蔬菜大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

淡海英

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710300）

改革開放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，使得農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越受到重視，特別是蔬菜大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。蔬菜大棚是植物栽培生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，溫度是衡量蔬菜大棚的最重要的指標(biāo)，它直接影響到栽培作物的的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，為了能給作物提供一個(gè)合適的生長(zhǎng)環(huán)境，首要問(wèn)題是加強(qiáng)溫室內(nèi)的溫度的監(jiān)測(cè)。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)的科學(xué)化和研究性，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展，解決我國(guó)農(nóng)民普遍收入低的問(wèn)題，縮小城鄉(xiāng)差距，推動(dòng)全面小康社會(huì)，迫切需要價(jià)格適中的、自動(dòng)化程度高的農(nóng)業(yè)設(shè)備。由于單片機(jī)及各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得成本低性能穩(wěn)定的這種要求變?yōu)榭赡堋１驹O(shè)計(jì)是針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度上下限設(shè)定、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、顯示和報(bào)警等多功能的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)還可以推廣到其他領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)模塊

蔬菜大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)可以劃分為兩個(gè)部分，一是PC端管理模塊，二是溫度控制模塊。一個(gè)管理系統(tǒng)可以管理多個(gè)溫度控制設(shè)備，它們之間通過(guò)RS-485通信，也就是通過(guò)串口通信。溫度控制模塊由9個(gè)部分組成，分別是：電源、單片機(jī)、顯示設(shè)備、溫度傳感器、按鍵、加熱控制電路、降溫控制電路、聲光報(bào)警電路、通信電路。溫度控制設(shè)備模塊框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制設(shè)備模塊框圖Fig.1 Temperature control device module block diagram

有了溫度控制設(shè)備模塊圖 ，就可以設(shè)計(jì)電路。選擇繪制電路圖軟件Proteus進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2至圖6所示的溫度控制電路原理圖。

2 電路分析

1）單片機(jī)

選擇AT89C51做為主控芯片，也是一直在用的代表性51芯片。控制引腳 P1.0～P1.5主要用來(lái)控制 24C02C、DS1302、DS18B20；P1.6、P1.7、P2.0、P3.6、P3.7 用 來(lái) 控 制 顯 示電路；P2.2～P2.7用來(lái)控制報(bào)警、報(bào)警指示燈、降溫電路、加熱電路；P3.0、P3.1做串口通信；P3.2、P3.3用來(lái)做按鍵控制 （外部中斷實(shí)現(xiàn)）。這里省略了時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，可以參考其他同類資料。

2）顯示電路

圖2 主控電路Fig.2 The main control circuit

圖3 顯示電路Fig.3 Display circuit

圖4 加熱、散熱電路Fig.4 Heating、cooling circuit

本系統(tǒng)的顯示電路用的是128×64液晶---AMPIRE128×64，其驅(qū)動(dòng)芯片是KS0180，除了顯示液晶，還用到RESPACK－8（RP1）、滑動(dòng)變阻 POT－LIN（RV1）。液晶的數(shù)據(jù)端口連接 AT89C51 的 P0 口，CS1、CS2 連接 P1.6、P1.7 引腳，EN連接 P2.0引腳，RW、RS連接 P3.6、P3.7引腳。AMPIRE128×64液晶的引腳定義如表1所示。

3）加熱和降溫電路

圖5 按鍵、聲光報(bào)警電路Fig.5 Button、sound and light alarm circuit

圖6 串口控制電路Fig.6 Serial port control circuit

表1 AMPIRE128×64液晶的引腳定義Tab.1 AMPIRE128 x 64 LCD pin definition

加熱模塊用高壓燈泡（LAMP）來(lái)表示，降溫風(fēng)扇用電動(dòng)機(jī)（MOTOR）來(lái)表示。由于加熱源和風(fēng)扇都是強(qiáng)電供電，這里用繼電器（RELAY）來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的控制，同時(shí)用到三極管（NPN）、電阻（RES）、二極管（IN4001）等器件。 兩個(gè)點(diǎn)路分別由單片機(jī)的P2.6、P2.7引腳控制。

4）串口、DS1302、DS18B20、24C02 電路

串口控制電路中用到了 4種串行電路，I2C（24C02C）、SPI（DS1302）、 單 總 線 （DS18B20）、 串 口 （RS－232）。 其 中24C02C的I2C電路用于通信，硬件上主要是加一個(gè)晶振（CRYSTAL），設(shè)定其頻率為 32768Hz，一個(gè)備用電池（CELL）；DS18B20中用到上拉電阻 （RES），設(shè)定為4.7K，串口電路（COMPIM）通過(guò)設(shè)定將其連接到虛擬串口上。

5）按鍵、聲光報(bào)警電路

本系統(tǒng)只用了兩個(gè)按鍵，一個(gè)用來(lái)控制風(fēng)扇的開關(guān)、一個(gè)用來(lái)控制加熱電路的開關(guān)。指示燈用來(lái)表示當(dāng)前狀態(tài)，溫度正常時(shí)綠燈亮，溫度過(guò)低，超低溫指示燈點(diǎn)亮，溫度過(guò)高，超高溫指示燈點(diǎn)亮。報(bào)警電路和蜂鳴器電路有區(qū)別，為了使其發(fā)音較大，用一個(gè)三極管（NPN）驅(qū)動(dòng)，而且使用的也不是蜂鳴器，而是喇叭SPEAKER。

6）DS18B20介紹

①DS18B20的特性

DS18B20[8-9]是可組網(wǎng)單總線數(shù)字溫度傳感器芯片。其具有耐磨耐碰、體積小、使用方便、封裝形式多等特點(diǎn)，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1K8B20的雙向通信，在使用中不需要任何外圍元件，可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0～+5。 5 V，測(cè)溫范圍是-55～+125 ℃，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式，用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上、下限，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。

②DS18B20的引腳定義

GND:接地，VQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，VDD 引腳:可選+5 V引腳，NC：空引腳。

③兩種供電方式

DS18B20有兩種供電方式，一種是總線供電方式，該模式允許DS18B20工作于無(wú)外部電源需求狀態(tài)，寄生電源在進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫是非常有用的。溫度高于100℃時(shí)，不推薦使用寄生電源，因?yàn)镈S18B20在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通信可能無(wú)法進(jìn)行。在類似這種溫度的情況下，強(qiáng)烈推薦使用DS18B20的VDD引腳。對(duì)DS18B20供電的另一種傳統(tǒng)辦法是從VDD引腳接入一個(gè)外部電源。這樣做的好處是單總線上不需要強(qiáng)上拉，而且總線不用在溫度轉(zhuǎn)換期間一直保持高電平。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)上的程序設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在存儲(chǔ)器24C02C中保存我們?cè)O(shè)定的溫度上/下限值；通過(guò)DS18B20采集當(dāng)前溫度，當(dāng)采集溫度超過(guò)上限值時(shí)，就控制風(fēng)機(jī)排風(fēng)降溫，當(dāng)采集溫度低于下限值時(shí)，就控制加熱設(shè)備加熱升溫；通過(guò)時(shí)鐘芯片DS1302讀取日期、時(shí)鐘等信息；通過(guò)液晶顯示屏顯示當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前溫度、設(shè)定的溫度上/下限值、當(dāng)前狀態(tài)等信息；在讀取當(dāng)當(dāng)前溫度異常時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)，提示用戶溫度異常；在系統(tǒng)設(shè)定為手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)按鍵可以控制風(fēng)機(jī)排風(fēng)、加熱系統(tǒng)加熱；通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)PC端的遠(yuǎn)程管理，在PC端可以設(shè)定當(dāng)前時(shí)間；溫度上/下限、操作模式等。

設(shè)計(jì)的思路是這樣的：由易到難。從簡(jiǎn)單的寫起，把簡(jiǎn)單的都驗(yàn)證了，有了成就感，再去攻克復(fù)雜的。設(shè)計(jì)的順序是：驗(yàn)證風(fēng)機(jī)、加熱燈、指示燈的控制；控制報(bào)警器響起來(lái)（定時(shí)器中斷控制）；響應(yīng)按鍵的輸入（外部中斷INT0、INT1控制）；讓液晶顯示我們要的東西；加入24C02C、DS1302這兩個(gè)我們用過(guò)的東西；搞定DS18B20這個(gè)硬骨頭；設(shè)計(jì)與PC的通信內(nèi)容UART。本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 The main program flow chart

在硬件設(shè)計(jì)上，我們?cè)O(shè)計(jì)的按鍵很少，因而在軟件遠(yuǎn)程管理上做的工作就多些：讀取當(dāng)前溫度，讀取、設(shè)定設(shè)計(jì)，讀取，設(shè)定溫度的上/下限，打開、關(guān)閉風(fēng)扇，打開、關(guān)閉加熱燈等。

在主程序中要注意，從啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換到讀取溫度的時(shí)間間隔應(yīng)大于750 ms，否則會(huì)讀出85℃；其次就是對(duì)負(fù)溫度值的處理、顯示、比較等。另外要用到幾個(gè)中斷：定時(shí)器0中斷，用來(lái)報(bào)警；外部中斷0、外部中斷1，用來(lái)響應(yīng)按鍵；串口中斷，用來(lái)處理串口數(shù)據(jù)的收/發(fā)。因?yàn)榭梢允謩?dòng)、遠(yuǎn)程、自控控制風(fēng)機(jī)和加熱設(shè)備，而言要處理三者之間的邏輯關(guān)系。本系統(tǒng)中處理了遠(yuǎn)程和自動(dòng)的邏輯關(guān)系，但沒(méi)有處理手動(dòng)和自動(dòng)的邏輯關(guān)系。通過(guò)仿真會(huì)發(fā)現(xiàn)，目前的系統(tǒng)是遠(yuǎn)程管理優(yōu)先。也就是在正常溫度范圍內(nèi)可以通過(guò)PC端開啟風(fēng)扇、加熱設(shè)備，但在正常溫度范圍內(nèi)手動(dòng)開發(fā)風(fēng)扇或加熱設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將其關(guān)閉。如果想使用手動(dòng)優(yōu)先，可以考慮如何修改這部分程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)專門為蔬菜大棚溫度測(cè)量控制而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到監(jiān)控要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到性價(jià)比，選用價(jià)格低、性能穩(wěn)定的元器件，同時(shí)此系統(tǒng)在其他領(lǐng)域還具有一定的推廣價(jià)值。

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