贾继鹏，李延彬，李延成
（西宁城市职业技术学院，青海 西宁 810016）
近年来，随着智能控制技术的迅速发展，新技术在智慧农业领域也得到了广泛应用。传统的塑料大棚由于投资少、见效快，发展迅速，但是存在智能化程度低、人工作业量大、温湿度掌握不精准等弊端，传统的育种大棚对温湿度的控制方法已经不能有效适应当下育种作业的精细化发展需求。所以，采用智能数字式温湿度传感器等器件，实现对温湿度信号的实时监控和管理，已成为趋势[1]。为了克服人工控制大棚的弊端，本系统设计基于STC89C52的控制系统，利用传感器的特性，根据环境条件适时调整降温、灌溉等装置，提出了大棚精细化、智能化管理的新思路。
本育种大棚控制系统设计主要以STC89C52为主要控制芯片，并通过温湿度采集传感器DHT11，通过单片微电脑读出传感器的温湿度后，将数值送入1602液晶屏上进行显示。另外，该控制系统还能通过键盘设置大棚温度、湿度报警声音的范围。如果超过设定的正常温度、湿度范围，将立即开启声光报警，同时通过相应的控制措施，可以模拟大棚内各种升温、降温、增湿以及气液分流的实际环境状况，使环境内湿度能够恒定控制在合理范围内。
整个系统设计见图1，以STC89C52迷你式单片机系统为内核器件，并配合电阻、电容、晶振等元器件，组成嵌入式单片机的最小管理系统[2]。在功能设计上主要包括温湿度采集、按键输入控制、液晶显示功能、蜂鸣报警功能、状态指示灯、恒温恒湿控制功能等。使用与DHT11温湿度合一的感应采集器，将所收集的温度和湿度数据分析后传给单片机。使用了市面上最常用的轻触键盘作为系统的键盘输入模块，可以调节育种大棚正常工作下的温湿度范围。在输出功能上，包括了3个部分，一是采用1602液晶对温湿度测量的数值进行结果的显示输出；
二是采用蜂鸣器和LED指示灯报等实现对系统不同状态的警示状态的控制；
三是采用了多组继电器实现对恒温恒湿的装置的控制，用检测的数据利用系统程序开展升温或降温的调节，对于空气的湿度的控制则可以通过系统控制继电器从而开启增湿或除湿负载来实现对大棚湿度的功能控制。育种大棚的电源供电则可以通过5 V的USB充电线予以供电。
图1 系统功能图Fig.1 The system function diagram
系统硬件以围绕STC89C52为核心的外围功能元件展开，文章重点从温湿度传感器、液晶显示电路、蜂鸣器模块、键盘输入模组、继电器及负载电路五个方面开展硬件介绍与功能设计。
2.1 DHT11数字温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款具有已校准数码信号的温湿度综合感应器[3]。传感器中含有一组电阻型感湿单元和一组NTC感温单元，可测20%～95%相对湿度，误差为±5%，0℃～50℃时，误差范围±2℃。该产品安全性好、可靠性高、尺寸超小、耗电量极低，信息传递范围达到20 m以上，是农业大棚智能控制系统中采集装置的最佳选择。其电路连接见图2。
图2 温湿度传感器电路Fig.2 The temperature and Humidity sensor circuit
2.2 显示电路设计
本系统显示模块主要采用1602型液晶显示屏，用来显示温湿度的数值、报警信息等内容。液晶显示电路连接中，第1脚和第2脚作为电源输入，分别接到了电路的GND和VCC见图3。第3脚通过一个10K的电位器连接到地端，主要用来调节显示屏的对比度。第4脚是液晶的寄存器控制端，接到了STC89C52的P12端口上。第5脚是液晶的读写控制端口，接到了单片机的P13端口上。第6脚是液晶的使能端，接到了单片机的P14端口上。第7～14脚是液晶的数据/地址8位总线，接到了单片机的P0口上。最后的15、16脚连接液晶显示的背光电源，接入VCC和GND的端口。
图3 LCD电路Fig.3 The LCD circuit
2.3 蜂鸣器模块
为了解决蜂鸣器工作电流需求大、单片机输出电流小的问题，本设计选用S8550型PNP型有源三极管，其内部包含内置电路，只需单片机输出高低电平即可有效工作，极大地方便了程序的设计且有效地利用了三极管的开关功能使得蜂鸣器能够正常工作。蜂鸣器电路设计见图4。
图4 蜂鸣器电路设计Fig.4 The buzzer circuit design
2.4 按键设计电路
本系统设计中使用的按键数量相对较少，分别是“加”“减”“设置”，故使用了独立按键的设计方法。具体的按键接线电路设计见图5。
图5 按键电路设计Fig.5 The key circuit design
2.5 继电器电路
本产品设计中所使用的继电器均为5 V的电磁式继电器。电磁继电器通常由铁芯、线圈、衔铁、触点弹簧等所构成。通过系统控制继电器的吸合、释放，从而达到导通、切断电路的目的。继电器系统的实际工作回路见图6～图9。由于在继电器从导通到关闭的瞬间，会产生电磁感应，所以会在继电器保护开关控制线圈的低压端出现一种瞬时电流尖峰。而通过在继电器两端连接一个二极管，将在二极管的负端经常接到VCC，可以有效控制电流尖峰，从而保护电子元件的功能。当单片机的输入输出口给PNP型三极管基极一个低电平后，三极管就能导通，使得继电器得电，从而将负载设备接入5 V电压。
本设计中采用的继电器是5 V的电磁式继电器。电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。通过系统控制继电器的吸合、释放，从而达到导通、切断电路的目的。继电器模块的电路见图6～图9。由于继电器由导通到关断瞬间，工作线圈中会存在电感，会在继电器线圈的低电压端产生一个瞬间电压尖峰。通过在继电器两端接入一个二极管，由于二极管的负端常接到VCC，因此电压尖峰将被抑制，起到保护电子元件的作用。在本系列的继电器控制电路设计中，主要包括了恒温控制负载的电路设计、加热检测电路设计、祛湿检测电路设计、加湿控制电路设计等，从而有效完成智能育种大棚的系统设计[4]。
图6 恒温控制电路设计Fig.6 The thermostatic control circuit design design
图7 加热控制电路设计Fig.7 The heating control circuit
图8 祛湿控制电路设计Fig.8 The desiccant control circuit design
图9 加湿控制电路设计Fig.9 The humidification control circuit design
本系列的软件工作流程见图10，最开始时要完成液晶显示器的最初化，随后包含了液晶显示器操作最初化和液晶显示器相关内容的初始化，接下来是报警值的初始化。然后进入到下一套循环体，首先是读出有关温湿度的检测结果并表示出来，随后确定读取到的温湿度是否超过设定的报警范围，如果处于非正常范围，则蜂鸣器开始告警，并同时点亮相应的状态指示灯，同时配套开启相应的升温、降温、增湿和祛湿等负载执行装置，使空气湿度和温度恒定在设定范围以内。然后评判设置按钮有没有被按下，如果按下就开始报警范围设定，再进行简短的延时，至此完成一轮循环，开始进入下一次的循环体继续执行。
图10 育种大棚系统设计软件流程图Fig.10 The breeding shed system design software flow chart
文章以STC89C52单片机为核心，综述了育种大棚系统的整体设计过程，在设计中选择了性能优越的硬件装置，完成了育种大棚全功能设计，提出了软件设计的流程，能够较好地帮助育种人员精准掌握大棚内的实时环境状况，自动调节大棚内的生长环境因素，确保为植物种子快速发芽、茁壮成长提供优质、适宜的生长环境。总之，本次系统设计一定程度上解决了传统温室大棚的部分缺陷，为智慧农业发展提出了新的思考，同时能够为农业育种或大棚作物经营管理者提供智能化升级的理念，有利于较少劳动力，减轻工作强度，提高农业大棚的经济效益。
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