张文建 董佩 胡滨

摘 要：农业是国家重要的支柱产业，我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国经济建设和社会发展中占着举足轻重的地位。为提高农业温室自动化程度和生产效率，本文设计了大棚的温湿度控制系统。该系统基于AT89C51微控制器作为控制芯片，SHT11芯片作为温湿度传感器，实现温湿度采集，并且可以通过键盘设置环境温度和湿度的上下限。本文设计的大棚温湿度控制系统能够完成温湿度的检测与控制，具有精度高，运行可靠，灵活性好，易于使用的特点。

关键词：农业大棚；温湿度控制；单片机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.130

0 引言

随着社会的发展，人们的生活质量逐渐提高，越来越重视饮食健康，这进一步推动了农业生产发展。在农业生产中，温室的使用越来越普遍，已经成为现代农业的重要组成部分。国外的温室设施已经发展到比较完备的水平，形成了一定的标准，但温室设备成本高昂，并且与我国的地理环境特点并不相适应[1]。在温室里，最关键的是温湿度控制技术。中国目前的温室为中小型企业，在温室引进自动化控制系统需要考虑成本因素，单片机和电子产品的成本降低使这个问题得到很大解决，本文采用了AT89C51单片机，SHT11温湿度传感器，键盘，液晶屏和蜂鸣器拟设计基于AT89C51单片机的大棚温湿度控制系统。

1 温湿度控制系统方案论证

目前大多数大棚的温湿度控制系统多是由单片机控制模块、温湿度采集模块、键盘输入模块、显示模块、及控制执行模块等构成。采用模块化的设计可以减少外界对单片机的干扰，也可使程序运行效率提高，温湿度控制系统有两种选择方案，具体方案如下：

方案一：可以分别选取一个温度传感器和一个湿度传感器。DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小、抗干扰能力强、精度高的特点，HS1101湿度传感器，具有高精度、良好的线性输出、响应时间快、价格低廉湿度传感器等优点，因此选取DS18B20和HS1101采集温湿度数据。

方案二：采用温度和湿度集成在一块芯片的传感器。数字温湿度传感器SHT11除了集成温度，湿度敏感元件，还包括放大器，A/D转换器和数字接口，可以同时收集温湿度数据。

综上所述，由于方案一是采用模拟湿度传感器，而单片机需要通过A/D转换进行连接，这使得硬件和软件电路设计比方案二更复杂而且精度不能满足温湿度控制系统的要求，因此本设计使用方案二。

2 系统主要设备构成

大棚温湿度控制主要由微控制器、温湿度采集电路、显示电路、報警电路、键盘电路等部分组成。微控制器采用51单片机，51单片机制作成本低、体积较小、具有较高的性价比，已经被广泛应用于工业自动控制领域。温湿度采集电路主要采用瑞士Sensirion公司推出的数字温湿度传感器芯片。液晶显示器具有节电，延长使用寿命，降低成本，提高显示亮度的优点[2]。并且LCD1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。采用LCD1602液晶屏用作显示设备，便于显示温室中的当前温度，预定温度，设置时间等信息。本文采用以蜂鸣器为主的报警电路。整个控制系统由单片机，温湿度传感器SHT11，键盘输入，液晶显示电路等组成。系统的整体结构图如图1所示。

3 控制系统的软件设计

3.1 主程序设计

单片机的主程序模块是单片机通电后，单片机端口初始化，读取大棚的温湿度，读取的数据送至单片机，由单片机判断是否报警，如果蜂鸣器发出警报则执行机构动作，未发出警报就进入延时的过程。主程序流程图如图2所示。

当AT89C51单片机通电后，开始进行程序的初始化操作。在初始化的过程中，所有输入和输出端口都是高电平。其中初始化主程序包括赋值变量、开启中断、计数器的清零等。

执行机构在初始化后，单片机最先调用温湿度采集模块函数，读出温室大棚的温度和湿度值，并与预置在寄存器的温度和湿度值进行对照，判断是不是超出范围，并将判断结果显示在LCD1602液晶显示屏上。如果超过温度限制，单片机将发出报警电路的驱动信号，令执行机构动作，相应的风机、加湿器等启动。

相应的执行机构在工作一段时间后，再次读取大棚内的温度和湿度值；若未超限，程序直接进入到延时阶段，相应的执行机构不动作，延时一段时间后系统再次读取温湿度数据。整个过程反复运行，构成主程序死循环。

3.2 系统软件控制方法

由于温湿度控制系统是一个闭环系统，因此采用闭环系统常用的控制方法即PID（比例-积分-微分）控制法。PID控制有如下优点：原理简单、使用方便、适应性强；PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于掌握；许多工业回路中对控制快速性和控制精度要求不是很高，而更重视系统的可靠性时，使用PID控制能获得较高的性价比[3]。

PID控制子程序是整个系统软件设计的核心，其主要作用是根据预设的基本参数和测量值进行比较处理与运算，然后控制各种执行电路的工作，最终达到温室大棚的温度和湿度参数在设定的范围内波动。程序初始化后，单片机调用PID程序模块，读取温湿度值，根据PID控制要求预调参数，找出两者之间的偏差，最后得到PID控制输出，然后作用于相应的执行机构。

3.3 温湿度控制模块设计

当完成温湿度检测时需要对所检测的数据进行处理，这就是温湿度控制模块的功能。所谓的控制模块就是对温室内实际温湿度与给定的温湿度范围相比较，由单片机判断两者的差值，然后进行控制，系统需要做什么取决于各个控制模块。例如，当温度高于上限时，需要冷却使温度降低。温度低于下限时，需加热使温度回升。如湿度高于上限时需要加热，低于下限时需要加湿，同时启动报警电路。温湿度控制系统的整体流程图如图3所示。

4 结论

本文对于大棚的温湿度控制系统进行了研究，把AT89C51单片机，SHT11传感器，LCD1602液晶屏和按键等外围电路有序的结合在一起，完成了实现测量与控制温室大棚温湿度的目的，并且考虑到不同地方不同的环境，可以通过按键来设置温湿度的范围，并且温湿度数据实时显现在在液晶屏上。而且本设计采用模块化的设计，使外围电路与单片机的连接得到了简化，也提高了程序的运行效率，使用方便，同时也保证了系统的精度满足系统设计的要求。此系统具有一定的实用价值，可为植物生长和栽培创造最佳的生长环境，将来会在农业生产和农业自动化水平方面发挥着非常重要作用。另外随着单片机不断的发展，功能越来越强大，实现无人管理，全自动化的温室大棚指日可待。

参考文献：

[1]耿秀明.基于单片机的大棚控制系统[D].内蒙古：内蒙古电子信息职业技术学院，2014：1-3.

[2]靳达.单片机应用系统开发实例导航[M].2版.北京：人民邮电出版社，2003：56-58.

[3]吴春蕾.粮库温湿度智能检测系统的研究[D].天津：河北工业大学，2006：7-10.

作者简介：张文建（1994-），男，山东济南人，硕士在读，研究方向：电气工程。