基于单片机的烟草育苗大棚温湿度监测系统设计.pdf

南方论坛 South Forum 2022 年 2 月下 30 基于单片机的烟草育苗大棚温湿度监测系统设计 李晓歌 1 李 娜 2 1 河南牧业经济学院能源与智能工程学院 河南 郑州 450000 2 漯河职业技术学院信息工程学院 河南 漯河 462000 摘 要 烟草是一种非常重要的经济作物 而育苗是烟草种植过程中特别重要的一个环节 课题组把单片机技术 传感器技术 通信技术应用到烟草育苗中 设计了以单片机为核心的监测系统 该系统的硬件部分主要包括主控模块 显示模块 温湿度传 感模块 报警模块 通信模块等部分 该系统能够将实时检测的温湿度在液晶屏上显示 如果监测到温湿度超过所设定的范围 就会报警 同时向育苗大棚管理人员发送信息以便及时调整 仿真结果证明 该系统改进了对烟草育苗大棚温湿度的监测方 式 可以使监测更加精确 便捷和及时 同时大大节省人力成本 关键词 STC89C51 温湿度传感器 SIM800L 烟草育苗大棚 中图分类号 TP368 1 TP273 S625 3 文献标志码 A DOI 10 3969 j issn 1672 3872 2022 04 007 烟草是我国一种非常重要的经济作物 育苗是 整个烟草种植过程中极其重要的一个环节 温湿度 对烟草的育苗质量影响非常大 目前的育苗大棚 大 多是通过用一些温度或者湿度测试仪器 如温度计 湿度试纸等 来对大棚内环境进行人工检测 1 这种 检测方法工作量非常大 而且检测的时间受人为因素 的影响较大 对棚内温湿度的变化不能及时监测及调 整 尤其随着规模化种植逐渐成为趋势 这种检测方 式的弊端就更成为急需解决的问题 课题组将单片机技术 自动控制技术 无线通信 技术 传感器技术等应用到了烟草育苗中 设计一个 监测控制系统 2 以单片机为控制核心 监测烟草育 苗大棚的实时温湿度 把温湿度数值显示在液晶屏 上 让检测人员不用进入育苗大棚就可观察到温湿度 的实时数据 如果监测到温湿度超过所设定的范围 就会现场及远程报警 以便于及时调整育苗大棚的温 湿度 1 系统整体设计方案 通过对烟草育苗大棚的实地考察 与烟农交流 了解育苗的基本过程 育苗温湿度控制关键点 大棚 中温湿度变化特点 在综合考虑系统功能与成本的 基础之上 对系统进行了整体设计 基本框图如图 1 所示 3 系统以 STC89C51 单片机为核心器件构成主 控模块 由温湿度传感器 DHT11 完成大棚内温湿度 数据的采集 将其传输到单片机 单片机分析并处理 接收到的信号后发送到显示模块实时显示 设置模 块用来设置温湿度的上限值和下限值 温湿度超出设 置范围时报警模块报警 同时通过 GSM 通信模块发 送信息给管理人员 主 控 模 块 温湿度采集模块 通讯模块 报警模块 设置模块 显示模块 电源模块 通信模块 图 1 系统框图 1 1 主控模块 主控模块采用 STC89C51 单片机 STC89C51 是 一款使用非常广泛的高性能 CMOS 8 位微控制器 具有 4K 字节系统可编程闪存 实际工作频率可达 48 MHz 控制器有 27 个通用 I O 口 10 位精度 ADC 功能 2 个 16 位定时器 在完全满足功能需求的基础 上 具有较高的性价比 设计的单片机最小系统如图 2 所示 最小系统主要包含单片机 电源电路 复位 电路和振荡电路 1 电源模块为系统运行提供稳定的电压 考虑 到系统在田野户外使用的特点 设计电源模块为外 接 5 V 直流电源辅助太阳能充电方式 充电模块主要 由太阳能板 可充电电池 升压部分组成 充电电池 基金项目 河南省社科联2021年度调研课题 乡村振兴背景下河南农业智能装备发展研究 SKL 2021 2907 河南省教育科学 十四五 规划课题 后疫情时代工科类课程线上线下融合教学模式研究 2021YB0291 作者简介 李晓歌 1976 女 河南许昌人 硕士 讲师 研究方向为物联网 农业智能化 通信作者 李 娜 1973 女 河南漯河人 硕士 副教授 研究方向为智能制造 南方论坛 South Forum 2022 年 2 月下 31 3 7 V 的电压通过升压部分升压为 5 V 后可为整个系 统供电 4 2 晶振电路由晶体振荡器 Y1 和 C3 C4 构成的并 联谐振电路组成 为单片机提供基准时钟信号 本系 统采用内部时钟方式 3 复位电路采用上电自动复位和手动按键复位 结合的方式 对于上电自动复位 应合理选择 R 和 C 值使高电平至少维持两个机器周期 一般 U RST 大于 3 V 就能使单片机可靠复位 本设计复位电路中选用的 电阻 R 11 为 10 k 电容 C 1 为 10 F 因此充放电 电 路的时间常数为 100 ms 复位时间约等于 RCln 5 3 0 511RC 51 ms 对振荡频率为 12 MHz 机器周期 为 1 s 的单片机 满足复位时间的要求 1 2 温湿度采集模块 温湿度传感器的选择及布局需考虑要测量的 温湿度数据区间 测量面积的大小 烟草育苗目前 大部分使用漂浮育苗 种子播种在填充了基质的深 度 为 8 mm 10 mm 的育苗托盘中 大棚底部有 15 cm 1 8 c m 的水 托盘漂浮于水中 在幼苗发芽之前 大 棚中的温度应该保持在 20 22 空气相对湿 度保持为 85 87 在幼苗长成大十字之前 大 棚内部的温度保持在 22 24 相对空气湿度为 80 84 在幼苗长成大十字到移栽之前 大棚中 的温度保持在 25 27 相对湿度为 78 82 因此 烟草育苗棚的最佳生长环境温度范围为 20 27 湿度范围为 78 87 RH DHT11 温度测量 范围是 0 50 湿度是 5 95 RH 满足温湿度 范围 5 本 设 计 针 对的对象为中小型育苗棚 棚的大小 约 为 2 0 5 m 5 4 m 2 m DHT11 最大信号传输距离为 20 m 兼顾到大棚的面积及温湿度分布特点 给每个 大棚均匀放置两个温湿度传感器 放置 在 距 离 托 盘 1 0 cm 处 6 DHT11 的电路图如图 3 所示 其中电源引脚 VDD 接 5 V 电源 引脚 DATA 与单片机的 P1 0 引脚连 接 引脚 NC 悬空 GND 为接地端 图 3 DHT11电路图 单片机通过 P1 0 引脚完成和 DHT11 的状态交互 和数据传输 总线空闲状态为高电平 首先主机把 总线拉低等待 DHT11 响应 拉低时间必须在 18 ms 以 上 只有这样 DHT11 才可以检测到起始的信号 DHT11 接收到主机的开始信号后拉低总线并发送 8 0 s 低 电平响应信号来告诉主机此时的 DHT11 正常 之后 DHT11 拉高总线 80 s 左右 开始传送数据 DHT11 高低电平的长短决定了数据位是 0 还是 1 并且每一 位数据都以 50 s 低电平时隙开始 数据 0 是拉低 总线 50 s 然后拉高总线 25 s 数据 1 是先拉低 总线 50 s 然后再拉高总线 70 s 1 3 显示模块 在本系统中所采用的液晶显示模块为 LCD1602 它是一种点阵液晶 该模块界面简洁 使用方便 功 耗低 价格也很便宜 LCD 可以显示 16 2 个字符 本设计通过自动切换屏幕的方式显示所有的数据 7 LCD1602 的电路图如图 4 所示 8 位数据总线 DB0 DB7 连接单片机的 I O 口 接收单片机传输 的数据并显示 本设计中 LCD1602 液晶显示器的数 据线与单片机 STC89C51 的接口 P0 0 P0 7 相连 有 RS R W 和 E 三个控制端口 RS 是数据命令选择端 与单片机接口 P2 7 相连 控制在高电平时选择数据 寄存器 低电平时选择指令寄存器 R W 是读写选择 端 读数据用于检测液晶是否处于忙状态 本系统程 序用延时完成数据分时传送 因此此端接地 E 是使 能信号 与单片机接口 P2 6 相连 1 4 报警模块 系统报警模块通过蜂鸣器和发光二极管分别实 图 2 单片机的最小系统图 南方论坛 South Forum 2022 年 2 月下 32 现声音和光线报警 管理员设置温湿度的上下限后 系统中的温湿度传感器模块进行实时采样 和设置值 对比后 如果不在预设范围内 系统会点亮相应的指 示灯并驱动蜂鸣器报警 8 灯光报警电路如图 5 所示 四个 LED 灯分别与单 片机的 P2 0 P2 2 P2 4 P2 5 引脚相连 超限情况发 生时对应引脚输出低电平 对应的二极管点亮 第 一个红色 LED1 灯亮时代表温度值过高 第一个绿色 LED2 灯亮代表温度过低 当第二个红色 LED3 灯亮 时代表湿度值过高 第二个绿色 LED4 灯亮代表湿度 过低 蜂鸣器电路如图 6 所示 通过一个 PNP 型三极管 驱动蜂鸣器 三极管基极与单片机的 P3 2 连接 当温 湿度超限时 此引脚输出低电平 三极管导通 驱动 蜂鸣器发声 1 5 通信模块 通信模块用 GSM 模块实现温湿度超限时给管理 人员发送信息 系统选用的 GSM 模块是 SIM800L SIM800L 模块的串口引脚是 TTL 电平 所以可以与 单片机直接相连实现串口通信 单片机的 TXD 引脚 与模块的 RXD 连接 单片机的 RXD 与模块的 TXD 连 接 二者的 GND 在一起 就可实现单片机与模块的 通信 9 模块电路图及与单片机的连接方式如图 7 所示 其中 SIM TXD 引脚与单片机 P3 0 连接 SIM RXD 与单片机 P3 1 连接 图 7 SIM800L模块电路图 为实现中文信息发送 系统使用 PDU 模式发送 短信 要实现短信发送功能 需要设置编码格式 并 根据该格式进行信息整理 首先要把汉字转换为 Unicode 字符 然后把 SMSC 地址信息 地址格式 目 标号码 编码方式 用户信息等所有短信信息编排成 PDU 串 再加上相关格式说明 构成完整的信息串 然后通过串口发送 1 6 设置模块 设置模块使用按键实现对温湿度上下限的设置 操作 设置模块按键电路如图 8 所示 模块由 S2 S3 S4 三个按键组成 分别连接单片机的 P1 1 P1 5 P1 6 口 S2 键按下进入数据设置状态 通过在程序 中所设置模式变量记录的 S2 按下的次数 分别进入 不同的设置模式 按下一次时模式值为一 进入设置 温度上限值模式 按下两次时模式值为二 进入设置 湿度上限值模式 按下三次时模式值为三 进入设置 温度下限值模式 按下四次时模式值为四 进入设置 湿度下限值模式 按下五次时模式值归零 进入初始 显示状态 S3 S4 按键在模式不为零时有效 根据模 图 4 LCD1602 模块电路图 图 5 报警灯电路图 图 6 蜂鸣器电路图 南方论坛 South Forum 2022 年 2 月下 33 式值通过按下次数 按 S3 提高阈值 按 S4 降低阈值 图 8 设置模块按键电路图 2 实验结果 系统软件在 keil 中调试通过后 配合 Proteus 仿 真软件来实现软硬件联调及仿真 仿真电路如图 9 所 示 在仿真实验中 由于无法获取真正环境的温湿度 值 温湿度值的变化用直接设置两个 DHT11 的温度 和湿度数据来模拟 先通过设置按键及加 减按键设 置温湿度的上下限值 然后设置两个 DHT11 的温湿 值为各种可能的情况 可以观察到对应的发光二极管 和蜂鸣器的反应与预设的状态相符 同时显示器也可 以正确显示数据 10 通过仿真确认设计基本正确后 焊接实物进行 模拟环境试验 实物运行结果之一如图 10 所示 模 拟不同温湿度环境 将温湿度传感器放置其中 可以 观察到所检参数不在设置阈值范围时系统能做出相 应动作 发生报警时也能正确发送信息到指定手机 图 10 实物运行结果 3 结论 课题组针对目前规模化种植环境下传统烟草育 苗大棚管理方式面临的实际问题 在对烟草育苗设 备 环境 环节及育苗各环节所需控制的温湿度数据 进行分析的基础上 设计了可以实现自动实时监测 远程报警的监测系统 文中对系统各个硬件电路的 选型 设计及工作原理进行了详细介绍 经仿真和实 图 9 仿真电路图 下转第 37 页 南方论坛 South Forum 2022 年 2 月下 37 型化转子泵的广泛应用具有重要意义 为了保证转 子加工质量 提高转子加工自动化程度 开发了一套 基于 MATLAB 的盘铣刀设计系统 该系统可以通过 GUI 界面正确选择相应的盘铣刀 有效解决了螺旋转 子的加工问题 提高了其加工效率 参考文献 1 姚新 液压泵压力脉动分析及衰减措施 J 机床与液压 2004 8 171 172 2 李 鄂 民 王 中 龙 李 怀 印 等 铜 板 自 动 包 装 生 产 线 整 形 机 液压同步控制系统的设计与改进 J 液压与气动 2010 1 75 77 3 LEE G S JUNG S Y BAE J H Design of Rotor for Internal Gear Pump Using Cycloid and Circular Arc Curves J Journal of Mechanical Design 2012 134 1 1 12 4 MITOME K SEKI K A new continuous contact low noise gear pump J Journal of Mechanisms Transmission and Automation in Design 1983 105 15 736 741 5 王超 孙炳孝 基于 FLUENT 的高压高速螺旋转子泵内部 流 场 分 析 J 包 装 工 程 2 0 1 7 3 8 2 3 1 8 7 1 9 1 6 CAMPO D CASTILLA R RAUSH G A et al Numerical Analysis of External gear pumps including cavitation J ASME J Fluids Eng 2012 134 8 1 9 7 NEYRAT S ORAND N JONQUET D Modeling and analysis of an automatic transmission internal gear oil pump with cavitation C SAE 2005 Noise and Vibration Conference and Exhibition ITALY 2005 16 19 8 EATON M KEOGHK P S EDGE A The Modelling Prediction and Experimental Evaluation of Gear Pump Meshing Pressures with Particular Reference to Aero Engine Fuel Pumps J Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers 2006 220 15 396 404 9 孙 炳 孝 赵 连 星 赵 泽 明 等 一 种 适 用 于 农 业 多 足 机 器 人 的 螺旋转子泵转子加工及测试 J 中国农机化学报 2020 4 1 9 1 7 6 1 8 1 10 卢笑宇 农用机械液压油缸自动化设计系统开发 J 南方农 机 2 0 2 1 5 2 1 7 7 7 7 9 11 郭勇 王振林 基于 MATLAB GUI 的非线性包装系统破损 边 界 计 算 软 件 设 计 J 包 装 工 程 2 0 1 2 3 3 1 7 5 7 5 9 8 董海龙 刚柔耦合行星齿轮减速器仿真研究 D 沈阳 东北 大 学 2 0 1 3 9 李辉云 行星齿轮减速器仿真及有限元研究 D 天津 河北 工 业 大 学 2 0 1 3 1 0 马 新 强 文 志 华 李 忠 华 等 基 于 内 点 罚 函 数 优 化 算 法 的 声 衬 设计 C 中国家用电器协会 2019 年中国家用电器技术大会 论文集 中国家用电器协会 电器 杂志社 2019 1139 1143 1 1 李 金 龙 江 征 风 万 鹏 内 点 罚 函 数 法 在 链 传 动 优 化 设 计 中 的 应 用 J 现 代 机 械 2 0 0 3 2 2 1 8 0 1 2 潘 俊 斌 韦 建 平 肖 光 育 等 基 于 内 点 罚 函 数 法 的 非 对 称 钢 板 弹 簧 优 化 设 计 J 汽 车 零 部 件 2 0 1 6 4 1 0 1 4 13 韩泽光 张吉生 郝瑞琴 基于 MATLAB 的多级齿轮传动核 心 参 数 的 优 化 方 法 J 机 械 2 0 1 4 4 1 6 2 2 2 5 上接第 25 页 上接第 33 页 物测试检验了系统的准确性和可靠性 参考文献 1 张俊 我国烟草育苗技术现状及推广策略 J 河南农业 2017 29 22 23 2 廖建尚 基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法 J 农 业 工 程 学 报 2 0 1 6 3 2 1 1 2 3 3 2 4 3 3 黄 凌 志 徐 铁 纯 秦 文 弟 等 育 苗 大 棚 发 展 前 景 及 管 理 J 农 业 开 发 与 装 备 2 0 1 4 8 1 3 1 1 3 2 4 洪 志 祥 梅 海 城 陈 志 椿 基 于 单 片 机 的 多 功 能 太 阳 能 充 电 手 环 的 设 计 J 南 方 农 机 2 0 1 6 4 7 4 7 9 8 0 5 孙 刚 王 朔 赵 夕 龙 等 烟 草 漂 浮 育 苗 技 术 的 应 用 现 状 及 发 展 措 施 J 种 子 科 技 2 0 2 0 3 8 1 5 1 3 5 1 3 7 6 徐鑫秀 赵士原 基于 DHT11 传感器的机房温湿度控制系 统 设 计 J 现 代 信 息 科 技 2 0 2 0 4 1 4 5 7 5 9 7 李 珍 夏 经 德 付 斌 基 于 单 片 机 的 大 棚 温 湿 度 监 测 系 统 设 计 J 国 外 电 子 测 量 技 术 2 0 1 8 3 7 7 6 6 6 9 8 董 贺 鹏 吴 坤 王 圳 等 基 于 S I M 8 0 0 和 S T C 8 9 C 5 2 的 智 能 报 警 系 统 设 计 J 物 联 网 技 术 2 0 2 0 1 0 5 3 5 3 7 4 2 9 杨 雪 怡 王 泽 源 王 慧 琳 基 于 物 联 网 技 术 的 智 慧 节 水 灌 溉 系 统 分 析 J 南 方 农 机 2 0 2 0 5 1 7 6 8 10 范智平 烟叶烘干窑自动控制系统的设计 D 咸阳 西北农 林科技大学 2010