現代設施農業是集生物技術、工程技術、環境技術為一體的一種高技術、高效益的現代化農業生產方式。是農業產業調整，適應市場經濟發展、提高土地資源利用率的有效途徑。目前，一些發達國家在設施農業設備和配套技術方面均已形成了完整的體系，其現代化溫室能根據作物對環境的不同需要，由微型計算機對設施內的溫度、光照、濕度、空氣成分等環境因子進行自動監測和調控，可實現溫室作物全天候、周期性的高效生產，并逐步向溫室管理的數字化、智能化發展。

我國特別是西北地區雖然地廣物豐，但由于土地的沙漠化比較嚴重，導致可利用的土地資源越來越少，因此土地資源的高效利用問題也越來越突出，加快發展設施農業是解決問題的最有效途徑。對設施農業環境中的各項環境因素進行檢測和控制，是解決問題的關鍵。溫度是設施環境中最重要的因素，因而對設施農業環境中的溫度進行實時檢測與自動控制就顯得尤為重要。

1、系統總體方案

系統設計方案原理如圖1所示。分為6個模塊：微處理器模塊、溫度采集模塊、數據輸入模塊、處理與控制模塊、電源模塊、顯示與報警模塊。以AT89C51單片機為核心，通過溫度傳感器DS18B20采集設施環境中的溫度值，系統對采樣值與標準值進行比較處理，根據處理結果實現溫度的實時顯示、控制、報警提示等功能。采用AT89C51單片機與數字溫度傳感器DS18B20組合實現對環境溫度的檢測與控制不僅具有控制方便、系統電路簡單、靈活性強等特點，而且還可以提高溫度參數的控制精度。

2、各單元模塊選擇與設計

2．1 微處理器模塊

微處理器模塊的主要任務是完成對采集來的溫度數據與設定的標準溫度值范圍的比較處理。該模塊選用AT89C51單片機，該單片機性價比高，結構簡單，應用廣泛，外部I／O資源少但處理速度快，能夠滿足本系統所要實現的控制功能的要求。

2．2 溫度采集模塊

溫度采集模塊主要完成對環境溫度數據的采集和轉換，并將采集到的溫度數據送給處理器。該模塊選用數字溫度傳感器DS18B20。數字溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，能直接讀出被測溫度值，可利用串行方式與單片機實現通信，且僅占用一條數據線，僅需要一個端口引腳進行通信，因此從主機CPU到DS18B20僅需一條線連接，而且DS18B20的電源可由數據線本身提供（相對于外部電源，轉換時間要延長），占用單片機資源少；每一個DS18B20在出廠時已經給定了唯一的序號，線上，實現多點組網功能；是數字傳感器，送入單片機的數據為二進制數據，無需A／D轉換，便于處理，大大加快了微處理器的運算速度。DS18B20的測量范圍從-55～+125℃，增量為0．5℃（最高精度可達0．1℃），轉換速度小于1 s（典型值）。與單片機的連接方式如圖2所示。

由于該傳感器是單線通信，所以其通信時序就非常的重要。根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過3個步驟：

1）每一次讀寫之前都必須要對DS18B20進行復位，即初始化時序；

2）復位成功后發送一條ROM指令，進行寫時序；

3）最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作，即讀時序。

2．3 數據輸入模塊

數據輸入模塊作為人機交換端口，目的是為了方便根據不同農作物的生長需要，設定不同的最適生長的溫度值范圍，由小鍵盤和驅動電路組成。對小鍵盤的操作一是檢測是否有按鍵被按下；二是識別被按下的是哪一個鍵，并執行相應的任務。

2．4 控制模塊

控制模塊是根據微處理器的處理結果，控制顯示與報警等外圍模塊電路的工作。若采集到的環境溫度值低于標準溫度范圍的最小值或者高于標準溫度范圍的最大值時，該模塊能夠通過繼電器控制加熱或者降溫設備工作。從而達到控制溫度的目的。

繼電器電路如圖3所示，圖中P1．1引腳用于控制加熱繼電器。給P1．1低電平，三極管導通，電磁鐵觸頭放下開始工作。

2．5 顯示模塊

顯示模塊用于顯示溫度值，如圖4所示，由驅動電路和數碼管組成。顯示電路采用七段共陰數碼管掃描電路。節約了單片機的輸出端口，便于控制程序的編寫。

2．6 電源模塊

電源模塊為整個電路系統供電，因為AT89C51單片機和溫度傳感器DS18B20都不需要太高的工作電壓，所以本系統采用統一供電模式，這樣就可以減少功耗，降低成本。

3、系統整體設計方案

3．1 硬件設計方案

系統硬件電路圖如圖5所示。

溫度傳感器DS18B20采集到溫度數據后通過P1．0引腳送給單片機，單片機通過軟件控制程序對接收到的溫度數據進行比較處理。將測試信息發送到P2．0、P2．1、P2．2引腳驅動顯示電路工作，顯示實時檢測到的溫度值；通過P1．1、P1．2引腳驅動繼電器電路工作，當檢測剄的溫度低于系統設置的最小溫度值時，通過P1．1口控制繼電器電路工作啟動加熱設備為環境升溫；當檢測到的溫度高于系統設置的最大溫度值時，通過P1．2口控制繼電器電路工作啟動降溫設備為環境降溫；與此同時，通過P2．5口驅動報警電路實現報警提示。

按鍵s1用于對系統進行復位操作，按下一次，系統自動復位一次；按鍵s2、s3、s4用于設置最小溫度值和最大溫度值，按鍵s2被按下時系統加1操作，按鍵s3被按下時系統減1操作，按鍵s4為確認鍵。

3．2 系統軟件流程設計

系統程序的設計思想為：設置標準溫度范圍后，溫度傳感器DS18B20對環境溫度進行采樣，將采樣值與預設溫度值進行比較，如果采樣值高于或低于預設溫度值時，系統通過繼電器啟動加熱或降溫電路工作。主程序流程圖如圖6所示。

4、 結論

本設計采用AT89C51單片機與數字溫度傳感器DS18B20組合，實現了設施農業等環境溫度的檢測和控制。具有電路簡單、操作方便、價格低廉、靈活性強等特點，是一套較為實用的溫度動態測控系統。

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