温室智能测控系统

1、设计背景

随着时代的进步，温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。

当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。

目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。

本文提出了一种以MCS-51系列的8031单片机为控制核心的测控系统，主要是为了对温室大棚内温度、湿度进行可靠地检测与控制而设计的。

2、设计要求

（1）性能要求

温室中不同的作物在不同的生长阶段所需的最佳生长温度不同，但适宜生长温度通常在10℃~40℃范围内，所以温度控制器至少应能实现在10℃~40℃范围内的控制，且能让人通过控制面板任意设定，最后控制温度误差应不大于±1℃。作物在不同时期所需的湿度也不同，湿度应能在10~90%范围内由人工任意设定，

最后控制湿度误差应不大于±5%。考虑到CO

2虽然对作物生长有影响，但是CO

2

发生器及CO

2浓度测量设备较贵，且一般条件下CO

2

浓度都远低于最佳水平，温

室中CO

2浓度在可能情况下尽量大即可，所以在此不对CO

2

浓度进行调节。

如果出现故障导致温室内温、湿度长时间偏离设定值超过一定界限，或者设定值超出允许范围，应该通过蜂鸣器或者指示灯报警。

测控系统应带有显示设备，用来实时显示温室内的温度、湿度数值以及设定的温度、湿度数值。还应有输入设备，用来进行设定温度、湿度值，校零等操作。

（2）主要技术参数

根据系统的性能要求，并保留一定的余量，取温度传感器量程0℃~50℃，精度小于±1℃。湿度传感器量程10~90%，精度小于±5%。

3、总体方案设计

（1）设计思想

温室智能测控系统能监测温室的温、湿度，并根据温室环境实现自动温湿度调节。操作人员通过输入设备键盘设定温度、湿度数值，传感器分布在温室内多个位置，对温室环境进行多点实时动态采集，经过A/D转换，送入单片机处理，驱动执行装置，从而实现温室环境的自动智能调节。显示装置实时显示温室内的温度、湿度数值，当温度、湿度偏差超出一定限度一定时间，发出报警。其中执行装置为调节温度、湿度的装置。

目前，温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面。加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，必须进行人工强制降温。降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。保温包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。空气湿度的调控，主要是防止作物沾湿和降低空气湿度两个直接目的。除湿的方法有通风换气、加温除湿、适当地控制灌水量、使用除湿型热交换通风装置。加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿、温室内顶部安装喷雾系统。

本系统分别采用热风采暖系统、通风降温除湿和喷雾加湿的方法。当湿度低于设定值即打开滴灌电磁阀进行喷水，当湿度与设定值的偏差满足要求时即关闭电磁阀；当温度高于设定值一定幅度或湿度高于设定值一定幅度时，单片机控制风扇进行排风；当温度低于设定值一定幅度时，单片机控制电热丝进行加热。所以，温室智能测控系统的执行装置是风扇、电热丝和滴灌电磁阀。

（2）总体方案

①系统结构框图

②系统工作流程

传感器测量现场湿度、温度，并将湿度温度转换成模拟电信号，经过调理电路进行放大、滤波处理，消除噪声干扰信号，最后由A/D转换器将处理过的模拟信号转换成数字信号，并输出到单片机接口。

单片机读取A/D转换器转换好的温度、湿度数字信号信息，以及操作人员通

过键盘设定的温度、湿度数值，然后根据设定值以及设计好的算法进行输出控制。

输出控制信号经过功率放大器的处理，控制电热丝、风扇以及滴灌电磁阀的工作。同时，单片机实时输出温室的温度、湿度信息到显示模块，便于工作人员观察、操作。如果出现长时间检测到的温度或者湿度数值与设定值偏差超过一定界限，或者设置超限，则输出控制报警器报警。

（3）主要功能模块

整个温室测控系统主要由五个模块组成，分别为核心控制模块，信号采集模块，功率控制模块，键盘输入模块以及显示报警模块。

核心控制模块由8031单片机及外围必备部件组成，完成数据处理的功能。信号采集模块由分布在温室各处的温度传感器、湿度传感器以及相应的调理电路、放大电路还有A/D转换器组成。功率控制模块由功率放大电路以及风扇、电热丝、滴灌电磁阀等执行装置组成。键盘输入模块由键盘及相应的输入接口组成。显示报警模块由LED数码管、蜂鸣器、指示灯以及相应的输出电路组成。

4、主要功能模块的详细设计

（1）核心控制模块

该模块采用8031单片机实现数据处理、控制输出的功能。8031单片机按照预先设定好的算法对信号采集模块输入的温度、湿度数字量进行处理，输出控制信号到功率控制模块，实现对温室内温度、湿度的调节。同时，也输出信号实时显示温度、湿度数值，并按照程序在一定条件下报警，使系统更加人性化。8031单片机连接电路：