摘要：介绍了基于单片机控制的日光温室控制系统的工作原理，并着重讨论系统硬件和软件的实现方法。系统采用89C51单片机为核心，配置以A/D转换器、控制电路、显示器以及外部数据存储器等部件，从而实现对日光温室中温度、湿度、水肥灌溉等的实时调控。

      关键字：单片机；日光温室；环境控制

      日光温室以其低成本、节能耗的优点被大面积推广，成为我国现阶段主要设施类型，形成了具有我国特色的设施农业发展道路雏形。但是我国的日光温室研究仍处于初级阶段，温、光、水、气环境综合控制技术、现代化设施生产、设计参数化与质量监控体系等方面仍存在很多问题。尤其在夏季高温、高湿条件下，冬季多阴雨、雪天气的条件下，由于管理设备与技术手段的落后而不能使温室环境得到有效的调控，使温室生产者遭受巨大的经济损失。

      近年来，单片机在我国的许多领域均得到了广泛的应用，其优良的性价比特别适合于日光温室的建设要求。因此，利用单片机实现日光温室内环境与水肥灌溉的自动控制，营造作物适宜的生长环境，是使日光温室生产能够持续快速发展和解决实际生产管理问题的重要手段。

      1.控制方案设计

      与大型现代化温室不同，日光温室由于其自身结构和特点，可控环境因素相对有限。现阶段，日光温室大多采用人工或简易机械操作。这样，温度及水肥的管理就成为制约日光温室生产发展的主要因素。因此，根据最适目标值实时调控温度及水肥情况，辅以适时的通风换气，可为作物生长提供更加适宜的环境。

      本系统设计以单片机为核心，通过各传感器对日光温室内温度、湿度、土壤含水量等参数实时检测，经A/D转换器后送入单片机，与预先设定的上下限值进行比较，如有越限量，则有声光报警且相应执行机构动作，直至调节至目标范围内。

      系统功能框图如图1

      图1 系统功能框图

      2.系统硬件设计
     
      本系统采用89C51单片机作为控制核心，控制系统主要包括传感器组、信号处理器、A/D转换器、控制电路、显示器、以及外部数据存储器等部件。

      系统硬件设计如图2 。

      图2 系统硬件设计图

      89C51的单片微机本身带有4K电擦写式程序存贮器，集成度高，处理能力强。比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS 51系列单片机的所有功能。

      数据采集与转换由12位A／D转换器ICL7109来完成。7109是高精度、低噪声、低漂移的双积分模数转换器，其内部带14位锁存器和14位三态输出寄存器，同时它与微处理器接口有很好的兼容性，其数据线、控制线能直接与微处理器总线相连。设定7109为直接接口方式。这种工作方式下，7109可连续进行数据的转换，89C51将转换后的数据分两次先低8位后高4位读取。

      传感器是自动控制系统的重要部件，其性能好坏直接影响控制系统的精度。根据日光温室的实际情况，本系统传感器组主要含温度传感器、空气湿度传感器及土壤水分传感器。温度传感器选用价格便宜的PN结温度传感器，其稳定性和线性度都比较好，测量范围（－55°C～150°C）虽不大，但足可满足本系统使用。湿度传感器可选用涂覆膜型的陶瓷湿敏传感器，此类湿敏传感器件理化性能比较稳定，器件结构简单，测量量程大，使用寿命长且成本低廉。至于土壤湿度的测量，一直是比较困难的课题，现在使用的方法各有其优缺点。本系统可选用电阻式或电容式土壤水分传感器。传感器的测试结果表明，在-7.5kPa－-10MPa范围内，土壤水势与传感器输出电阻值有很好的相关关系，相对于负压计而言，较好地扩展了测试范围。而电容式土壤水分传感器其测试范围可达0.1－3.5微微法拉以上(相应的土壤含水率在2--30%范围)，电容测试精度达0.3%，而且频率参数在传输中不易受干扰，保证了精度。

      3.系统软件设计

      本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展，程序可采用汇编语言进行编程。程序模块主要包括：主程序，A/D转换，数字滤波子程序等。
     
      系统主程序流程图见图3

      图3 系统主流程图

      主程序功能包括（1）开机自检流程，主要完成系统对自身的硬件测试；（2）系统设定软件流程，完成对目标值的设定；（3）数据采集；（4）数据处理运算、预警报警信号数据的存储等。

      尽管控制系统运行于非工业环境，干扰依然存在。因此，采取适当的抗干扰措施是必要的。在硬件方面，如在电源、接地等方面采用抗干扰措施。除了在硬件中对信号采取抗干扰措施之外，还要在软件中进行数字滤波的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰，使采集到的数据能够真实反映实际环境。数字滤波技术有很多种，如算术平均值法，中值滤波法，低通滤波法，滑动滤波法等。由于日光温室内对温度、湿度、土壤含水量等因子基本要求，故本设计对数字滤波采用算术平均值法，具体算法为：   ，在一个周期内的不同时间点取样，然后求其平均值。这种方法可以有效的消除周期性的干扰。同样，这种方法还可以推广成为连续几个周期进行平均。

      4.结语

      本文介绍了日光温室环境自动控制系统硬件及软件的设计，其创新点在于针对日光温室自身特点，实现对温室内温度、湿度及水肥浓度等因子的自动控制，改变了传统日光温室依靠人工操作的缺点，且基于单片机的控制系统成本较低、运行可靠，可有效提高日光温室生产效益。