大棚温室环境监控系统的设计

第31卷 第4期 湖南科技学院学报 Vol.31 No.4 2010年4月 Journal of Hunan University of Science and Engineering Apr.2010

大棚温室环境监控系统的设计

杨利春 张文昭 汪 贻 龙晓辉 刘 敏

( 湖南科技学院 电子工程系, 湖南永州 425100 )

摘 要：为了更好地控制大棚温室环境，提高作物产量，设计了大棚温室环境监控系统。系统对温室大棚的温度、湿度、光照和CO2浓度等信号进行了监测，一旦某些参数值超过设定的上、下限值，微控制器将发出报警，并提示对相应参量进行人工或自动调节控制。通过在永州苗圃农场对4号温室实地检测（ 此温室种植黄瓜），该装置对农作物产量的提高起到了积极作用。

关键词：大棚; 温室环境; 监控系统; STC12C5410AD

中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1673-2219（2010）04-0065-03

0 引 言

我国人多地少，人均占有耕地面积不及世界平均水平的三分之一，在21世纪未来一段时间内，中国的人口将持续增长，而耕地面积却在逐年减少，如何用较少的土地去养活更多的人口，解决这一尖锐矛盾具有战略意义。作物受地域适应性、季节性及自然灾害的影响比较大，在纯自然的条件下，大部分时间不能进行正常农业生产，造成人力、物力的大量浪费，进行温室栽培后就可以极大的减弱对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，有利于缓解季节矛盾，提高作物产量。基于此，本设计将计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技术、生物技术以及环境科学等多种技术和学科融为一体，开发出功能齐全的完全智能化的温室环境监控系统，对于促进农业增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机。

和CO2浓度进行检测，其方框图如图1所示。

1.2 系统主要硬件设计与实现 1.2.1温度检测与控制模块

温度是影响作物生长发育最重要的环境因子之一，它影响作物体内的一切生理变化。本系统根据作物生长温度条件，选用了美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源AD590作温度传感器，其测量精度为0.3℃，测量范围为-40℃到+50℃，具有线性好、精度适中、灵敏度高等优点。通过信号调理电路，将电压信号经A/D变换后传送给微处理器进行数据处理，发出输出控制信号对相应的温度调节器进行相应的调节，控制装置进行升温或者降温。本系统在升温上采用热风采暖的方式，该方式设备简单、成本低、预热时间短，可通过管道均匀分配到温室各个部位，温室受热均匀；在降温上采用蒸发降温装置，根据温差大小启动不同的降温设备，降温效果好。

图1 系统总体方框图

在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压，由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1uA，当AD590 的电流通过一个10K的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换为了10mV/K，为了使此电阻精

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1 系统设计方案

1.1系统设计思路

本系统采用STC12C5410AD单片机为主控芯片，该单片机是一种单时钟周期（机器周期为1T）、高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。分别采用相应传感器对温度、湿度、光照

收稿日期：2009－10－15

基金项目：2008湖南省教育厅“研究性学习与创新性

实验”资助项目（湘教通[2008]269号264）。

作者简介：杨利春（1986－），男，本科，研究方向为电子技术应用。张文昭（1968－），女，硕士，高级实验师，研究方向为电子技术与计算机应用。

确，可用一个9.6K的电阻与一个1K电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10K,具体电路如图2所示：

设计采用了利用光电子产生的电流来测量光照强度的光照传感器-光敏三极管3DU33作为感光元件。通过光敏三极管产生的电流信号，经过信号处理电路将电流信号变为电压信号，经A/D变换后送给微处理器进行数据处理，经微处理器输出控制信号对相应的光照强度调节器进行相应的措施，改善光照环境。

本系统采用微处理器对光照传感器所采集的参数进行分析，若光线强度小于根据实验测定的作物需要光强，则点亮锗灯来补充光强；若光线强度大于根据实验测定的作物需

图2 电流/电压及绝对/摄氏温标转换电路 1.2.2湿度检测与控制模块

湿度是指温室内空气的相对湿度，它是表示空气潮湿程度的物理量，用%RH表示。针对温室具体环境，本系统采用的是HUMIREL公司的高分子电容式传感器HS1101，它具有不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应等特点。HS1100湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。本系统采用了由555集成电路组成振荡电路, HS1100湿度传感器充当振荡电容的测量电路，从而完成湿度到频率的转换，电路图如图3所示：

常用的湿度调节方式是加湿和去湿。微处理器完成对湿度的测量并进行相应的处理后，发出输出控制信号对相应的湿度调节器进行相应的调节。本系统采用水喷雾法的方法，按照作物需水要求，通过控制管道与安装在末级管道上特制的喷头，从而控制水和作物生长所需要的养分成一定比例的混合物，使其均匀、准确的输送到根部和叶片，实现局部变量灌溉。但大棚内部的湿度大于作物生长的生理要求时，根据具体变化值的差异，通过控制鼓风机的吹风力度和开启时间达到快速调节。

要的光强，则微处理器发出信号，控制大棚的遮阳网的面向太阳的倾斜程度，从而降低大棚内部的光强。

1.2.4 CO2浓度检测与控制模块

CO2是植物光合作用的主要原料，直接影响着植物的生长发育。本系统选用美国FIGARO公司生产的TGS4160对CO2浓度进行测量，TGS4160 二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2 敏感元件。传感器的6个引脚通过0. 1mm的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图4 所示，图中阳极与传感器的第3 脚S( + ) 相连, 阴极与传感器的第4 脚S( - ) 相连，Pt 加热器与传感器的第1、6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2 、5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。采集到的信号通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再一些简单的运算处理，就可以在CO2 浓度为300～5000ppm的范围内测得信号, 该信号为零至几百毫伏的电压信号，可以供高精度A/ D 采样使用，微处理器接收后输出控制信号对温室内的CO2浓度进行调节。

本系统采用的是控制钢瓶装的液态CO2气源，用继电器的启闭和控制开启时间来实现CO2的释放量。

图4 TGS4160 等效内部结构

1.2.5 串行显示电路单元

采用LCD液晶屏显示,利用74LS161移位寄存器功能

图3 湿度测量电路图

1.2.3 光照检测与控制模块

光照是作物生长发育的能量源泉，又是某些作物完成生活周期的重要信息。根据温室内作物对光照强度的要求，本66

(分频)，对单片机输出的串行数据逐级分频，从第一级到最后一级共分频8次，这样就把单片机输出的串行数据转换成并行数据, 送给液晶屏进行显示。

1.3系统软件设计

本系统选用的是STC12C5410AD单片机为微处理器，

内含8路高速10位A/D，可以直接编程实现A/D转换。程序设计的好坏影响着本系统对各项参数检测和控制的精度和准确度，主要实现对温室环境的温度、湿度、光照、CO2浓度进行循环检测和根据设定的上下限值对这些参量的调节器调节控制，各项参数的上下限值可在应用中根据际情况实时修改。主要含A/D转换程序、针对HS1101的频率测量程序、数据处理程序、键盘和显示程序。具体程序流程图如图5所示。

2 结 论

本装置已在永州苗圃农场对4号温室的温度、湿度、光照和CO2浓度进行实地检测（ 此温室种植黄瓜）。按农业作物生长规律的要求每隔1h 测量1 次数据，并每15 天从温室取回数据进行分析。实际运行表明，该装置能够在温室高温、高湿的条件下良好地运行，传感器精度基本达到了预期目标，可以实现对温室环境中的各项参数数据进行实时、精确的检测、采集及控制，达到设计要求。

图5 主要程序流程图

参考文献：

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（责任编校：刘志壮）

Design of monitoring system on greenhouse environment

YANG lichuen, ZHANG Wenzhao, LONG Xiaohui, LIU Min, WANG Yi

(Department of Electronics Engineering, Hunan university of Science and Engineering, Hunan Yongzhou 425100 China) Abstract: In order to control preferably the greenhouse environment and improve the crop yields, a monitoring system on greenhouse enviroment was designed. Temperature, humidity, light intensity and consistency of carbon dioxide can be monitored by this system. If the system detects the parameter values beyond the upper or lower limit, the microprocessor will give an alarm and prompting, controlling these parameter values automaticly or by human. The experiments show that the system can greatly improve the crop yields through the 4th nursery farm greenhouse of Yongzhou, in which cucumbers are planted.

Keywords: Greenhouse; Greenhouse environment; Supervisor Information System ; STC12C5410AD

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