第３７卷第５期２０２３年９月
兰州文理学院学报(自然科学版)
J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y o
fA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l ．３７N o ．５
S e p
t ．２０２３收稿日期:２０２３Ｇ０３Ｇ１９
基金项目：安徽省高校省级自然科学研究重点项目(K J ２０２１A １０２５)；巢湖学院校级科研项目(K Y Q D Ｇ２０２２０６,X L Y Ｇ２０２２０５,X L Y Ｇ２０２１０８)；大学生创新创业训练计划项目(X ２０２２１０３８００４６,２０２２１０３８００４９
)作者简介：胡保玲(１９９０Ｇ)，女，安徽马鞍山人，助教，硕士，研究方向为嵌入式系统设计．E Ｇm a i l :h u b a o l i n g
_c h u ＠y e a h ．n e t ．㊀㊀文章编号:２０９５Ｇ６９９１(２０２３)０５Ｇ００６８Ｇ０７
胡保玲１,２
，马㊀俊２，周㊀磊１，余志伟２，解思博２，吴庆洋１
(１．巢湖学院计算机与人工智能学院，安徽巢湖２３８０２４;
２．巢湖学院电子工程学院，安徽巢湖２３８０２４
)摘要：针对农业大棚温湿度信息易变㊁检测效率低的问题，设计了一种农业大棚空气温湿度智能控制系统，以快速精确地检测大棚内部环境信息，从而有效地提高棚内作物的产量．首先，分析了温湿度智能控制系统的需求，并对其整体结构进行规划与设计；然后，搭建该系统的硬件功能模块，包含单片机及其最小系统单元㊁温湿度检测模块㊁数码管显示模块㊁继电器执行模块㊁电源模块㊁报警模块和按键模块，并对不同功能模块的软件进行设计，以驱动该系统正常工作．最后，通过软件仿真验证了系统可行性，并对所设计的实物装置进行了温度与湿度检测试验．试验结果表明，所设计的智能控制系统具有灵敏度强与准确度高的特性．关键词：农业大棚；温度；湿度；控制系统中图分类号:T U ８９２㊀㊀㊀文献标志码:A
D e s i g no f I n t e l l i g e n tC o n t r o l S y
s t e mf o r A i rT e m p e r a t u r e a n dH u m i d i t y i nA g
r i c u l t u r a lG r e e n h o u s e s HU B a o Ｇl i n g １,
２,MAJ u n ２,Z H O UL e i １,Y UZ h i Ｇw e i ２,X I ES i Ｇb o ２,WU Q i n g Ｇy a n g
１
(１．S c h o o l o fC o m p u t e r S c i e n c e a n dA r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e ,C h a o h uU n i v e r s i t y
,C h a o h u２３８０２４,A n h u i ,C h i n a ;２．S c h o o l o fE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ,C h a o h uU n i v e r s i t y
,C h a o h u２３８０２４,A n h u i ,C h i n a )A b s t r a c t :T h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m f o ra i rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y w a sd e s i g
n e dt o s o l v e t h e p r o b l e mo f l o wd e t e c t i o n e f f i c i e n c y i n i n t e l l i g e n t b u i l d i n g s a n d i n c r e a s e t h e o u t p
u t o f c r o p s e f f e c t i v e l y ．F i r s t l y ,t h e d e m a n d o f t h e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y
s Ｇt e m w a s a n a l y z e d t o p l a n i t s o v e r a l l s t r u c t u r e ．B a s e d o n t h i s ,t h e h a r d w a r em o d u l e o f t h e s y
s Ｇt e m w a s e s t a b l i s h e d ,i n c l u d i n g t h e s i n g l e Ｇc h i p m i c r o c o m p u t e r a n d i t sm i n i m u ms y
s t e m u n i t ,t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y d e t e c t i o nm o d u l e ,d i g i t a l d i s p l a y m o d u l e ,r e l a y e
x e c u t i o nm o d u l e ,p
o w e rm o d u l e ,a l a r m m o d u l ea n db u t t o n m o d u l e ．T h e n ,t h es o f t w a r eo fd i f f e r e n tm o d u l e s w a s d e s i g n e d t od r i v e t h e s y s t e m．F i n a l l y ,t h e f e a s i b i l i t y o f t h e s y s t e m w a sv e r i f i e db y s
o f t Ｇw a r e s i m u l a t i o n ,a n d t h e t e s t i n g e x p e r i m e n t so f t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y w e r e e x e c u t e db y
t h ed e s i g n e d p h y s i c a l d e v i c e ．T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a t t h ed e s i g n e d i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e mf o r a i r t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y h a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r o n g s e n s i t i v i t y a n dh i g ha c c u r a c y ．K e y w
o r d s :g r e e n h o u s e ;t e m p e r a t u r e ;h u m i d i t y ;c o n t r o l s y s t e m ㊀㊀农业温室大棚是在人工条件下实现作物生长
的主要场所，也是现代化农业中一个非常重要的设施．为实现高效且科学化的生产模式，需利用自
动化装置来科学合理地控制农业大棚内温度和湿度，使得大棚能够为农作物提供更加适宜的生长环境，从而产生更高的经济效益．因此，设计精确
有效的农业大棚空气温湿度控制系统，具有十分重要的意义．国内学者对其进行了大量研究，并取得了丰硕的成果．刘盛竹等[１]设计了一种具有芯片扩容功能的温度自动控制系统，通过A T８９C５１微型处理器有效实现了温度的精确控制．杨金祥等[２]利用S T C８９C５２单片机为控制核心，设计了一种温湿度控制器以实现大棚内部保持恒温恒湿环境．胡超等[３]设计了一种基于单片机控制的大棚温湿度控制系统，通过温度传感器㊁湿度传感器分别对大棚里的温度㊁湿度进行实时检测，从而实现温湿度的精确控制．张叶茂等[４]设计了一套智能温室控制系统，有效地实现了温室大棚参数的实时采集㊁信号传输和智能控制．陈辉江等[５]利用物联网技术，开发了环境监控系统，设计出一种农业大棚温湿度控
制系统，有效地监测与调控农业大棚内部环境信息．苏恒阳等[６]基于智能计算机温湿度控制技术，并通过智能化控制模块的相关指令，有效实现农作物大棚温度控制．张俪亭等[７]在分析了温室大棚温湿度控制需求的基础上，设计了一种基于S T C８９C５２的温室大棚温度湿度自动控制系统，有效实现了温室内温湿度的自动调节．张云帆等[８]设计了一种以单片机为核心，结合温湿度㊁光传感器㊁继电器和风机箱，设计了一种温湿度智能控制系统，能够实时监测采集数据，并根据反馈数据实时做出调节．孙万麟等[９]设计了一种以A T８９C５１单片机作为主控器的温湿度测控系统，实现温湿度数据采集，并设置超限指示灯报警功能．李倩等[１０]在S T C８９C５１单片机基础上，设计了蔬菜大棚温湿度自动控制系统，并预先设置温湿度合理值，当测量温湿度不在预设值内时，系统将会发出蜂鸣报警并采取相应措施．本文在上述研究的基础上，设计了一种更加灵敏完善的农业大棚空气温湿度智能控制系统，通过温湿度传感器实时检测环境变化，并配置液晶显示模块，使观察更加准确，从而有效地满足人们对大棚智能控制与检测的需求．
1㊀系统及硬件设计
农业大棚空气温湿度智能控制系统主要具备温度值与湿度值的检测功能，并将检测结果通过单片机处理并利用显示模块与执行模块输出，以达到实时监测和改善大棚环境的目的．本设计采用S T C８９C５１单片机为处理器，通过D H T１１型温湿度传感器来实时测量大棚内温湿度的数值,
然后通过数码管显示模块实时显示检测的温湿度数值是否超过警报阈值，并利用执行模块实时调节温湿度信息．该系统主要包含６大模块，即单片机及其最小系统㊁温湿度检测模块㊁数码管显示模块㊁继电器执行模块㊁系统报警模块和电源模块(本文主要阐述前４个主要模块)，其核心系统组成框架如图１所示
．
图１㊀系统总体组成框架
1.1㊀AT89C51单片机及其最小系统
本设计采用应用最为广泛的S T C８９C５１单片机为核心处理器，它是一种低功耗却有着极高性能的８位微处理器，有４０个引脚和３种封装方式．其中４０个引脚大致可分为４类：时钟㊁电源㊁控制和４组I/O引脚．所谓最小系统，是指能使单片机正常工作的最小组成部分，包括单片机核心处理器本身㊁复位电路以及时钟电路，其电路结构如图２所示
．
图２㊀单片机最小系统电路结构
1.2㊀温湿度传感器模块设计
传感器D H T１１将数据输入/输出的管脚与I/O口进行直接连接，再通过微处理器对传感器进行操控，将所采集的农业大棚温湿度信息输送到处理器中运算，温湿度传感器结构如图３所示．
９６
第５期胡保玲等：农业大棚空气温湿度智能控制系统设计
图３㊀温湿度传感器模块
1.3㊀数码管显示模块设计
L C D １６０２液晶显示模块是一种工业字符型液晶，能够同时显示１６列２行，即３２个字符，数码管显示电路如图４所示．
1.4㊀继电器执行模块设计
本设计中的继电器模块是通过４个三极管来驱动的，当测量出的温湿度数值不在设定范围内时，信号由高电平转变为低电平，三极管导通，继电器吸合，继电器相当于开关的作用，能够驱动负
载．当湿度高于预设上限时,Q ４导通㊁
发光二极管D ３发亮㊁
蜂鸣器发声㊁风扇转动进行烘干；当湿度低于预设下限时,Q ５导通㊁D ４发亮㊁蜂鸣器发声㊁微型水泵工作进行加湿；当温度高于预设上限时,
Q ３导通㊁D ２发亮㊁
蜂鸣器发声㊁风扇转动进行降温；当温度低于预设下限时,Q ２导通㊁D １发亮㊁蜂鸣器发声，加热棒开始工作进行升温．继电器电路如图５所示
．
图４㊀
数码管显示模块
图５㊀继电器执行模块
2㊀系统软件设计
软件设计是该系统的重要组成部分，决定系
统是能否正常工作．首先，键入设定的温湿度阈值，并利用传感器工作检测环境中的温湿度，读取成功后对数据进行线性拟合，并在L C D １６０２液晶屏上进行显示；中心处理器判断所读数据是否在键入的范围之内．若不在范围内，报警指示灯亮起，蜂鸣器发声报警，随后通过继电器控制调控设备进行调控，直到再次读取的数值在键入范围内,
调控设备停止运作，并在液晶屏显示当前的温湿度值，主程序流程如图６所示．
3㊀系统调试与实验验证
在装好应用系统后，需对系统进行调试以排
除系统可能存在的故障．本次设计的调试方法包括软件仿真测试㊁系统性能测试和温湿度检测模拟实验．
3.1㊀软件仿真测试
在进行硬件焊接前，需在仿真软件上进行系
０
７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷
统仿真，以验证该系统的性能，所搭建的系统包含了多个模块，分别是单片机主控电路㊁按键电路㊁电源接口电路㊁D H T １１温湿度传感器模块㊁
蜂鸣器报警电路㊁L C D １６０２液晶接口模块等．仿真软件测试结果表明系统的各模块之间均可正常运行
．
图６㊀主程序流程
3.2㊀实验验证分析
在软件仿真测试后，对所设计系统进行性能
测试．在接通电源前，需对电路板及接线进行检查，确认无误后接通电源，保障系统能正常运行,
运行状态如图８(a )所示．为更加全面地分析系统功能，验证所设计温湿度智能控制系统的实际运行效果，本文构建了简易模拟装置对系统进行温湿度检测模拟实验，如图８(b )所示．分别对温度上限㊁温度下限㊁湿度上限㊁湿度下限进行４次不同实验，并记录相应控制设备的运转情况．
(１
)温度上限检测与控制实验将模拟大棚置于自然光下进行照射，每隔５
(a
)
系统正常运行效果(b
)模拟大棚环境图８㊀系统正常运行与模拟大鹏环境效果
分钟记录模拟大棚温度的测量值㊁报警情况及相应控制设备的运作情况(温度单位为ħ)．在正常自然光照情况下，利用光照程度来对模拟装置中温度进行调节，不同时刻的具体情况如图９所示．记录每个时刻所对应的测量数据，实验记录如表１所列．
其中，时刻１为初始状态；时刻２在自然光照射下温度逐渐升高；时刻３到达温度预设上限，风扇降温，蜂鸣器报警,L E D 常亮；时刻４为温度降至上限以下，由于温度变化浮动较小，时刻５㊁６分别与时刻３㊁４对应一个循环检测调节过程．从图９与表１的结果可知，在进行温度上限检测与控制模拟实验时，该系统可正常运行．
１
７第５期
胡保玲等：农业大棚空气温湿度智能控制系统设计
(a)时刻１
㊀
(b)时刻２
㊀
(c)时刻
３
(d)时刻４
㊀
(e)时刻５
㊀
(f)时刻６
图９㊀自然光照环境不同时刻检测结果
表１㊀温度上限报警控制实验记录
采样
时刻
温度
上限值
温度
测量值
L E D灯
状态
报警
状态
风扇
状态
时刻１
时刻２
时刻３
时刻４
时刻５
时刻６
３１
２９常灭不报警不转动
３０常灭不报警不转动
３１常亮报警转动
３０常灭不报警不转动
３１常亮报警转动
３０常灭不报警不转动
(２)温度下限检测与控制实验
将模拟大棚置于室内，开启空调进行降温，每
隔５分钟记录模拟大棚温度测量值㊁报警情况及
相应控制设备的运作情况(温度单位为ħ)．通过
上述降温条件，以此检验本设计对温度低于下限
时的报警及控制情况，不同时刻的具体情况如图
１０所示．其中，时刻１㊁２是初始降温过程；时刻３
到达临界值,L E D灯常亮，蜂鸣器报警，加热棒开
始工作；时刻４由于加热棒加热需要时间，温度继
续下降；时刻５为在加热棒工作一段时间后温度
上升至临界值；时刻６回归预设范围内，实验记录
如表２所列．综合图１０与表１的结果可知，在进
行温度下限检测与控制模拟实验时，该系统可正
常运行．(
３)湿度上限检测与控制实验
将系统置于模拟大棚内，再放入一个小型加
湿器，每隔５分钟记录模拟大棚湿度的测量值㊁报
警情况及相应控制设备的运作情况(湿度单位
为％)，不同时刻的具体情况如图１１所示，实验参
数如表３所列．时刻１为初始状态；时刻２和时刻
３表示随着加湿器工作，湿度逐渐升高；时刻４和
时刻５为湿度上升至超过预设上限值，蜂鸣器发
声报警,L E D常亮，烘干风扇工作，进行干燥降
湿．从图１１与表３的结果可知，在进行湿度上限
检测与控制模拟实验时，该系统可正常运行．
表２㊀温度下限报警控制实验记录
张俪
采样
时刻
温度
上限值
温度
测量值
L E D灯
状态
报警
状态
加热棒
状态
时刻１
时刻２
时刻３
时刻４
时刻５
时刻６
２６
２８常灭不报警不工作
２７常灭不报警不工作
２６常亮报警工作
２４常亮报警工作
２６常亮报警工作
２７常灭不报警不工作
㊀㊀(４)湿度下限检测与控制实验
在风力较强时，将模拟大棚中置于通风处，每
隔５分钟记录模拟大棚湿度的测量值㊁报警情况
及相应控制设备的运作情况(湿度单位为％)，现
分别采样６个不同时刻的湿度信息，具体情况如
图１２所示．其中，时刻１㊁２为湿度值随时间降低
的过程；时刻３㊁４㊁５为湿度降至预设下限以下,
L E D灯常亮，蜂鸣器报警的过程；时刻６为水泵２７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷
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