基于STC89C52的温室大棚温湿度控制器
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２０１５年第３期 计算机与现代化 ＪＩＳＵＡＮＪＩ ＹＵ ＸＩＡＮＤＡＩＨＵＡ 总第２３５期
文章编号：１００６—２４７５（２０１５）０３－００８８－０３
基于ＳＴＣ８９ Ｃ５２的温室大棚温湿度控制器
龙建明，熊 刚，张争刚，何国荣，牛 甲 （杨凌职业技术学院机电工程分院，陕西杨凌７１２１００） 摘要：针对一般农户、小型农业企业的温室大棚效率低、人力成本高等问题，以单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２为核心，结合温湿度传感 器，设计一种具有温湿度实时显示、实时调控、超限报警、参数设定等功能的控制器，测试结果表明，该控制器操作简单、 稳定性高、控制性能好，能满足温室大棚温湿度调控需要，具有良好的社会和经济效益。 关键词：ＳＴＣ８９Ｃ５２；温室大棚；传感器；控制器 中图分类号：ＴＰ２７２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－２４７５．２０１５．０３．０１９
Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＣ８９Ｃ５２ ＬＯＮＧ Ｊｉａｎ—ｍｉｎｇ，ＸＩＯＮＧ Ｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ—ｇａｎｇ，ＨＥ Ｇｕｏ—ｒｏｎｇ，Ｎ１Ｕ Ｊｉａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ ｏｎ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｈｉｇｈ ｓａｌａｒｙ ｃｏｓｔ ａｂｏｕｔ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｉｎ ｓｏｍｅ ｆａｒｍｅｒｓ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ，ｗｅ ｄｅ－ ｓｉｇｎｅｄ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｈｉｃｈ ｐｕｔ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ＳＴＣ８９Ｃ５２ ａｓ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ，ｉｔ ｈａｄ ｓｏｍｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｏｕｔ ｏｆ ｌｉｍｉｔ ａｌａｒｍｉｎｇ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｈａｄ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａ— ｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｓｏｃｉａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＴＣ８９Ｃ５２；ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ；ｓｅｎｓｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
０ 引 言 ２０世纪８０年代以来，以温室和蔬菜大棚为代表 的设施农业在我国广泛发展起来，至２ｌ世纪初，我国 设施农业生产面积已达２１０万公顷，已成为世界第一 大设施农业生产国 。在温室农业生产中，温度和 湿度是２个非常重要的指标，直接关系到作物的产量 和质量。温度过高过低都妨碍作物的正常生长，甚至 引起冻害和灼伤，严重时导致作物死亡；而湿度太高， 作物的蒸腾作用减弱，生命力下降，容易滋生病菌，引 起病害发生，湿度太低，会加速植物的蒸腾作用，加大 对水分的消耗，容易引起蔬菜作物失水。 温湿度控制器的发展经历了模拟式、集成式和智 能式３个发展阶段。目前市场上出现的模拟式控制 器主要包括温控开关及可编程温控器等，智能式温湿 度控制器包括北京农业大学研制的“ＷＪＧ－１”型实验 温室环境监控计算机管理系统、江苏工学院研制的用
于无土栽培实验温室的温室环境测控系统、中国农业 机械化科学研究院研制的新型智能温室控制系 统 引。然而在杨凌及陕西省部分地区调研发现，温 控开关等过于简单，使用较少；智能式温室测控的研 究成果由于使用复杂、价格昂贵等原因，大多停留在 实验室阶段，没有大规模推广，很多的设施农业工作 人员仍然使用温度计、湿度计等采集温湿度，人工开 关卷帘机、风机、喷灌水泵等执行设备调节温湿度。 所以，研究一款操作简单、经济实惠、性能良好的温湿 度控制器可以获得较高的社会效益和经济效益。
１ 方案设计 １．１设计目标 实时监测温室的温度、湿度信息，在数据超限时 能够自动控制执行机构调节温湿度，使温室环境温湿 度满足作物生长需要；界面友好，方便工作人员观测； 工作人员可以通过按键自行设定温湿度控制值；经济
收稿日期：２０１４—１２－０５ 基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目（１４ＪＫ１８４５） 作者简介：龙建明（１９６７一），男，陕西洋县人，杨凌职业技术学院机电工程分院副教授，硕士，研究方向：电气自动化；熊刚 （１９８５一），男，河南信阳人，讲师，硕士，研究方向：电气自动化控制。 ２０１５年第３期 龙建明等：基于ＳＴＣ８９Ｃ５２的温室大棚温湿度控制器 ８９ 实惠，具有较高的性价比。 １．２工作原理 本控制器结构如图１所示，以单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２ 为核心，传感器实时采集温室环境的温度、湿度环境 数据送往单片机，单片机将该数据与设定值进行对 比，根据对比结果发出不同的操作指令，通过继电器 电路自动控制排风扇、加热器、喷灌泵及抽湿机的工 作，自动保证温室温度、湿度在适宜作物生长的设定 范围内。具体动作为：当温度高于设定值上限时，排 风扇自动启动进行温室降温，直到温度回落到设定值 下限停止降温；当湿度高于设定值上限时，抽湿机自 动启动进行温室降湿，直到湿度回落到设定值下限停 止降湿；当温度低于设定值下限时，加热器自动启动 进行温室加温，直到温度回升到设定值到上限停止加 温；当湿度低于设定值下限时，喷灌泵自动启动进行温 室增湿，直到湿度回升到设定值到上限停止增湿。另 外，控制器还具有报警、数据存储、日历显示等功能。 传感器模块卜＋ 键盘模块 单 电源模块 量片 继 机 电 时钟模块 器 电 复位模块卜 路 ２硬件设计 图１控制器结构图 ２．１单片机 ＳＴＣ８９Ｃ５２是宏晶科技公司生产的新一代低价 格、高性能ＣＭＯＳ八位微控制器，具有８ ｋＢ在系统可 编程Ｆｌａｓｈ存储器、３２位Ｉ／Ｏ口线、３个１６位定时器／ 计数器、４个外部中断、全双工串行口等标准功能，指 令和引脚上与ＭＣＳ－５１单片机完全兼容，并且作了很 多的改进使得芯片更加灵活、有效 引。 ２．２传感器模块 温湿度传感器采用智能化传感器ＡＭ２３０３，内部 主要包括电容式感湿元件、高精度测温元件、信号放 大器、Ａ／Ｄ转换元件及一个内置的高性能单片机，具 有响应快、抗干扰能力强等特点。该传感器供电电压 ３．３Ｖ～６Ｖ，温度测量范围一４０。Ｉ＝一１２５ｃｃ，湿度测量 范围１％一９９％，完全满足温室温湿度测量范围；数 据传输使用标准的单总线接口，一次通讯时间５ Ｉｌｌｓ 左右。 ＡＭ２３０３的引脚为采用串行数据三态结构，既能 作为外部数据的输人，也能作内部数据的输出，实际 使用过程中为提高测量的精度在ＤＡＴＡ引脚接上合 适的拉电阻，一般距离小于２０ ＩＴＩ时接５ ｋＱ左右的电 阻，保证当总线空闲时状态为高电平，数据端ＤＡＴＡ 直接与单片机Ｉ／Ｏ口连接，接口电路如图２所示。
—＝＿ ＡＭ２３０３ 图２温湿度传感器与单片机的接口电路 ２．３数据显示模块 显示器采用自带中文字库的显示模块 ＨＧ１２８６４０１Ｃ，工作温度为一２０℃一＋７０℃，存储温度 为一３０℃～＋８０℃，能直接显示汉字、字符、数字及图 形，具有４位／８位并行、２线串行等多种接口方式，内 置８１９２个中文汉字（１６×１６点阵）、１２８个字符（８× １６点阵）及６４×２５６点阵显示ＲＡＭ（ＧＤＲＡＭ）。可 与单片机直接接口，接口电路如图３所示。
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图３显不器与单片机的接口电路 ２．４执行机构驱动模块 执行机构用于调节温室的温度和湿度，主要是排 风扇、加热器、喷灌泵及抽湿机等，这些执行设备一般 具有较高的功率，需要专门的驱动电路控制。电路采 用过零检测型光电耦合器ＭＯＣ３０４１以及双向可控硅 ＢＴＡ２４—８００Ｂ对执行机构进行控制，光电耦合器将弱 电与强电控制分开，实现前后级电路的电气隔离，可 以提高控制系统抗干扰能力，大电流双向可控硅用于 计算机与现代化 ２０１５年第３期 驱动大型交流负荷设备ＲＬ。工作时，单片机的Ｉ／０ 口输出低电平，光耦导通，导通电流再触发双向可控 硅导通，启动通风扇、加热器、加湿机等执行机构，调 节温室环境温湿度，电路如图４所示。 图４执行机构驱动电路 ３ 软件设计 单片机硬件系统的工作都是在软件配合下完成 的，软件设计和硬件设计密切相关。程序设计采用模 块化设计方法，包括主程序和若干功能子程序等。主 程序负责安排整个系统各个模块相互关系和次序，实 现系统的自动化运行。系统上电后，先进行初始化， 完成预设变量及寄存器程序初值等工作，然后调用温 湿度采集子程序，采集温室环境的温湿度信息，将数 据处理后在液晶显示器上实时显示出来，同时将该数 据与设定值进行比较，当温湿度值超出设定值范围 时，发出报警信号，输出控制指令控制执行设备调节 温室的温湿度，具体流程图如图５所示。 图５主程序流程图 ４试验结果及分析 控制器制作完成后，为了更好地体现控制器性 能，比较测量误差，将控制器包括小功率排风扇、加热 器等执行设备安装在杨凌五泉某闲置小型温室中，进 行性能测试，现场增设加热器、加湿器模拟环境变化， 设置控制器温度范围２０ｃｃ～３０ｃｃ，湿度范围４５ ＲＨ％ ～８０ ＲＨ％；记录不同时间温湿度变化值、专业的温 湿度测量工具Ｄ＇ｒ８００２（温度测量范围：一２０ｃｌＣ～ ７５ｏＣ；湿度测量范围：Ｏ％一９９．９％）测量的实际值，记 录数据如表１所示。
表１温湿度数据记录表 温度／ （环境湿度６３ ＲＨ％） 湿度／ＲＨ％（环境温度２１ ） 序号 测量温度 实际温度 温度误差 测量湿度 实际湿度 湿度误差 １ ２１．３ ２１．１ ０．２ ６３．４ ６３．１ Ｏ．３ ２ ２３．８ ２３．３ Ｏ．５ ６４．２ ６３．４ ０．８ ３ ２５．２ ２４．９ ０．３ ６６．１ ６４．５ １．６ ４ ２７．Ｏ ２６．９ Ｏ．１ ６８ ４ ６６．９ １．５ ５ ２７．５ ２７．７ —０．２ ６８ ４ ６７．１ １．３ ６ ２８，６ ２８．６ ０ ７２．０ ７２．７ —０．７ ７ ３Ｏ．６ ３０．１ ０．５ ７４．６ ７５．６ 一１．０ ８ ３１．６ ３１．５ Ｏ．１ ７８．２ ７８．２ Ｏ ９ ３３．２ ３２．６ Ｏ．６ ８３．２ ８３．５ 一Ｏ．３ １０ ３３．１ ３３．１ ０ ８８．４ ８８．２ ０ ２ １１ ３４ ２ ３４．０ Ｏ．２ ９２．Ｏ ９２．０ Ｏ ｌ２ ３４．８ ３４．５ Ｏ．３ ９５．０ ９３．８ １．２ 测量数据显示：控制器实际测量温湿度值与专业 的温湿度测量工具温湿度值有一定的偏差，温度误差 在－－ｔ－Ｏ．６℃，湿度误差在－４－１．６ ＲＨ％；并且温度和湿 度变化超过设定值时，执行机构正常工作，报警电路 正常工作；测试结果表明，该控制器测量结果准确、控 制性能良好。
