模拟温室测控系统模型的研究与设计

摘 要： 为了实现对温室大棚内环境参数（温度，湿度和光照强度）的测量以及自动调控的目的，搭建一个模拟温室大棚。采用温湿度传感器、光敏电阻等获得环境参数，通过AVR单片机编程实现参数判定并且自动控制调控系统工作。调控系统分为加湿系统，增光照系统，加温系统以及降温降湿系统，从而获得农作物生长最佳环境的结果[1]。最后通过两组植物的生长情况对比，说明系统设计的有效性。

关键字： AVR单片机； 温室； 温度测量； 调节系统

中图分类号： TN06?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）21?0117?03

0 引 言

随着科学技术的快速发展，自动控制在人们的生活中无处不在。在农业方面，自动控制的应用也逐渐广泛，特别是对于温室中环境参数的测量与控制[2]。利用单片机获取传感器测得环境参数并且驱动调控系统调节环境参数的测控系统，模拟实现了生产实践中大型温室环境因子的控制与调节，方便了科学研究和教学演示，为温室测控系统能够更好的用于实际提供了新的思路和平台。

1 模型设计

合理的模型设计是保证测量数据的准确性和调节参数的有效性的关键。模拟温室的设计采用Solid Edge ST3软件实现，设计出来的模拟温室分为两部分：一部分是顶部为三角尖顶的普通温室；另一部分是围绕温室的凹槽，用来模拟温室周围的土地。模拟温室由各种形状和大小的PS透明板（有机玻璃）拼接制成，铁角和螺丝固定连接各PS透明板，透明板之间的缝隙用玻璃胶密封。

模拟温室的顶部设计有窗户，温室侧面安装有排风扇，温室模型的电路板安装在室外防止电路板受潮，传感器和控制系统通过导线与电路板相连。光照强度测量电路放置在温室内。LED灯悬挂在温室顶部中间的位置，四个温度传感器分别放在温室内接近四个墙角的温室墙壁上，湿度传感器安插在土壤中。

2 硬件设计

2.1 AVR单片机简介

本设计中使用的AVR单片机采用ATmega16芯片。ATmega16芯片是目前主流的性价比最高的AVR芯片之一，内置功能丰富、强大，支持JTAG仿真，有双列直插封装，便于实验焊接[3]。

2.2 系统总体方案

系统采用模块化设计方法，共有检测系统模块、控制核心模块、调节系统模块和显示模块四大部分组成，如图1所示。

每个大部分有各个子模块组成，每个子模块用来实现单一物理量的测量或者调节。

2.2.1 检测系统模块

（1）光照强度的测量

用一个A/D转换模块来测量光照强度，电路如图2所示。[RV1]代表光敏电阻，其阻值随光照强度的增加而减小，导致[R1]的分压增大，这样光照强度的大小与[R1]的分压大致是线性关系，通过测量[R1]的分压可以模拟光照强度的大小。

ATmega16芯片内部自带A/D转换功能，而且 I/O口自带上拉电阻，因此可以直接将[R1]的分压接到I/O口，进行AD装换。

（2）土壤湿度的测量

土壤湿度的测量采用SHT10传感器。SHT10传感器是一款具有I2C总线接口单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。SHT10的四个引脚中，除电源和地外，串行时钟引脚SCK和串行数据引脚DATA分别接到AVR单片机的串行时钟口SCL和串行数据口SDA，即PC0、PC1。需要注意的是，DATA引脚必须接10 kΩ上拉电阻，以避免数据发生冲突。由单片机提供时序，对SHT10进行读写操作，实现土壤湿度的测量。

（3）温度的测量

测量温度的DS18B20传感器是一款数字式温度传感器，采用独特的单总线接口方式，它与单片机只需要一根连接线就可以实现双向通信和数据传输。测量的温度范围是-55～125 ℃，测量误差0.5 ℃，完全满足本设计的要求。

2.2.2 控制核心模块

（1）AVR单片机

本设计中，AVR单片机实现数据读取、A/D转换、液晶显示和调节控制功能，是整个设计的数据处理、控制中心。由于其内部自带A/D转换模块，故采用单片机进行A/D转换，减少了硬件设备，节约了经费。

（2）继电器控制系统

继电器是一种控制器件，当输入量满足一定条件时，使输出量发生阶跃变化。通常实现的是开关功能。继电器的分类有很多种，本设计中采用普通的电磁继电器。但由于单片机的I/O口输出电流通常为4～20 mA，需要用三极管放大驱动继电器。

当单片机输出高电平时，继电器闭合，实现通路；当单片机输出低电平时，继电器打开，实现开路。

2.2.3 调节系统模块

（1）光照强度的调节

在温室模型的顶部，有一个若干LED灯组成的照明电路，与继电器连接。当继电器闭合时，电路通路，LED灯发亮。当继电器打开时，电路断开，LED灯熄灭。

（2）土壤湿度的调节

电磁阀是一种电磁控制的工业设备，实现的是流体的开关控制。本设计中采用的电磁阀在通电时，开关打开；断电时，开关闭合。通过开关的打开和闭合实现是否给土壤滴灌增加湿度。因此电磁阀也需要和继电器连接，实现原理和LED相同。

（3）温度的调节

温度的调节采用的是DJR铝合金梳状加热器。当温度低于规定值时，通过继电器使加热器开始加热，温度达到规定值时停止加热。温室模型的侧面还有排风扇，当温度高于规定值时，排风扇自动打开，通过与外界空气的交换达到降低温度的目的，还可以打开天窗换气来降低温度。加热器和排风扇都需要和继电器连接。

2.2.4 显示模块

LCD1602液晶用来实时显示测量过程中的物理量。LCD1602液晶微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧。

3 软件设计

整个系统的软件设计采用模块化的设计方法，将相应物理量的测量程序编写成子程序，在主函数中调用。软件流程图如图3所示。

4 系统测试

选取两组相同的植物，第一组放在设计的温室内，第二组放在普通生长环境中。为了说明的简便起见，仅作系统对光照强度的调节测试。两组的区别在于温室内的系统在光照不足情况下会对植物进行光照调节，实现补光。保证其他生长条件相同的情况下，连续种植3个月，每15天进行一次叶绿素含量的测量。其结果见表1。

5 结 语

由于ATmega16单片机提供A/D转换等诸多功能，使得实验变的相对简单。本实验通过AVR单片机获得由温度，湿度，光照强度传感器测得的环境参数数据，然后判断环境参数是否符合农作物最佳生长条件，若符合则不作动作；若不符合则通过机电控制系统调动各个调节系统调节环境参数，从而使得其符合农作物最佳生长条件。通过实验证明，测控系统能够自动的很好的工作，农作物生长状况良好。考虑应用于实际温室大棚中。

参考文献

[1] 诸刚，杨学坤，李小杰，等.基于单片机技术的温室环境智能监控系统的实现[J].机电产品开发与创新，2010，23（3）：60?62.

[2] 李喜武， 栾文辉，赵洪光，等.节能型日光温室控制器的研制[J].吉林农业大学学报，2007，29（6）：705?709.

[3] 刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用：基于ATmega48/ATmega16[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4] 李伟，段翠芳，滑伟娟.温室监控系统在国内外的发展现状与趋势[J].中国果菜，2010（8）：7?9.

[5] 苏全义，李庆东，何培祥，等.基于PIC单片机的智能温室环境控制系统[J].农机化研究，2009，31（12）：186?188.

[6] 解永辉.基于PLC的智能温室控制系统的设计[D].济南：山东大学，2008.

[7] 郎同勇.温室环境智能测控系统的设计与试验研：PC机管理及其电流检测系统研究部分[D].成都：西南农业大学，2004.

[8] 吕芮栋.温室大棚环境参数监测系统设计[D].西安：西安工业大学，2012.

[9] 陈方元，赖忠喜，陈文波，等.一种简易温室控制系统的设计[J].电子设计工程，2012（21）：15?18.

[10] 周兴华.手把手教你学AVR单片机C程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.