到農(nóng)作物的葉面或根系四周的土壤外表 提高施肥率 減少化肥浪費(fèi) 同時(shí)吊懸微噴具有安裝操作簡(jiǎn)單 后期維修頻率較小 適用溫室內(nèi)苗床或觀葉植物灌溉等優(yōu)點(diǎn) 滴灌灌溉系統(tǒng) 滴灌是借助安裝于各個(gè)農(nóng)作物根部的毛細(xì)管的水滴滴 圖 4 溫度測(cè)量系統(tǒng) 圖 5 紫外線(xiàn)傳感器原理圖 圖 6 光照傳感器原理圖 中國(guó)科技信息 2024 年第 20 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 102 兩星推薦 頭 將水逐滴而且均勻緩慢地滴在作物根莖附近的土壤 是一種節(jié)省資源并且有效的局部灌溉技術(shù) 通過(guò)實(shí)現(xiàn)讓水 分進(jìn)一步滲入并擴(kuò)散于土壤中 為植物根系創(chuàng)造更好地吸 收條件 能將水資源的使用效率最大限度地升高 同時(shí)也 不會(huì)由于水流在管道中的溫度過(guò)低從而影響植物的生長(zhǎng) 而對(duì)于智能大棚而言 這種滴灌可以從土壤濕度測(cè)量的土 壤水分與設(shè)定的土壤水分相差不是那么大的時(shí)候適用 達(dá) 到節(jié)約水資源的目的 使得大棚可以對(duì)大棚內(nèi)植物水分更 加合理的控制 溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)是建立在溫度檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上才進(jìn)行 的 當(dāng)大棚內(nèi)部的溫度檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到大棚內(nèi)部的溫度與之 前所設(shè)定的溫度不同或相差較大時(shí) 我們此時(shí)溫度控制系統(tǒng) 則開(kāi)始工作 通過(guò)單片機(jī)來(lái)對(duì)卷簾機(jī)以及環(huán)流風(fēng)機(jī) 熱風(fēng)機(jī) 的控制 從而對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié) 卷簾機(jī)在智能溫室大棚中主要分布于大鵬的頂端以及側(cè) 邊 位于頂端的卷簾可以在一定程度上對(duì)太陽(yáng)的光照進(jìn)行遮 擋 以減少大棚內(nèi)部的水分的蒸發(fā)以及大棚內(nèi)部溫度的升高 這樣就能夠在一定程度上使得大棚內(nèi)部的環(huán)境因子調(diào)節(jié)迅速 有助于大棚內(nèi)植物的生長(zhǎng) 而側(cè)邊的卷簾機(jī)則能夠增加大棚 在一定時(shí)間段內(nèi)的空氣流通速度 環(huán)流風(fēng)機(jī)則是能夠加速大棚內(nèi)部與大棚外部的空氣交換 速率 使得植物能夠在適合自己的溫度條件下生長(zhǎng) 熱風(fēng)機(jī) 是通過(guò)對(duì)空氣進(jìn)行加熱來(lái)對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的 光照控制系統(tǒng) 光照控制系統(tǒng)是通過(guò)光照檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得當(dāng)前大棚內(nèi) 部的當(dāng)前的光照強(qiáng)度與設(shè)定的植物所需的最優(yōu)光照強(qiáng)度進(jìn) 行對(duì)比 從而通過(guò)單片機(jī)控制 對(duì)大棚內(nèi)部的燈光或者對(duì)大 棚頂部以及側(cè)部的卷簾機(jī)進(jìn)行控制來(lái)調(diào)節(jié)植物周?chē)幁h(huán) 境的燈光強(qiáng)度 使得植物處在最優(yōu)的環(huán)境中生長(zhǎng) 提高農(nóng)作 物的產(chǎn)量 二氧化碳控制系統(tǒng) 植物在生長(zhǎng)的過(guò)程中所需的必要物質(zhì)就是二氧化碳 而日常大氣中所存在的二氧化碳濃度大約是0 031 可以 滿(mǎn)足植物的基本的生長(zhǎng) 但在溫室大棚中我們所種植的植 物大多是 當(dāng)前自然條件并不是十分的切合植物在野外進(jìn) 行生長(zhǎng)的條件的 因此我們需要在大棚內(nèi)部設(shè)定植物生長(zhǎng) 所需要的條件 而空氣的溫度濕度 土壤的濕度 以及光照我們都已經(jīng) 在通過(guò)之前的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置完成 之后我們就到了植物生長(zhǎng) 所需要的關(guān)鍵環(huán)境因素 二氧化碳濃度 我們使用二氧化碳 生成器 來(lái)生成植物生長(zhǎng)所需要的最佳二氧化碳濃度 使用 該生成器可以較好滿(mǎn)足大棚內(nèi)部植物的生長(zhǎng)以及發(fā)育 有利 于大棚內(nèi)部植物產(chǎn)量的提升 結(jié)語(yǔ) 近年來(lái) 植物的智能溫室大棚培育得到了新的重視 就 傳統(tǒng)的溫室大棚的現(xiàn)狀 傳統(tǒng)溫室大棚具有相對(duì)智能溫室大 棚更加簡(jiǎn)易的建設(shè) 傳統(tǒng)的溫室大棚其建造的材料成本低 較為方便的搭建條件等因素在以往科技發(fā)展沒(méi)有如此迅速以 及落后經(jīng)濟(jì)時(shí)期被經(jīng)常使用 但是其存在產(chǎn)量低 保溫效果 差以及換氣能力弱等問(wèn)題 而且也需要大量的人力物力來(lái)對(duì) 其農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行看管 并由人力施加相應(yīng)措施進(jìn)行 維護(hù)生長(zhǎng) 植物灌溉施肥 控制光照等方面都需要大量的人 為的干預(yù) 生產(chǎn)效率低下 無(wú)法及時(shí)滿(mǎn)足人們的生產(chǎn)需求 再加上自動(dòng)化在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展越來(lái)越大 現(xiàn)代化溫室大棚 的出現(xiàn)就成為必然 本文設(shè)計(jì)以STC89C51單片機(jī)作為主 控單片機(jī) 來(lái)對(duì)智能溫室大棚進(jìn)行控制 實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚內(nèi)部 的各項(xiàng)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控 并且對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié) 不僅 僅能夠有效使大棚內(nèi)部的農(nóng)作物得到充分的生長(zhǎng) 同時(shí)也能 夠減少成本以及對(duì)自然環(huán)境的污染 對(duì)于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)具有十 分重要的意義