基于单片机的农业温室控制设计.pdf

Agricultural Machinery and Agronomy 农机与农艺 2021 年9月下 0 引言 随着国家西部大开发以及乡村振兴战略的提出 农业作为立国之本 强国之基 农业怎么提高智能化 管理水平也逐渐成为重要的要素之一 在农业方面 大棚环境监测等研究正适应这样的要求 此类研究主 要集中在实现低功耗的无线信息收集与展示 1 而在 信号收集之外 对能否自动调节大棚内的一些参数 也有了更高的要求 在农业大棚的智能化管理领域 随着现代农作物对光照 温度 湿度的要求日益提 高 特别是一些重要的经济作物对以上要素又有着 较高要求 其形成的规模效益也日益明显 传统的大 棚已经不能适应对农作物生长要素的精确控制 因 此 笔者提出了基于单片机控制的农业温室自动调 节系统 在大棚用于农业的发展过程中 一开始只是单 纯地将农作物直接栽种到大棚中 实现对农作物的 保温和保持水分的作用 但这种传统模式存在一些 问题 比如 传统大棚虽然能够保温 但是对于一些 对温度要求较为严格的作物往往出现温度过高或过 低的情况 难以使农作物在最佳环境下生长 再比 如 传统大棚虽然能够保持一定的水分 但是对于一 些对土壤湿度要求较为严格的作物往往出现湿度过 高或过低的情况 同样难以使农作物在最佳环境下 生长 考虑到单片机相比于PLC成本较低 以及单片 机的其他一些优点 将通过单片机编程的简易性 对 环境较强的可适性和方便的环境搭建作为设计基 础 考虑到传统的温室大棚难以较为准确控制温湿 度和光照强度 提出以单片机为基础 以传感器检测 温度 湿度 光照强度 进而控制风机大小 控制浇灌 阀门启闭 控制遮阳棚大小 达到有效且较为精确地 调节温度 湿度 光照强度的目的 以实现农业智能 化 给作物提供更好的生长环境 1 基于单片机的温室设计方案 目前 基于单片机在温室大棚中的应用 可以通 过物联网技术进行农业大棚的环境监测等 2 而要实 现自动控制 单片机作为控制单元必不可少 单片机 可以实现上述的控制设想 将 51 单片机作为控制系 统的主控单元 传感器在接收到温度 湿度 光照强 度等模拟量信号后 通过信号线传递给数据采集卡 该采集卡支持至少四路的模拟量输入 通过 A D 转 换接口 该采集卡可以实现模拟量信号的输入 数字 量信号的输出 得到的数字量信号将作为上位机 LabVIEW的输入信号 并在进行处理后输出到单片 机作为控制信号 对于传感器采集到的信号输入到 采集卡 包括温度 湿度 光照强度在内的三组模拟 量满足采集卡接口要求 采集卡将模拟量转换为数 字量之后 通过数字量输出模块将信号传递给单片 机处理 从而输出到伺服驱动器 完成对伺服电机的 驱动 进而控制风机风量大小 最终达到调节温度的 目的 以风机为例 基于单片机的温室控制系统图 如图1所示 图1 基于单片机的温室控制系统图 作者简介 王海旭 1989 男 四川南充人 硕士 助教 研究方 向为信号处理与模式识别 基于单片机的农业温室控制设计 王海旭 四川信息职业技术学院 四川 广元 628000 摘 要 为了响应国家乡村振兴战略 提升农业自动化和智能化管理水平 笔者通过给农业大棚增加单片机控制系统 在 普通大棚的基础上 进一步实现智能控制温度 湿度和光照强度等作物必要的生长要素 通过传感器检测数据 控制器处 理数据 对偏差进行输出达到控制风机 控制浇灌阀门 控制遮阳棚的目的 仿真结果表明 农业温室单片机智能控制系 统可以有效调节温度 湿度和光照强度 实现农作物在最适宜的条件下生长 关键词 乡村振兴 单片机控制 传感器 温室 中图分类号 S625 TP273 文献标志码 A 文章编号 1672 3872 2021 18 0050 03 50 农机与农艺 Agricultural Machinery and Agronomy2021年9月下 2 传感器检测与控制 传感器属于检测环节的基本单元 如果说 51 单 片机相当于人类的中枢大脑 那传感器就像人类的 眼睛 耳朵 鼻子等感觉器官 主要通过传感器对模 拟量的检测 然后通过 A D 转换接口将模拟量转换 为数字量 检测的模拟量包含温度 湿度 光照强度 1 通过温度传感器对空气的温度进行检测 如果检 测值温度高于设定值 则单片机控制器启动风机对 温室进行通风换气使之降温 反之 如果检测到的温 度低于设定值 则单片机控制器关闭风机使温室在 光照条件下逐渐升温 2 通过湿度传感器对土壤的 湿度进行检测 如果检测到的湿度高于设定值 则单 片机控制器关闭控制浇灌的电磁阀门 使土壤湿度 在一定条件下逐渐减小 反之 如果检测到的湿度低 于设定值 则单片机控制器开启控制浇灌的电磁阀 门 使水流进入土壤 使土壤湿度逐渐达到设定值 3 通过光敏传感器对温室的光照强度进行检测 如 果检测到的光照强度高于设定值 则单片机控制器 打开遮阳棚使温室内的光照强度减弱 反之 如果检 测到的光照强度低于设定值 则单片机控制器关闭 遮阳棚使温室内的光照强度升高 3 以土壤湿度控制为例阐明该系统原理 温度与 光照控制与此类似不再赘述 因为土壤湿度的变化 会使电子式湿度传感器从土壤中吸水而引起本身电 容值 电阻值的变化 通过这种变化达到测量的目 的 故可用一个湿度传感器来检测并确定土壤湿度 然后 把湿度传感器检测到的电信号传输到单片机 在单片机中对设定的湿度值和检测到的值进行比较 得到偏差 将偏差结果输出 对变频器进行调节 使 其根据湿度大小输出不同的控制信号 最后 通过该 控制电信号对电控的电磁阀进行通断电设置 此电 磁阀可采用三位电磁阀 即全开 全闭 半开三种状 态 从而调节了灌溉水管的阀门开度 达到调节进水 量的目的 3 程序流程设计 系统开始运行后 首先传感器开始通电工作 对 温度 湿度 光照强度进行检测 然后将传感器检测 到的值传入单片机 在单片机中进行判定 判定结果 有以下两种情况 1 当前值和设定值一样时 程序直接返回到初 始位置进一步检测 2 当前值和设定值不一样时 系统对检测到的 值进行运算 将运算后的结果即偏差转换成模拟量 输入的电信号 调节被控对象如风机 改变被控量如 风机的风量大小 同时 实时检测温度值 直到检测 值和设定值一样 图2 温度控制系统程序流程图 系统根据情况进行被控量的调节 控制模拟量 如温度 湿度 光照强度等的大小 直到被控量恢复 到设定值 如图2所示 为温度控制的系统程序流程 图 湿度与光照控制与此类似 1 系统开始正常运行 以后 温度传感器开始实时检测当前温度值 当测得 的温度值符合设定值时 单片机控制器判断不需要 执行后续操作 则跳转到程序的开始位置 继续检测 温度 当检测到的温度值不符合设定值时 系统对检 测到的值进行运算 将运算后的结果即偏差转换成 模拟量输入的电信号 调节被控对象如风机 系统将 启动风机 开始进行通风进而改变被控量如风机的 风量大小 实现对温度的调节 同时 实时检测温度 值 直到检测值和设定值一样后进一步检测温度 判 断温度是否符合设定值 进行循环判断 2 进行湿度 判断时 系统开始正常运行后 湿度传感器开始实时 检测湿度 当测得的湿度符合设定值时 单片机控制 器判断不需要执行后续操作 则跳转到程序的开始 位置 继续检测湿度 当检测的湿度值不符合设定值 时 系统将启动变频器阀门 开始进行灌溉浇水进而 对湿度进行调节 最后 通过该控制电信号对电控的 电磁阀进行通断电设置 从而调节了灌溉水管的阀 门开度 达到调节进水量的目的 调节后进一步检测 51 Agricultural Machinery and Agronomy 农机与农艺 2021 年9月下 土壤湿度 判断湿度是否符合设定值 进行循环判 断 3 进行光照强度判断时 系统开始正常运行后 光敏传感器开始实时检测光照强度 当测得的光照 强度符合设定值时 单片机控制器判断不需要执行 后续操作 则跳转到程序的开始位置 继续检测光照 强度 当检测的光照强度不符合设定值时 系统将启 动遮光棚 开始调节遮光棚的开闭进而对光照强度 进行调节 调节后进一步检测光照强度 判断光照强 度是否符合设定值 进行循环判断 4 4 上位机软件设计 LabVIEW作为美国国家仪器公司开发的图形化 编程语言 多采用图形的形式替代了文本语言进行 图形化的编程 其中 VI的含义即虚拟仪器工程 也 就是通过电脑上的各种图形去代表实验室中各类硬 件的程序模块 该语言有编程的可视化 图形化 模 块调用的方便性等优点 比如 同样的模块功能 用 C 语言可能要几十甚至上百行代码 但是通过 LabVIEW的编程往往只需要直接调用模块的内容即 可 省去了复杂的语言编程环节 该语言诞生的背景 就是给测试工程师们使用的开发语言 旨在帮助科 学家和工程师解决问题 提高生产力和创新力 本研 究选用 LabVIEW 作为上位机软件主要也是运用其 便利的图形化编程方式和简便直观的前后面板的显 示 将大大有利于和51单片机进行软硬件的结合 该控制系统为了方便监测温湿度 光照强度等 数据 有必要进行上位机的搭建 实现实时监控或调 节控制参数的目的 控制系统通过采集卡采集来自 传感器的模拟量信号后 该采集卡也保持与上位机 PC的连接 该 PC 软件通过 LabVIEW 进行设计 主 要功能包含前面板的数据监测 以及后面板的信号 滤波 放大 卷积等 经过LabVIEW设计的图形化语 言运算后 通过 PC连接51单片机的串口通信模块 的方式 把运算结果传递给单片机 5 该过程的重点为 除了编辑基本的信号处理程 序外 还需要在 LabVIEW 进行调试 进行接口函数 设置 从而使PC和51单片机实现通信 实际上 得 益于LabVIEW函数库的强大 在实现虚拟仪器对单 片机的连接过程中 LabVIEW 本身所带有的函数库 就足以实现与单片机的通信 由于传感器会实时采 集信号并通过采集卡传递给上位机 只要注意库函 数连接时不用静态连接 选择通过虚拟仪器本身提 供的动态函数库连接进行上位机与单片机的通信 6 信号检测与处理工作原理图如图3所示 图3 信号检测与处理工作原理图 5 结论 温室大棚的智能化控制设计 积极响应了国家 的乡村振兴战略 有利于提高粮食安全 特别是中西 部地区的开发 现如今 大棚的智能化程度有待提 高 同时控制温度 湿度 光照强度的智能温室更是 少见 而相比于PLC的大棚控制系统 单片机有着成 本低 调试方便 可移植性强等优点 该研究为了使 农作物在更适宜的条件下生长 更适应国家对于乡 村振兴的要求 以 51 单片机作为控制系统主控单 元 传感器在接收温度 湿度 光照强度等模拟量信 号后 将模拟量的信号通过信号线传递给数据采集 卡 数据采集卡将模拟量转换为数字量之后 通过数 字量输出模块将信号传递上位机软件进行处理 信 号经过上位机处理运算后传输给单片机作为控制信 号 当前值和设定值一样时 程序直接返回到初始位 置进一步检测 当前值和设定值不一样时 系统对检 测到的值进行运算 将运算后的结果即偏差转换成 模拟量输入的电信号 调节被控对象 改变被控量大 小 同时继续实时检测当前值 直到检测值和设定值 一样 进而输出到伺服驱动器 完成对伺服电机的驱 动 完成控制风机风量 灌溉装置 遮光棚等 最终达 到调节被控量的目的 该系统设计可操作性强 可适 应性强 可以较好地适应西部山区的复杂农业生产 环境 参考文献 1 蔡文斌 苏义鑫 基于农业大棚低功耗无线环境监测系统的 设计 J 华中农业大学学报 2008 4 549 552 2 张开生 田开元 吕明 等 基于物联网技术的农业大棚环境 监控系统设计 J 西安科技大学学报 2015 35 6 805 811 3 吴舟 基于移动互联网的农业大棚智能监控系统的设计与实 现 D 北京 北京邮电大学 2013 4 兰瑞莉 刘成安 毛跟勇 无线传感网络在农业大棚监测系统 中的应用 J 电脑知识与技术 2009 5 28 7868 7869 5 周宝龙 岳继光 萧蕴诗 基于 CAN 控制器的单片机农业温 室控制系统的设计 J 测控技术 2000 12 19 21 6 宁玉伟 李明刚 何玉静 等 基于单片机控制的定量灌溉系 统的设计 J 河南农业大学学报 2010 44 3 311 313 传感器 AD转换 采集设备 控制器 计算机 信号处理 52