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摘要：针对目前现代温室控制系统操作复杂、成本高昂等问题，设计了一款简单实用型温室灌溉双湿度控制系统。系统以单片机作为主控单元，采用SHT系列传感器采集湿度信号，通过电磁阀启闭实现水流控制。设计了双湿度控制策略，实现了土壤湿度和空气湿度双因素关联控制温室灌溉的功能。
关键词：单片机；双湿度；控制系统；传感器
温室大棚是现代化农业生产的重要手段[1]，但现代温室大棚利用计算机等控制，能耗太高，运行成本较高，多用于观光、示范等 [2]。虽然现在很多大型农场对于温室的智能控制系统有了一定的应用，但由于其高昂的成本还是不能全面普及到一些偏远的小农场[3]。目前，很多温室湿度控制只考虑了土壤湿度对植物生长的影响，忽略了空气湿度对植物的影响。
基于以上问题，通过系统整体方案设计、硬件设计（传感器的选择、电磁阀的选型、光耦的选型、单片机选型、电路焊接等）和软件设计（控制程序的编写）开发出一款简单实用的温室灌溉双湿度控制器。
1. 系统整体方案设计
1.1.设计思路
温室灌溉双湿度控制系统由湿度信息采集装置、湿度信息处理与输出装置、电磁阀、输出终端等组成。空气湿度和土壤湿度是采集信息的主要参数，它是通过湿度传感器检测，传送至总控制器；总控制器是用于处理湿度信息的单片机，负责对来自湿度传感器的信息进行汇总处理，并依据程序处理结果对电磁阀进行控制； 电磁阀作用是开启和关闭水流，经过电磁阀的导通将水流运至输出终端；输出终端是旋转喷头，能够实现全圆喷灌。
温室灌溉系统是以AT89C51作为控制器，使用SHT系列湿度传感器分别采集土壤和空气中湿度信息，并转换成电信号，经过SHT系列湿度传感器内置的A/D转换电路将模拟信号转换至数字信号输入到单片机中；单片机控制器由内部设定程序对湿度信号进行处理，由于土壤湿度优先级高于空气湿度，首先判断土壤中湿度是否大于设定阈值，如果高于阈值，说明土壤湿度饱和，不宜进行补水，此时电磁阀1、2均关闭；如果土壤湿度低于阈值，单片机继续判断空气湿度是否超过设定阈值，如果空气湿度高于设定阈值，单片机控制电磁阀1打开二电磁阀2关闭，使下层管路水流开启并经喷头喷洒至地表，增加土壤湿度，不改变空气湿度；如果空气湿度低于阈值，则控制电磁阀1、2均打开，上下两层管路和喷头工作，分别将水喷洒在空中和地表，改变空气湿度和土壤湿度。如此循环进行自动控制灌溉。
1.2.控制系统流程图
2. 系统详细设计
2.1.控制系统原理
该系统主要包括键盘输入模块、传感器模块、CPU、液晶显示模块和电磁阀执行模块。通过键盘输入设定的湿度阈值，把传感器采集的湿度值与设定阈值进行比较，如果大于设定阈值，则关闭电磁阀以减少水的流量；如果低于设定的阈值，则打开电磁阀进行灌溉，设定阈值与实际湿度值通过1602液晶显示屏进行实时显示，以方便进行调节。
利用PROTEUS软件进行了电路设计，经仿真试验后实现了功能。
2.2.系统湿度参数影响分析
土壤和大气是植物赖以生存的两大媒介，其水分状况的变化直接影响着植物的水分状况及其蒸腾作用的强弱。在我国农业生产实践中，土壤和大气干旱经常发生，其水分组合可大致概括为气湿土湿、气湿土干、气干土湿和气干土干4种类型。由于大气湿度难以控制，因而有关它与土壤水分的耦合机制研究不多[4]。
2.2.1.土壤的湿度能反应土壤的含水量。如果土壤湿度太低会导致根系吸水不足，根系一旦缺水会合成比较多的脱落酸，通过木质部运输到地上部分，进而诱导气孔关闭，气孔关闭可以降低蒸腾作用，减少水分的丧失。但是，气孔关闭了也会导致CO2不能进入气孔，这样会降低光合作用，导致植物生长受到抑制；
如果湿度太高，如果高到淹水状态，由于通气状况不好会导致根系产生无氧呼吸，进而影响根系生长、上部分生长。
2.2.2.空气湿度如果太低，会促进蒸腾作用的进行，会促进水分以气态的形式从叶片表面丧失；如果空气湿度太高，则会减少水分以气态的形式从叶片表面丧失。
植物受土壤和空气湿度两方面影响，土壤水分胁迫对植物生长的影响大过空气湿度，土壤水分亏缺是植物生长的显著限制因子[5]，而目前温室灌溉一般只考虑了土壤湿度的影响，忽略了空气湿度的影响。此系统预设土壤湿度阈值40%-50%，空气湿度阈值70%-80%，使用者可以通过键盘调整阈值。
2.3.主控单元
选择 ATMEL公司的AT89C51作为该系统的主控芯片，AT89C51是一种高效微控制器，该单片机具有操作简单，成本低廉，性价比高等优点。
2.4.传感器选型及其工作原理
选择Sensiron公司在世界上率先研制成功的SHT10型智能化温湿度传感器，测量相对温度的范围是0～100%，分辨力0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃，响应时间8s（tau63%），功耗 80μW（12位测量，1次/s），测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位；利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗；提供二線数字串行接口SCK和DATA，接口简单；SHT10的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，操作方便简单。
单片机和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA，其中SCK为时钟线，DATA为数据线。该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。在程序开始，单片机需要用一组"启动传输"时序表示数据传输的启动。如图2所示，当SCK时钟为高电平时，DATA翻转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK时钟为高电平时，DATA再次翻转为高电平。 图2 SCK和DATA
由于单片机通过二线串行数字接口访问湿度传感器SHT10，而访问协议是芯片生产商白定义的，所以需要用通用I/O口模拟该通信协议。我们选用Atmel公司的微处理器（AT89C51）。通过对I/O口寄存器的编程，该处理器的I/O口可以根据需要设置成输入、输出、高阻等状态。这为模拟该通信协议提供了条件。在软件实现过程中，通过宏定义来实现I/O口状态的改变。
#define set_data_0（ ） DDRB|=（1< //DATA输出0
#define set_data_1 （ ） DDRB|=（1< //DATA输出1
#define release_data_1（ ） DDRB&=～（1< //释放总线，将DATA设为输入状态，因为外接
//上拉电阻，DATA总线被上拉为高电平
#define set_sck_output（ ） DDRB|=（1< //设置SCK为输出
#define set_sck_1（ ） PORTB|=（1< //SCK输出高电平
#define set_sck_0（ ） PORTB|=～（1< //SCK输出低电平
通过以上宏定义，可以实现SCK和DATA总线的各种输入和输出状态。为了模拟该二线串行数字协议，还需要一个延时函数。WINAVR库函数提供了一个延时函数_delay_loop_2（unsigned char s），该延时函数运行用4个时钟周期，所以自定义延时1μs函数可以定义如下：
#define CPU_CRYSTAL 12.0000
//系统晶振（频率单位MHZ）
基于以上宏定义和延时函数，可以方便地使SCK和DATA总线输出持续一定时间的高电平或低电平，从而可以模拟温湿度传感器SHT10的读写协议。SHT10与AT89C51接线如图3所示。
2.5.电磁阀选型
2.5.1.基本工作原理：
国内外电磁阀，从动作方式上可分为三大类即：直动式、反冲式、先导式。我们选用的Hunter系列電磁阀，是喷灌系统中控制系统的执行器，其工作原理都是以先导原理为基础的。
2.5.2.具体选型依据：
2.5.2.1.根据管道参数选择电磁阀的通径规格（DN32），接口方式（螺纹连接）；
2.5.2.2.根据介质种类（自来水）选择电磁阀的阀体材质（普通），密封材料（普通），温度（常温）；
2.5.2.3.根据工作吋间长短或特殊工况需要来选择控制方式：由于开和关频繁切換或开启的时间短或开关的时间差不多，则选用常闭型，即在不通电的情况下，阀关闭；通电后，阀开启；
2.5.2.4.电源电压选择：优先选择常用的DC24V，便于移动、携带；
2.5.2.5.根据环境要求选择辅助功能：防水雾。
根据现有的试验条件和实验设施，我们接引自来水连接管道进行实验，自来水的水压约为2千克/平方厘米，即0.2MPa左右；电磁阀通径为32mm（1寸），工作压力0-1MPa，螺纹连接，电源用DC 24V，常闭。
3.结语
本文针对现有温室灌溉系统的缺陷，采用双湿度控制方法，通过AT89C51单片机控制，驱动电磁阀启闭，使温室自动灌溉系统实现土壤湿度和空气湿度双因素关联控制喷灌的功能，自动灌溉更为可靠合理，为精确合理的控制温室湿度提供一定的研究方向和基础。
参考文献：
[1] 钟新平. 基于单片机的温室大棚环境参数自动控制系统[D].南宁市：广西大学，2011.
[2] 薛楠. 设施农业温室大棚嵌入式控制器开发[D].沈阳市：沈阳工业大学，2013.
[3] 林叶锦，熊红斌. 浅析智能温湿度控制系统发展[J].黑龙江科技信息，2013，14：100.
[4] 李秧秧，黄占斌，黄少燕. 不同土壤大气湿度组合下玉米生长及水分光合特性反应[J].水土保持通报，1999，19（2）.
[5] 楼靓珺.大豆幼苗生长对土壤水分和空气相对湿度变化的生理生化响应[D].上海市：东华大学，2013.
关键词：单片机；双湿度；控制系统；传感器
温室大棚是现代化农业生产的重要手段[1]，但现代温室大棚利用计算机等控制，能耗太高，运行成本较高，多用于观光、示范等 [2]。虽然现在很多大型农场对于温室的智能控制系统有了一定的应用，但由于其高昂的成本还是不能全面普及到一些偏远的小农场[3]。目前，很多温室湿度控制只考虑了土壤湿度对植物生长的影响，忽略了空气湿度对植物的影响。
基于以上问题，通过系统整体方案设计、硬件设计（传感器的选择、电磁阀的选型、光耦的选型、单片机选型、电路焊接等）和软件设计（控制程序的编写）开发出一款简单实用的温室灌溉双湿度控制器。
1. 系统整体方案设计
1.1.设计思路
温室灌溉双湿度控制系统由湿度信息采集装置、湿度信息处理与输出装置、电磁阀、输出终端等组成。空气湿度和土壤湿度是采集信息的主要参数，它是通过湿度传感器检测，传送至总控制器；总控制器是用于处理湿度信息的单片机，负责对来自湿度传感器的信息进行汇总处理，并依据程序处理结果对电磁阀进行控制； 电磁阀作用是开启和关闭水流，经过电磁阀的导通将水流运至输出终端；输出终端是旋转喷头，能够实现全圆喷灌。
温室灌溉系统是以AT89C51作为控制器，使用SHT系列湿度传感器分别采集土壤和空气中湿度信息，并转换成电信号，经过SHT系列湿度传感器内置的A/D转换电路将模拟信号转换至数字信号输入到单片机中；单片机控制器由内部设定程序对湿度信号进行处理，由于土壤湿度优先级高于空气湿度，首先判断土壤中湿度是否大于设定阈值，如果高于阈值，说明土壤湿度饱和，不宜进行补水，此时电磁阀1、2均关闭；如果土壤湿度低于阈值，单片机继续判断空气湿度是否超过设定阈值，如果空气湿度高于设定阈值，单片机控制电磁阀1打开二电磁阀2关闭，使下层管路水流开启并经喷头喷洒至地表，增加土壤湿度，不改变空气湿度；如果空气湿度低于阈值，则控制电磁阀1、2均打开，上下两层管路和喷头工作，分别将水喷洒在空中和地表，改变空气湿度和土壤湿度。如此循环进行自动控制灌溉。
1.2.控制系统流程图
2. 系统详细设计
2.1.控制系统原理
该系统主要包括键盘输入模块、传感器模块、CPU、液晶显示模块和电磁阀执行模块。通过键盘输入设定的湿度阈值，把传感器采集的湿度值与设定阈值进行比较，如果大于设定阈值，则关闭电磁阀以减少水的流量；如果低于设定的阈值，则打开电磁阀进行灌溉，设定阈值与实际湿度值通过1602液晶显示屏进行实时显示，以方便进行调节。
利用PROTEUS软件进行了电路设计，经仿真试验后实现了功能。
2.2.系统湿度参数影响分析
土壤和大气是植物赖以生存的两大媒介，其水分状况的变化直接影响着植物的水分状况及其蒸腾作用的强弱。在我国农业生产实践中，土壤和大气干旱经常发生，其水分组合可大致概括为气湿土湿、气湿土干、气干土湿和气干土干4种类型。由于大气湿度难以控制，因而有关它与土壤水分的耦合机制研究不多[4]。
2.2.1.土壤的湿度能反应土壤的含水量。如果土壤湿度太低会导致根系吸水不足，根系一旦缺水会合成比较多的脱落酸，通过木质部运输到地上部分，进而诱导气孔关闭，气孔关闭可以降低蒸腾作用，减少水分的丧失。但是，气孔关闭了也会导致CO2不能进入气孔，这样会降低光合作用，导致植物生长受到抑制；
如果湿度太高，如果高到淹水状态，由于通气状况不好会导致根系产生无氧呼吸，进而影响根系生长、上部分生长。
2.2.2.空气湿度如果太低，会促进蒸腾作用的进行，会促进水分以气态的形式从叶片表面丧失；如果空气湿度太高，则会减少水分以气态的形式从叶片表面丧失。
植物受土壤和空气湿度两方面影响，土壤水分胁迫对植物生长的影响大过空气湿度，土壤水分亏缺是植物生长的显著限制因子[5]，而目前温室灌溉一般只考虑了土壤湿度的影响，忽略了空气湿度的影响。此系统预设土壤湿度阈值40%-50%，空气湿度阈值70%-80%，使用者可以通过键盘调整阈值。
2.3.主控单元
选择 ATMEL公司的AT89C51作为该系统的主控芯片，AT89C51是一种高效微控制器，该单片机具有操作简单，成本低廉，性价比高等优点。
2.4.传感器选型及其工作原理
选择Sensiron公司在世界上率先研制成功的SHT10型智能化温湿度传感器，测量相对温度的范围是0～100%，分辨力0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃，响应时间8s（tau63%），功耗 80μW（12位测量，1次/s），测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位；利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗；提供二線数字串行接口SCK和DATA，接口简单；SHT10的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，操作方便简单。
单片机和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA，其中SCK为时钟线，DATA为数据线。该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。在程序开始，单片机需要用一组"启动传输"时序表示数据传输的启动。如图2所示，当SCK时钟为高电平时，DATA翻转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK时钟为高电平时，DATA再次翻转为高电平。 图2 SCK和DATA
由于单片机通过二线串行数字接口访问湿度传感器SHT10，而访问协议是芯片生产商白定义的，所以需要用通用I/O口模拟该通信协议。我们选用Atmel公司的微处理器（AT89C51）。通过对I/O口寄存器的编程，该处理器的I/O口可以根据需要设置成输入、输出、高阻等状态。这为模拟该通信协议提供了条件。在软件实现过程中，通过宏定义来实现I/O口状态的改变。
#define set_data_0（ ） DDRB|=（1<
#define set_data_1 （ ） DDRB|=（1<
#define release_data_1（ ） DDRB&=～（1<
//上拉电阻，DATA总线被上拉为高电平
#define set_sck_output（ ） DDRB|=（1<
#define set_sck_1（ ） PORTB|=（1<
#define set_sck_0（ ） PORTB|=～（1<
通过以上宏定义，可以实现SCK和DATA总线的各种输入和输出状态。为了模拟该二线串行数字协议，还需要一个延时函数。WINAVR库函数提供了一个延时函数_delay_loop_2（unsigned char s），该延时函数运行用4个时钟周期，所以自定义延时1μs函数可以定义如下：
#define CPU_CRYSTAL 12.0000
//系统晶振（频率单位MHZ）
基于以上宏定义和延时函数，可以方便地使SCK和DATA总线输出持续一定时间的高电平或低电平，从而可以模拟温湿度传感器SHT10的读写协议。SHT10与AT89C51接线如图3所示。
2.5.电磁阀选型
2.5.1.基本工作原理：
国内外电磁阀，从动作方式上可分为三大类即：直动式、反冲式、先导式。我们选用的Hunter系列電磁阀，是喷灌系统中控制系统的执行器，其工作原理都是以先导原理为基础的。
2.5.2.具体选型依据：
2.5.2.1.根据管道参数选择电磁阀的通径规格（DN32），接口方式（螺纹连接）；
2.5.2.2.根据介质种类（自来水）选择电磁阀的阀体材质（普通），密封材料（普通），温度（常温）；
2.5.2.3.根据工作吋间长短或特殊工况需要来选择控制方式：由于开和关频繁切換或开启的时间短或开关的时间差不多，则选用常闭型，即在不通电的情况下，阀关闭；通电后，阀开启；
2.5.2.4.电源电压选择：优先选择常用的DC24V，便于移动、携带；
2.5.2.5.根据环境要求选择辅助功能：防水雾。
根据现有的试验条件和实验设施，我们接引自来水连接管道进行实验，自来水的水压约为2千克/平方厘米，即0.2MPa左右；电磁阀通径为32mm（1寸），工作压力0-1MPa，螺纹连接，电源用DC 24V，常闭。
3.结语
本文针对现有温室灌溉系统的缺陷，采用双湿度控制方法，通过AT89C51单片机控制，驱动电磁阀启闭，使温室自动灌溉系统实现土壤湿度和空气湿度双因素关联控制喷灌的功能，自动灌溉更为可靠合理，为精确合理的控制温室湿度提供一定的研究方向和基础。
参考文献：
[1] 钟新平. 基于单片机的温室大棚环境参数自动控制系统[D].南宁市：广西大学，2011.
[2] 薛楠. 设施农业温室大棚嵌入式控制器开发[D].沈阳市：沈阳工业大学，2013.
[3] 林叶锦，熊红斌. 浅析智能温湿度控制系统发展[J].黑龙江科技信息，2013，14：100.
[4] 李秧秧，黄占斌，黄少燕. 不同土壤大气湿度组合下玉米生长及水分光合特性反应[J].水土保持通报，1999，19（2）.
[5] 楼靓珺.大豆幼苗生长对土壤水分和空气相对湿度变化的生理生化响应[D].上海市：东华大学，2013.