帶有太陽能充電功能的蔬菜大棚溫度檢測裝置研究

朱家麟 鄭祖嶺 馮泉水 徐穎秦

【摘要】基于C51單片機和PT100溫度檢測技術，設計了一種帶有太陽能充電功能的大棚溫度自動檢測裝置。該裝置由太陽能電池板、A/D轉換器、蓄電池、單片機、溫度檢測電路等模塊組成。通過PT100熱電阻橋式測溫電路，對大棚溫度進行實時監測;利用單片機控制技術實現太陽能電池板和蓄電池之間的充放電管理;利用八位點陣終端顯示實時溫度值。通過實驗驗證裝置性能穩定，運行良好。

【關鍵詞】太陽能;單片機;PT100熱電阻;溫度檢測。

Vegetable greenhouse temperature detection device with solar charging function

Jialin Zhu，Zuling Zheng，Quanshui Feng，Yingqin Xu

（School of IoT Jiangnan University，Jiangsu Wuxi，214122，China）

Abstract：the design of the automatic detection device with a solar charging function of greenhouse temperature bases on C51 MCU and PT100 temperature detection technology.The device comprises by a solar panel，battery，A/D converter，microcontroller，temperature detection circuit module.Through the PT100 thermal resistance bridge measurement circuit，the automatic detection device monitor greenhouse temperature in real time;using single-chip microcomputer control technology to realize the management of charging and discharging between the solar panels and batteries;the eight dot matrix display real-time temperature.The device runs stably and well in the experiment.

Keywords：Solar energy;Microcontroller;PT100;Temperature detection.

1.引言

溫度是影響蔬菜生長的主要因素之一。每一種蔬菜的生長對溫度都有一定的要求，在適宜溫度范圍內，蔬菜生長、發育正常;超過其所能承受的最高和最低溫度臨界值后，蔬菜的生長就會受到嚴重影響。因此為了確保植物的最佳生長溫度，需要對大棚溫度進行實時檢測。本文基于單片機和傳感器等技術，設計了一套帶有太陽能充電功能的大棚溫度自動檢測裝置，既能實時檢測蔬菜大棚溫度，同時利用太陽能供電，方便又環保。

圖1 裝置組成原理圖

2.設計原理

帶有太陽能充電功能的蔬菜大棚溫度檢測裝置是以AT89C51單片機[1]為控制中心，軟硬件相結合的一種自動裝置，由太陽能電池板、A/D轉換器、蓄電池、單片機、溫度檢測電路、放大和顯示電路等7大模塊組成，組成原理如圖1所示。利用分壓電路分別對蓄電池和太陽能電池板的電壓進行采樣，經過A/D轉換后輸入到單片機中處理;單片機輸出信號經光耦驅動電路控制充放電路的開啟與關閉。當蓄電池電壓達到最大值14.5V時，太陽能電池停止充電，當到達最低值8.6V時，太陽能電池開始充電;采用溫度傳感器PT100檢測大棚溫度;采用串行模數轉換器ADC0809進行A/D轉換;由單片機控制LED八段數碼管對大棚溫度值進行實時顯示。

3.電路原理與功能實現

3.1 電壓采樣電路

電壓采集電路采用兩個電阻串聯組成的分壓電路，其電阻值比例為4：1。使用時，將串聯電路兩端并聯在需要檢測的電路兩端，則采集電壓為U0=Ux/5，Ux為被測電壓。

3.2 A/D轉換電路

圖2 A/D轉換電路

采用ADC0809對采樣電壓進行模數轉換[2]，電路如圖2所示。該芯片采用脈沖啟動方式，只要給其控制端加一個符合要求的脈沖信號即可啟動芯片工作。正常工作時，單片機ALE端子發出脈沖信號，經74LS74四分頻送入ADC0809的CLK端子啟動其工作，同時啟動緩存器74LS373;單片機P0端發送信號經緩存器74LS373送人ADC0809的3個ADD端口，使ADC0809的IN0端子選通，溫度信號輸入;EOC為轉換標志信號，EOC為低電平時，表明轉換正在進行;EOC發出高電平是，表明轉換結束;轉換后的數據由ADC0809的D0-D7端子經CD4001或非門送入單片機P0口讀取。

3.3 充放電電路

充放電電路由防反充二極管D13、濾波電容C7、續流二極管D1、MOSFET驅動管Q3和Q4等構成。陰天或晚上時，太陽能電池電壓可能會低于蓄電池電壓，此時D13就可以阻止蓄電池對太陽能電池反充電，確保了蓄電池電量不浪費。控制開關Q3的通斷，可以控制太陽能電池板對蓄電池充電;控制開關Q4的通斷，可以控制蓄電池對溫度檢測電路等負載供電。電路工作時，單片機在A、B端口加正向電壓，光耦管導通;反之，光耦管斷開。U11與U12分別控制Q3和Q4通斷;C端子連接ADC0809的IN0，將采集的電壓信號轉換為數字信號[3]。

3.4 溫度信號的獲取與放大

由于PT100溫度傳感器具有穩定性好、準確度高、耐高壓、測溫范圍大等優點，適合蔬菜大棚復雜環境的溫度檢測[4]，因此設計中選擇PT100獲取溫度信號。實現電路如圖4所示。當大棚內溫度變化時，熱電阻橋式測溫電路將其檢測出并轉換為電壓信號，經電壓放大器LM324放大后進行A/D轉換，然后送入單片機管理和顯示。

圖3 充放電電路

3.5 LED顯示電路

LED顯示電路在單片機應用系統中可分為靜態顯示和動態顯示兩種方式，本設計采用靜態顯示。顯示器由3個LED數碼管組成，輸入有11個信號，分別是8個段選信號和3個位選信號INT1、RXD、TXD。當其中1個位選信號為高電平時，選通對應的數碼管，接收來自單片機P1.0～P1.7端口的高低電平并顯示對應的數字。單片機控制三個數碼管輪流選通，分別顯示溫度的十位、個位和十分位。

圖4 溫度信號采集與放大電路

4.結論

帶有太陽能充電功能的蔬菜大棚溫度檢測裝置，主要是利用太陽能作為動力能源，以AT89C51單片機為控制中心，實現蔬菜大棚溫度的實時自動監測與顯示。經實驗分析驗證，把構建的電路放在各種環境下進行測試，檢測的結果與環境溫度基本匹配，可以達到預期的性能要求，且運行可靠。本裝置合理利用了太陽能，提升了裝置性價比，操作簡單方便，易于實現和管理，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]何立民.單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1994.

[2]元增民.AT89S51單片機與ADC0809模數轉換器的三種典型連接[J].長沙大學學報，2005，19（5）.

[3]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4]張瑜，張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統設計[J].傳感技術學報，2010，23（3）.

基金項目：2013年江蘇省大學生實踐創新訓練計劃立項項目。

作者簡介：

朱家麟（1993—），男，江蘇鹽城人，大學本科，現就讀于江南大學物聯網工程學院，主要從事自動控制與監測技術研究。

通信作者：徐穎秦（1965—），女，江南大學物聯網工程學院副教授，主要從事自動控制技術研究。