单片机在温室大棚中的应用研究

【摘要】为了控制温室大棚的温度，使其适宜蔬菜、水果的生长要求，就要对影响其生长的温度进行实时数据采集、显示、处理和控制。根据温室大棚温度调节的特点和土壤度具有时滞性、非线性和滞后性的特点，将单片机引入到温室大棚温度测量控制系统中，更好地满足系统的要求。

【关键词】单片机；温室大棚；温度控制

1.研究目的和内容

近年来，温室大棚规模发展迅速，随着单片机和传感技术的发展，自动监测和控制技术发生了巨大变化，温室大棚自动监测设备有了明显的改进，必将以其优异的性价比，逐步取代传统的温室控制系统。目前应用到温室大棚的监测系统多数采取模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。为了克服上述传输系统的受干扰和损耗大，测量误差大的缺点，本文参考了一种基于单片机的温度监测系统应用于温室大棚的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。

温室大棚温度监测系统采用层次化、模块式设计，系统以单片机为核心，以多个温度传感器为监测元件，以单片机为纽带，采集和存储测量到的数据。单片机系统要实现数据实时显示和数据存储功能。单片机作为监控和智能传感器的核心，通过RS232总线与监控中心进行通信，将采集到的数据传输到监控中心。监控中心将单片机传输的数据进行记录、存储和处理，供温室大棚管理者浏览、记录、处理。温室大棚温度监测系统控制器以单片机为载体，通过单片机程序的编制，实现信息采集和传输，将温室大棚温度监测和单片机控制理论相结合，使温室大棚温度监测得以很好的实现。根据温度监测规律，提出一种切实可行的温室大棚温度监测系统，可以全面、实时、准确地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据实际情况，输入计算机进行处理。满足了对温室大棚植物生长实行全面、实时监测的要求，实现了对温室大棚温度实时监测。温室大棚温度监测系统抗干扰能力强，特别适用于北方温室大棚的温度监测。

基于单片机的温室大棚温度控制系统，具有成本低、操作简单等特点，应用非常广泛。系统一般由主控单元单片机、传感器、控制输出及人机接口等组成，结构框图如图1所示。该系统具有体积小、成本低、可靠性高、易于推广的优点。

这种设计方案实现了温度实时测量、显示和控制。该系统抗干扰能力强，在温室大棚温度控制中具有明显的优越性，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温度监测系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，从而带来更好的经济效益和社会效益。

2.硬件设备

2.1单片机

将控制器、运算器、存储器和各种输入和输出接口等计算机的主要部件集成在一块芯片上，就能得到个单芯片的微型计算机。虽然只是一个芯片，但是在功能和组成上己经具有的特点是计算机系统的性质，所以称为单片微型计算机，简称单片机。因其功耗低体积小、抗干扰能力好、价格低且可靠性强，适用于智能控制、工业过程控制和监测系统的前端装置。

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的相应的子程序模块就定下来了。

2.2 温度传感器

选择单片机用于监测系统，系统有被测信号通过输入通道，由计算机获取必要的输入信息。传感器是实现控制和测量的主要环节，是监测系统的关键部件，是控制和监测各种各样的参量，使系统和设备正常运行重要保证。

温度是人们在生产活动和科学试验中需要控制的重要物理量。在温室大棚生产过程中，温度是一个影响作物质量、产量的重要因素。在各种传感器中，温度传感器是使用最广泛的一种温度测量工具，其中有许多种的测量方法，常见的温度传感器有以下几种：

1热电阻传感器

2半导体管温度传感器

3热电偶传感器

4模拟集成传感器

5智能温度传感器

温室大棚中传感器与数据采集器距离相对较远，并且需要多点监测。综合上述温度传感器的特点，本系统采用智能温度传感器DS18B20作为温度测量装置。

3.监测系统整体构成

温室大棚温度监测通过温度传感器DS18B20采集温度，经过内有单片机的监测系统进行更深一步的分析，通过通信线路使得信息上行到PC机，在PC机上可对温度信号进行处理与分析。用户也可以通过下位机中的键盘输入温度的最大、最小限值和预置值。

（1）温度传感器

温度传感器的作用是采集温室大棚内的温度状态，并进行显示和判断。由智能温度传感器DS18B20既可以对温度进行测量，又可以设定所需要的控制温度，温度值把二进制转换成十进制，所以本系统中选用智能温度传感器DS18B20信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出。数字转换电路和传感器都被集成在一起，每个DS18B20在出厂时都给定了唯一的64位序列号，且DS18B20只有一个数据输入和输出口，所以许多个DS18B20可以并联到3或者2根线上，CPU需一根端口线就能和DS18B20进行通信，而它们只需要获取通信协议就能加以识别，这样节省了许多的逻辑电路和引线，也对系统的抗干扰性进行了提高，更加适合于恶劣环境的现场的温度测量，用户还能设定温度报警的最大、最小值，并根据报警查找相应的DS18B20。

（2）上位机

系统采用一台微型计算机作为上位机，通过RS232串行通讯，向下位机发送输出控制命令和数据采集命令，接收下位机传送的采集数据。通过上位机界面来设定下位机号。从而切换工作方式，设定报警温度最大、最小限值。对采集的数据进行存储和显示，对历史数据进行查询。

4.通风机的选择

通风机选用轴流通风机，可使大棚内的空气流动更加充分均匀。通风机特点是低噪音、风量大且柔和、低电耗、装使用方便，实用效果也较好。根据温室大棚的面积和温度变化要求选用合适风量和功率的通风机。

5.热风机的选择

目前常用的加温方式有热水加温系统、热风炉加温系统、电加热系统、电热泵等，采用的主要能源为燃煤、燃油、燃气以及电能。加热设备可根据用户根据经济情况和温室大棚空间选择合适的类型。一般可选用电加热热风机，对温室大棚来说，只要接入220/380V电压就可以安装使用，但需要安装配备大容量的变压器，经济成本高，不适合单个用户选用。目前，单个用户多选用燃煤热风炉。

电加热热风机特点如下：

1、自动控制，升温速度快，热效率高，使用寿命长；

2、内部发热元件与外壳之间带有特别隔离装置以及过热保护；

3、不消耗氧气，无烟，无味，无湿气，低噪声；

4、热转化率高，达到99%左右；

5、整机噪音小，运转平衡，安装维修方便；

6、采用人工智能仪表，清晰醒目，操作方便。

通过以上设计，能够满足目前温室大棚温度控制，但仍没有实现温度监测多点、远程、高精度等，要针对温室大棚实际需要，合理考虑系统成本和使用方便性，达到系统控制界面友好、操作简单，方便用户查看，系统性价比较高，有较好的实用性。

作者简介：孙海亮，东北农业大学研究生；崔天时，东北农业大学副教授。