蔬菜大棚卷簾門和換氣扇步進電機智能控制器的設計

摘要：為實現蔬菜大棚溫濕度的智能控制，以AT89S52單片機為控制核心，35BYJ46步進電機為控制對象，采用ULN2003A驅動芯片實現對步進電機的轉速及定位控制，根據實時采集的溫濕度數據，通過控制卷簾門的開度及換氣扇的轉速，從而調節蔬菜大棚的溫濕度。同時，通過M35模塊（GPRS）和紅外模塊可以實現控制系統的遠程控制和近程控制。

關鍵詞：蔬菜大棚；步進電機；AT89S52；溫濕度控制；智能控制器

中圖分類號：TP273；S126 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3681-04

近年來隨著種植業結構的調整與優化，蔬菜產業發展迅猛，特別是利用溫室大棚種植蔬菜已成為廣大農民致富的主導產業之一，如何對大棚蔬菜進行智能控制以提高經濟效益成為當前亟須解決的問題。影響大棚蔬菜經濟效益的主要因素是溫度和濕度，而這些都是通過卷簾門的打開程度進行控制的。為了達到最合適的溫度和濕度，就要對光照強度和空氣流通進行合理控制，要想達到最佳的控制狀態，關鍵是對步進電機的控制。因此設計了以單片機為核心的智能步進電機控制器。

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在正常運行的情況下，電機的轉速、反轉、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的[1]。當前用于步進電機的芯片有MCS-51系列、TMC428系列、DSP系列以及一些驅動芯片，這些芯片在控制原理上基本相同[2-4]。這里應用AT89S52單片機對大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進電機進行智能控制。

1 系統硬件設計

1.1 系統硬件結構圖

系統主要由單片機最小系統、M35模塊（GPRS）、DS1302定時模塊、SHT11溫濕度模塊、ULN2003A驅動模塊、TC9012紅外模塊以及步進電機等幾部分組成，其系統原理框圖如圖1。

系統采用AT89S52單片機作為控制芯片，應用ULN2003A實現對步進電機的控制。ULN2003A（國產型號為5G1413）是七路達林頓驅動器陣列，為個集電極開路（OC）輸出的反向器，最大動電流可達到500 mA。選用四相八拍步進電機35BYJ46作為控制對象。GPRS模塊使用M35，利用上位機軟件可以實現換氣扇轉速和卷簾門開閉遠程無線控制。同時還可利用紅外模塊實現定時、溫濕度設定、步進電機的開始、暫停、不同速度的運行和正反轉運行等近程控制，從而可實行工作方式的控制，顯示器實現實時顯示當前的轉動速度、卷簾門處在狀態、設定時間、設定溫度、實時時間，從而實現了步進電機控制的可視化，同時也實現了控制的準確性。顯示電路采用74HC573來實現數據鎖存。

1.2 ULN2003A驅動的功能特點

在大型儀器儀表系統中，經常要用到伺服電機、步進電機、各種電磁閥、泵等驅動電壓高且功率較大的器件。ULN2000、ULN2800高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品就屬于這類可控大功率器件，這類器件功能強、應用范圍廣[5]。ULN2003A由7對NPN達林頓管組成，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉換感應負載。單個達林頓對的集電極電流是500 mA，達林頓管并聯可以承受更大的電流。ULN2003A芯片的每一對達林頓都串聯一個2.7 kΩ的基極電阻，也可以不用限流電阻而直接由AT89S52的P2口驅動。在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。信號脈沖通過P2口送出，可經4.7 kΩ上拉電阻接到ULN2003A芯片的輸入端口。P2口分別對應ULN2003A的1C、2C、3C、4C輸出端。在使用步進電機對卷簾門控制時，對P2.0～P2.3口賦予不同的值來送出電機正轉或反轉的脈沖信號；在使用步進電機對換氣扇進行轉速控制時，對延時函數進行調整來控制P2.4～P2.7口輸出值的頻率來調節步進電機轉動速度。表1和表2分別為步進電機正反轉時引腳輸入值。

1.3 SHT11溫濕度模塊

溫濕度的測量在倉儲管理、生產制造、氣象觀測、科學研究以及日常生活中被廣泛應用，傳統的模擬式濕度傳感器一般都要設計信號調理電路并需要經過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡如人意。SHT11是瑞士Sensirion公司生產的具有I2C總線接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術結合起來，從而發揮出它們強大的優勢互補作用。

該傳感器采用獨特的CMOSens TM技術，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換的特點。溫濕度采集電路如圖2，芯片供電電壓3.3 V，在電源引腳VDD和GND之間安裝一個100 nF的電容，起到去耦濾波的作用，串行接口是兩線式的結構，串行時鐘輸入SCK與單片機的P3.7相連，用于單片機與SHT11之間的通訊同步；串行數據DATA是一個三態門結構，與單片機的P3.6相連，用于數據的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿改變狀態，并僅在SCK上升沿有效。數據傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA需要保持穩定，為了避免信號沖突，再安裝一個10 kΩ上拉電阻R1，使P3.6口輸出低電平。

1.4 硬件電路原理圖

根據控制系統原理框圖及對蔬菜大棚的控制要求，得到如圖3所示的電路原理圖，通過SHT11溫濕度模塊、DS1302定時模塊、ULN2003A驅動模塊和TC9012紅外模塊實現對大棚溫濕度的控制。其中ULN2003A為步進電機驅動芯片，第一片ULN2003A驅動步進電機1對卷簾門進行控制，以控制卷簾門打開的程度；第二片ULN2003A驅動步進電機2，實現對換氣扇轉速的控制，可控制換氣扇的轉速。定時模塊DS1302是為了當早晨和晚上時控制系統對兩個步進電機進行控制，通過定時模塊DS1302來定時打開和關閉卷簾門和換氣扇。而SHT11模塊對大棚中溫濕度進行實時測量，當需要調整大棚里的溫濕度時，單片機就會對相關的步進電機進行控制，控制卷簾門的打開程度和換氣扇的轉速，從而來調節大棚中溫濕度。紅外模塊是一個進行人機直接操作的媒介，通過紅外搖控器可以對定時時間、設定溫濕度進行調整從而可以更好地滿足大棚蔬菜的生長條件。

此外，硬件系統中還加入了GPRS模塊M35，實現了對大棚中步進電機的遠程控制，可以通過上位機軟件或者是手機信息等方式，控制大棚中步進電機的工作狀態；同時單片機在進行動作后還可以通過M35模塊把調節后的一些信息傳給上位機或者是手機。

2 系統軟件設計

大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進電機智能控制器的工作方式有3種：紅外搖控控制、根據條件自動控制、GPRS遠程控制。通常工作在根據條件自動控制方式下，溫濕度變化比較細微，因此在這里對相應的步進電機的控制也是比較細微的，可以通過微處理器發送一定頻率的脈沖，對卷簾門步進電機轉動角度進行精確控制，也可以通過微處理器發送改變后的頻率的脈沖，來對換氣扇的步進電機進行轉速控制。因為步進電機轉動的角度是靠脈沖控制的，而轉動速度是靠頻率控制的。

在大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進電機智能控制系統中單片機主要作用是處理定時、接收紅外信號、采集外部溫濕度、產生脈沖序列、驅動顯示電路還有判斷執行條件的功能，它們分別是通過單片機AT89S52的P3口、P2口、P0口實現的。對于不同的脈沖序列，卷簾門步進電機轉動角度不同，從而使卷簾門的打開和關閉程度不同；而不同的頻率脈沖又使換氣扇的步進電機轉動速度不同，從而達到調速目的。在軟件設計中采用多種條件并列進行判斷的形式，這樣可以使各個執行條件之間不會產生沖突，并且可以使軟件執行起來更加穩定。在這個設計中脈沖的產生是依靠中斷，為了不和紅外接收及發射中斷產生沖突，系統采用先進行紅外中斷掃描判斷，過后采用中斷屏蔽把紅外中斷關閉，然后進行脈沖中斷，當執行完這些以后，再打開紅外中斷。因為在這個智能系統中條件比較多，要先對各個條件進行編號，在執行過程中，如果多個條件同時要執行時，系統會對其進行一個前期優先級判斷，對優先級高的進行執行，數字大優先級高（表3）。

在步進電機程序設計時，采用延時函數來輸出控制脈沖，因為使用延時函數可能會對數碼管顯示電路造成影響，因此在這里可以用數碼管掃描來代替延時函數，具體程序為：

3 小結

以AT89S52單片機為控制核心，35BYJ46步進電機為控制對象，根據實時采集的溫濕度數據，通過控制卷簾門的開度及換氣扇的轉速，實時調節蔬菜大棚的溫濕度。采用多種條件并行判斷的方法控制步進電動機的正反轉和轉速，通過M35模塊（GPRS）和紅外模塊實現控制系統的遠程控制和近程控制。

基于AT89S52單片機的步進電機正反轉以及轉速控制的設計，具有控制靈活、方便可靠等一系列優點，在以后的一些智能系統中應用會更加廣闊。

參考文獻：

[1] 坂本正文. 步進電機應用技術[M]. 王自強，譯. 北京：科學出版社，2010.

[2] 李 昕，曲夢可，榮 譽. 基于MSP430單片機的模糊溫濕度控制器的設計[J]. 傳感技術學報，2007，20（4）：805-808.

[3] 郭清華. 蔬菜大棚智能溫度控制系統應用研究[J]. 安徽農業科學，2008，36（22）：4487-4488.

[4] 趙鴻圖. 基于單片機的溫度控制系統的設計與實現[J]. 微計算機信息，2008，24（9）：54-56

[5] 何 沖，王淑紅，侯勝偉，等. 基于AT89C52單片機的步進電機控制系統研究[J]. 電氣技術，2012（4）：5-8.