卜纪清：基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真
目前，国外现代化农田的内部设施己经发展到比较完备的程度，并且形了一定的标准。农田内的各个环境因子大多用计算机来集中控制，检测农田内各个环境因子的传感器也较为齐全，例如农田内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等。用传感器来检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制。比如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，用热水锅炉或热风机组成的升温度系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于农田作业的农业机械系统等。计算机对这些系统的控制己经不是简单、独立、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制。一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化方向发展。
1.4国内多功能农田技术的发展
我国在现代多功能农田技术的发展上起步较晚，70年代以来，我国政府大力发展以多功能农田和节能日光农田为主体的设施农业，促进了农村经济的发展并且缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国引进了一系列的现代化农田(包括升温系统、湿帘降温系统、灌溉系统、监测与集中环境监测系统及其它附属设施)进行实验研究。引进的农田与我国的传统农田相比，其空间较大，便于进行机械化作业，生产率与资源利用率较高，为我国的多功能农田发展提供了借鉴作用。我国现有的多功能农田温度环境监测系统存在的不足之处主要表现在以下几个方面。首先是价格昂贵，国内农业生产目前难以接受。其次是缺乏与我国气候特点相适应的多功能农田温度自动环境监测系统。目前我国引进多功能农田温度自动环境监测系统大多投资大、运行费用过高，并且环境监测系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。还有就是控制方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。
随后我国借鉴国外先进技术设计出了自己的产品，例如江苏工学院研制的“农田环境测控系统”，主要应用于无土栽培实验，造价较高并且处于实验阶段；吉林工业大学研制的“农田环境自动检测系统”，仅实现了对农田内温湿度的自动测试；“智能型农田环境控制器”仅实现了对农田内喷水设施的自动控制等。上述产品均没有面向我国广大农村现有的100万亩传统多功能农田的改造工程。人们主要还是采用传统的方法,利用温度计来采集温度值，通过人工操作加热、降温来控制农田内的温度。因此，以上产品的推广用价值仍然不大。
总体上说，我国自行研制开发的多功能农田自动环境监测系统其技术水平和调控能力
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与发达国家相比还有一定的差距。而我国综合环境测控技术的研究才刚刚起步，目前的研究仍然停留在对单个或少量环境因子调控，而实际上，多功能农田内的光照度、温湿度、二氧化碳浓度等环境因素的相互影响、相互制约，对作物的生长产生影响。环境要素在空间和时间上的变化都很复杂。为此，我们应当根据我国的国情研制出适合我国农业发展的仪器仪表。国内大多数多功能农田对温度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、测控不及时等弊端，而且大大增加了成本，浪费了人力资源，对农田的生产造成不可弥补的损失[2]。
1.5多功能农田温度环境监测系统研究背景
我国人口基数大，人均占有的耕地面积很少，加之外部自然环境的影响，导致我国农业经济发展缓慢。要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的。为此我们要寻找更加科学，更加先进的农业生产模式来提高我们的农业生产。多功能农田技术就是其中一个好的方法。多功能农田就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除外部环境对作物生长的约束，满足作物生长的最佳生存环境。多功能农田能克服自然环境对作物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使气候对农作物的生长影响不大，部分技术先进的多功能农田完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于多功能农田能带来可观的经济效益，所以多功能农田技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。
随着多功能农田技术的普及，数量的不断增多，多功能农田的温度控制便成为一个十分重要的研究课题。传统的多功能农田的温度控制是在多功能农田内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与所需的最佳温度进行比较，看农田内的温度是否过高或过低。若多功能农田内温度过高，就对大棚进行降低温处理。若多功能农田内温度过低，就对大棚进行升高温处理。这些操作都是进行人工操作的，不但耗费了大量的人力及物力，而且测量过程中产生的误差也是很大的。随着科学技术的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在多功能农田内培育的品种越来越多，然而对于数量较多的多功能农田，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性，对大型多功能农田的建设的温度检测技术和控制技术也提出了越来越高的要求[3-4]。
1.6多功能农田温度环境监测系统的设计思路
该系统通过单片机接受温度传感器测量的温度信号，并进行控制，当温度高于设定的温度值时，单片机通过控制排风扇排气，促进空气流通降低农田内的温度；当温度低于设
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定的温度值时，单片机通过控制电热丝加热来升高农田内的温度。系统包括以下检测和环境监测系统，如图1.1所示：
图1.1 智能温度环境监测系统
本系统具体设计框图如图1.2所示： LCD1601液晶显示 多功能农田 滤波 湿温度传感器 单 片 机 耦合 继电器 温度低 湿度高 指示灯 报警器
人工灌溉 人工排水 图1.2 系统整体结构图
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1.7多功能农田温度环境监测系统设计要求
随着社会的发展，市场上急需一套系统，它可以自动控制多功能农田内的温度环境，使作物始终处于利于其生长的温度环境中，系统的主要性能要求包括： (1)系统能对多功能农田内的温度数据进行采集和显示； (2)能设定不同农作物在不同生长期所需的最佳温度范围；
(3)当农田内的温度参数超过设定的下限或者上限值时则报警提醒； (4)随时查询温度历史记录；
(5)温度误差：最小±0.2℃，最大±0.5℃；
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2多功能农田温度环境监测系统硬件设计
2.1单片机
2.1.1AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。 AT89C51单片机为很多嵌入式环境监测系统提供了一种灵活性高且价廉的选择，工作电压在5.5V～3.4V，工作频率可达40MHz，功耗低，抗干扰能力强，尤其是它具有支持在系统可编程（ISP），由于价格昂贵的编程器，只需通过串口即可直接下载用户程序，这样便于低端用户的学习与开发[5]。这也是我选择此单片机的最主要原因。 (1)单片机主要特征：
①与MCS-51 兼容，带4K字节可编程闪烁存储器； ②数据保留时间达到10年； ③全静态工是0Hz～24Hz； ④三级程序存储器锁定； ⑤128×8位内部RAM； ⑥32可编程I/O线；
⑦具有两个16位定时器/计数器； ⑧具有5个中断源，片内振荡器和时钟电路； ⑨为可编程串行通道； ⑩低功耗的闲置和掉电模式图；
(2)AT89C51的封装和引脚功能如右图2.1：
①GND和VCC：主电源引线，GND接地； 图2.1 AT89C51单片机管脚 ②XTAL1和XTAL2：外接石英晶体振荡器的引脚（XTAL1是单片机内的一个反相放大器的输入端，XTAL2是输出端）；
③RST/VPD：复位信号/备用电源输入端（当输入的复位信号延续2个机器周期以上的高电
平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作）；
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