一种基于单片机的蔬菜大棚智能控制系统设计.pdf

99 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 中国科技信息 2024 年第 20 期 两星推荐 在当今科技迅速转型的时代 新行发展的各类科技与新 颖的传感器被运用到各行各业当中 而在农业技术领域 其 代表的智能大棚中的各项设备也在此次技术的革新中得以升 级 这次的革新使得蔬菜智能大棚的监测仪器与控制技术得 到了升级和发展 可以更好地检测大棚内各种蔬菜作物的生 长状况 能够确保智能蔬菜大棚内农作物始终处于所种植作 物的一个最佳生长环境 提高大棚内农作物的品质以及产量 从而可以提高农业生产的质量和产量 本文设计了一种蔬菜 大棚智能控制系统 本控制系统是以单片机作为控制核心 通过土壤的湿度 温度传感器等来检测大棚内部的各种环境 参数 并且通过数码管进行显示 并将其各种数据输入到单 片机中做数据处理 通过获取的数据与预设定的数据进行对 比 从而对滴灌 喷灌设备 遮阳卷帘机等进行控制 以满 足智能蔬菜大棚对大棚内的环境因子进行识别 监控并运用 各种控制设备进行处理 从而使得农作物可以在最适宜的环 境状态生长 整个智能蔬菜大棚的监测与控制为大棚内农作 物的高品质 高产量提供了基础 在我国农业现代化的发展 和进程中具有实际应用的意义 大棚的整体组成及其结构图 大棚的整体结构主要是由大棚本体 遮阳卷帘机 灌溉 设备 温度 湿度传感器等 大棚内部实现自动实时对环境 因子的监测以及通过调节各种设备来对其环境因素的控制 单片机是大棚进行智能控制的核心物件 通过他来对各种设 备控制以实现棚内环境达到最佳适合作物生长 遮阳卷帘机 主要处于大鹏的顶部 实现大棚内植物对阳光采集量的控制 灌溉设备主要含有滴灌以及喷灌两种方式 根据土壤中水的 行业曲线 开放度 创新度生态度 互交度 持续度 可替代度 影响力 可实现度 行业关联度 真实度 一种基于单片机的蔬菜大棚智能控制系统设计 孙普一 衣俊霖 张 嘉 孙普一 衣俊霖 张 嘉 青岛科技大学 图 1 系统整体结构图示 中国科技信息 2024 年第 20 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 100 两星推荐 含量的来选择相对应的灌溉方式 温度主要是通过大棚中的 抽风机以及加热装置来控制 单片机的设置与连线 首先该系统包括了土壤湿度检测系统 湿度 温度检测 系统 光照检测系统和二氧化碳检测系统 AD模数转换电路 大棚内部环境因素的控制系统等 该系统通过STC89C51 单片机来对整个系统来控制 STC89C51单片机是一款基于 8051 内核的高性价比 单片机 由国内的 STC 微电子公司生产 该单片机的特点 是具有高速运行 丰富的外设接口 广泛的应用领域等优点 性价比高 存储容量大 内置的 Flash 存储器的容量相对较 大 可以满足较为复杂的应用需求 STC89C51 系列单片 机具有丰富的外设接口 如多个串口 I2C SPI PWM 定时器等 可以满足各种应用需求 因此我们采用此单片机来对大棚内部的各种数据进行处 理以及执行各种命令 A D模数转换系统 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 模数转换 器 此转换器有8通道的模拟开关 比较器 地址锁存器和 译码器以及8位开关树型D A转换器 其内部有一个8通 道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只选通 8路模拟输入信号中的一个进行A D转换 之后通过三态输 出锁存缓冲器输出 在我们大棚内部的各种检测的结果都是电信号 由于 STC89C51单片机对于模拟信号是无法进行直接读取以及 工作的 只能够对数字信号进行处理 那么我们就需要一个 A D模数转换芯片来对各种检测系统所识别的模拟的电信号 进行处理 使那些模拟的电信号来转化为数字信号 进而使 得单片机可以对环境因子控制系统进行有必要的控制 显示系统的设计 在显示系统的设计我们所采用的是若干个八位共阴极数 码管来对当前检测的实时数据进行显示 而在此次我们采用 共阴极数码管的动态驱动的方式 相比于静态驱动 动态驱 动相比于静态驱动所占用的U0端口较少 能够节省大量的 I O端口 而且功耗更低 比较适用于单片机对于多种信号 进行数据的显示 而我们所采用的数码管动态显示接口是在 单片机中较为普遍的一种显示连接方法 因此我们采用此数 码管来进行实时数据的显示 系统的硬件设计 土壤湿度采集系统 我们所采用的PHSL S土壤传感器是一种FRD型频 率反射器 使用的是电磁脉冲的原理去采集土壤中的介电常 数C 传感器检测共振频率 土壤含水量不同 发生共振的 频率不同 共振幅度最大 通过其由于受不同的土壤中水 分含量的影响 从而去影响频率 获得输出电压信号 进而 得到土壤的介电常数 从而得到土壤中水的含量 当土壤中 的湿度与所种植的植物适宜生长的不同时 则通过单片机控 制启用灌溉系统 根据差别的大小选择合适的灌溉方式 大棚温度测量系统 接触式测温法以及非接触测温法是我们当前市场中主流 的集中测量温度的方法 我们可以通过测量物体的物理特性 以及其化学特性中的某些参数会随着周围环境温度的变化从 而变化 接触式温度传感器可以与被测目标直接接触 当达 到热平衡之后 传感器即可测定被测目标温度 但其测量需 要一定时间进行热平衡 不能够达到较为精确的实时测量 同时也有可能受到某些材料的限制 当长时间在恶劣的环境 中有可能会损坏传感器 造成测量结果不准确 而非接触测 温法通过对目标整体的范围进行测量 传感器不需达到热平 衡的状态 相较于接触法具有实时性较好 抗恶劣环境以及 其它因素的影响 测量范围广 分辨率高等优点 对于蔬菜 大棚的温度测量具有重要的实用意义 而我们所采用的是声学测温法 他是采用声波在气体 介质中的传播速度与该气体介质的温度具有相关性 在被 测的区域放置扬声器以及传声器 通过计算出传声器接受 声波的时间以及测量区域的距离 从而得到声速 从而计 图 2 STC89C51 单片机接线图 图 3 ADC0809 内部结构 101 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 中国科技信息 2024 年第 20 期 两星推荐 算出其路径上的平均温度 通过温度的高低与设定的温度 对比则得出来 光照检测系统 由于种植在大棚里面的植物往往对于光照的需求不一 样 因此实时的检测到大棚内部的光照强度就会显现的尤为 的重要 根据不同植物所需要的光照的种类不同 以及光的 强度不一样就能够及时的调节大棚内部的对应的灯 或调节 遮阳卷帘机的运作 因此我们在此使用VEML6075紫外线传感器对大棚内 部的紫外线光照强度来进行测量 而使用BH1750FVI来作 为对大棚内部的其他光照强度 VEML6075传感器可以将日光以及照射的灯光的 UV光强度转化成数字信号 能够准确地测量信号强度 即使长时间地暴露在光照下 它的性能也比较良好 能够 在 40 85 的温度范围内具有很好的温度补偿性 并且 其功耗较低 经济效益比较好 因此此传感器对于植物大棚 的适配性是很强的 对于BH1750FVI而言 此芯片具有较 高的分辨率可以探测较大范围的光强度变化 对应的输入光 范围为1 65 535lx 最小误差在 20 因此也较为适合 于大棚内部的植物养殖 二氧化碳检测系统 由于温室蔬菜大棚的特殊设计 我们对于大棚内部的二 氧化碳的测量要求逐步增多 我们所选择的二氧化碳检测系 统必须满足温室大棚的环境要求 因此我们选择Grove CO 2 MH Z16 传感器来作为温室大棚测量二氧化碳浓度 的工具 Grove CO 2 MH Z16 传感器具有以下优点 Grove CO 2 MH Z16 传感器是一款红外的高灵敏 度与高分辨率的二氧化碳传感器 高灵敏度 高分辨率此外 该传感器还具有以下特点 1 功耗较低 2 具有多种输出 信号方式例如 模拟电压信号 PWM波形信号以及UART 信号 3 响应时间快 4 具有温度补偿的功能 能够使得 输出信号呈现线性 5 稳定性比较高 6 使用寿命长 7 抗水汽干扰等优点 因此在温室蔬菜大棚中我们采用此二氧化碳传感器更加 适应环境 做到测量的更加准确 从而使得二氧化碳做到更 加及时有效 报警系统的设计 若大棚内部的温度 湿度 光照强度或二氧化碳浓度超 出或者小于我们所设定的最大限度范围 那么该报警系统就 应该运行 报警器发出声音 报警灯就应该亮起 直到由人 工干预其报警开关 或者由系统内部自我进行调节 从而使 得大棚内的环境因子处于适宜植物生长的水平 我们采用蜂鸣器来作为其报警的发声装置 使用三色报 警灯来作为报警灯 当绿灯亮起时则代表当前系统处于正常 运行状态 当红灯亮起并且有蜂鸣器发出声响的时候则证明 当前大棚内某一项环境因子变化超出最值范围 当报警未能 够自我关闭时 应给予人工纠正或对检测系统和调节系统进 行检查 看系统是否有损坏 温室大棚调节系统 吊挂式微喷灌溉系统 吊悬微喷是经过低压管道以较小的流量将水均匀喷洒 到土壤的外表面进行农作物浇灌的一种节水灌溉方式 它是 在滴灌和喷灌的基础上逐步形成的 吊悬微喷是水流以较 大的流速由微喷头喷出 在空气阻力的作用下将水粉碎成 微小的水雾喷洒在地面或农作物的叶面 由于微喷头孔口 的流量和流速均大于滴灌的滴头流速和流量 从而使得灌 水器相比于普通灌溉装置更容易流通 大大增强了灌水器 的抗堵塞性 吊悬微喷还可将可溶性化肥随灌溉的水直接 喷洒到农作物的叶面或根系四周的土壤外表 提高施肥率 减少化肥浪费 同时吊悬微喷具有安装操作简单 后期维修频率较小 适用温室内苗床或观叶植物灌溉等优点 滴灌灌溉系统 滴灌是借助安装于各个农作物根部的毛细管的水滴滴 图 4 温度测量系统 图 5 紫外线传感器原理图 图 6 光照传感器原理图 中国科技信息 2024 年第 20 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct 2024 102 两星推荐 头 将水逐滴而且均匀缓慢地滴在作物根茎附近的土壤 是一种节省资源并且有效的局部灌溉技术 通过实现让水 分进一步渗入并扩散于土壤中 为植物根系创造更好地吸 收条件 能将水资源的使用效率最大限度地升高 同时也 不会由于水流在管道中的温度过低从而影响植物的生长 而对于智能大棚而言 这种滴灌可以从土壤湿度测量的土 壤水分与设定的土壤水分相差不是那么大的时候适用 达 到节约水资源的目的 使得大棚可以对大棚内植物水分更 加合理的控制 温度控制系统 温度控制系统是建立在温度检测系统的基础上才进行 的 当大棚内部的温度检测系统检测到大棚内部的温度与之 前所设定的温度不同或相差较大时 我们此时温度控制系统 则开始工作 通过单片机来对卷帘机以及环流风机 热风机 的控制 从而对大棚内的温度进行调节 卷帘机在智能温室大棚中主要分布于大鹏的顶端以及侧 边 位于顶端的卷帘可以在一定程度上对太阳的光照进行遮 挡 以减少大棚内部的水分的蒸发以及大棚内部温度的升高 这样就能够在一定程度上使得大棚内部的环境因子调节迅速 有助于大棚内植物的生长 而侧边的卷帘机则能够增加大棚 在一定时间段内的空气流通速度 环流风机则是能够加速大棚内部与大棚外部的空气交换 速率 使得植物能够在适合自己的温度条件下生长 热风机 是通过对空气进行加热来对大棚内的温度进行调节的 光照控制系统 光照控制系统是通过光照检测系统所测得当前大棚内 部的当前的光照强度与设定的植物所需的最优光照强度进 行对比 从而通过单片机控制 对大棚内部的灯光或者对大 棚顶部以及侧部的卷帘机进行控制来调节植物周围所处环 境的灯光强度 使得植物处在最优的环境中生长 提高农作 物的产量 二氧化碳控制系统 植物在生长的过程中所需的必要物质就是二氧化碳 而日常大气中所存在的二氧化碳浓度大约是0 031 可以 满足植物的基本的生长 但在温室大棚中我们所种植的植 物大多是 当前自然条件并不是十分的切合植物在野外进 行生长的条件的 因此我们需要在大棚内部设定植物生长 所需要的条件 而空气的温度湿度 土壤的湿度 以及光照我们都已经 在通过之前的系统进行设置完成 之后我们就到了植物生长 所需要的关键环境因素 二氧化碳浓度 我们使用二氧化碳 生成器 来生成植物生长所需要的最佳二氧化碳浓度 使用 该生成器可以较好满足大棚内部植物的生长以及发育 有利 于大棚内部植物产量的提升 结语 近年来 植物的智能温室大棚培育得到了新的重视 就 传统的温室大棚的现状 传统温室大棚具有相对智能温室大 棚更加简易的建设 传统的温室大棚其建造的材料成本低 较为方便的搭建条件等因素在以往科技发展没有如此迅速以 及落后经济时期被经常使用 但是其存在产量低 保温效果 差以及换气能力弱等问题 而且也需要大量的人力物力来对 其农作物的生长情况进行看管 并由人力施加相应措施进行 维护生长 植物灌溉施肥 控制光照等方面都需要大量的人 为的干预 生产效率低下 无法及时满足人们的生产需求 再加上自动化在农业领域的发展越来越大 现代化温室大棚 的出现就成为必然 本文设计以STC89C51单片机作为主 控单片机 来对智能温室大棚进行控制 实现了对大棚内部 的各项环境因子进行实时的监控 并且对其进行调节 不仅 仅能够有效使大棚内部的农作物得到充分的生长 同时也能 够减少成本以及对自然环境的污染 对于现代化农业具有十 分重要的意义