基于單片機的封閉空間溫、濕度控制系統

新疆大學電氣工程學院 梁 露 文 龍 江 川 尹純亞 何 山 楊建庭

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基于單片機的封閉空間溫、濕度控制系統

新疆大學電氣工程學院 梁 露 文 龍 江 川 尹純亞 何 山 楊建庭

【摘要】封閉空間的溫、濕度自動控制是影響工農業發展的重要因素。以蔬菜大棚為例，研究把AT89C51單片機作為主控制器，以溫度傳感器DS18B20和集成濕度傳感器IH3605為主要器件的封閉空間溫、濕度控制系統。該設計可為生物生長提供合適的環境，滿足作物高產的要求。設計充分考慮了性價比因素，選用了價低、性能穩定的器件，最終通過單片機實現了對空間溫、濕度的控制要求。

【關鍵詞】AT89C51單片機；傳感器；溫、濕度控制；輸出顯示

1 引言

人們對生活品質的要求越來越高，培植性狀優良的作物，成為研究的熱點。食用菌、蔬菜花卉、生物實驗室和畜禽棚圈等場所，對溫、濕度要求頗為嚴格，基于單片機的封閉空間溫、濕度控制系統可較好地解決此類問題。目前常規的溫、濕度控制設計，對溫濕度測量，較多采用熱敏電阻和濕敏電容（屬傳統的模擬式傳感器），還需設計信號調制電路，并經由較復雜的校準和標定，測量精度難保證，且成本較高。本文設計的溫、濕度控制系統，可給生物提供穩定適宜的溫、濕度環境，滿足生產的需求。系統充分考慮了經濟性和穩定性，最終選用C51單片機來實現對溫、濕度的控制。

大量科學實驗和實踐過程證明,環境指標的調控對作物增產的作用顯著，只有在適宜的生長環境下作物才能充分發揮高產潛力。本系統所要完成的任務：（1）通過傳感器實時、準確地測量和顯示環境溫、濕度值；（2）在溫度不滿足要求時進行相應的調節和控制；（3）通過采集溫、濕度值，準確判斷設定值與采樣值間的差別，及時啟動報警裝置。

2 系統設計要求

2.1 系統的功能要求

系統實現的功能：（1）溫室大棚溫、濕度指標的實時采集，由單片機對采集的溫濕度值進行循環檢測、數據處理、顯示。（2）實現溫濕度越限及時報警，并啟動控制系統調節溫度。以大棚辣椒為例，生長溫度最高為350C，本系統要求當溫度高于260C時，電機轉動排風降溫，溫度高于350C，喇叭實時報警，電機全速轉動排風，控制溫度；濕度低于65%時，實時報警，打開增濕裝置（水幕），實現濕度控制。

2.2 系統的組成

以單片機為核心器件，溫濕度傳感器為測量元件，采用溫濕度測量、通信和控制技術，組成智能溫濕度測控系統（如圖1所示），包括：溫濕度測量電路，顯示電路，報警電路，溫濕度控制電路。選用的主要元件：單片機、溫度傳感器、集成濕度傳感器、降溫裝置（風扇）、升溫裝置（加熱器）、増濕裝置（水幕）、報警裝置（蜂鳴器）等。

圖1　溫度控制系統組成

2.3 系統的工作原理

系統以單片機AT89C51為核心，采用C語言編程，核心是溫、濕度控制，由單片機AT89C51、風扇、加濕加熱設備、報警裝置組成。AT89C51為中央控制器，負責中央運算和控制，協調系統各模塊工作。

溫度模塊：由DS18B20溫度傳感器采集數據，AT89C51單片機進行數據處理，數碼管顯示溫度，延時程序控制步進電機轉速。當室溫低于26℃時，電機和喇叭均不工作；當室溫介于26℃和35℃之間時，溫度傳感器將產生的數字信號傳輸給單片機，單片機通過I/O端口輸出信號給數碼管顯示，同時驅動變頻器。變頻器控制電機開始運轉；當室溫高于35℃時，單片機經過判斷啟動蜂鳴器報警，控制變頻器加大輸出頻率，使電機加速運轉，實現加速降溫的目的。當室溫低于作物適宜生長下限時，溫度傳感器還可經單片機啟動加熱裝置，對室溫進行提升。

濕度模塊：當濕度小于65%時，IH3605集成濕度傳感器從I/O端口將信號傳給單片機，由延時程序控制增濕裝置工作，增加濕度，同時控制蜂鳴器工作發出警報；當濕度增加為80%時，傳感器將信號傳給單片機，控制增濕裝置停止工作。

圖3　仿真連接圖

3 系統的硬件組成

3.1 AT89C51單片機

單片機AT89C51系統帶有4K字節閃存器，128字節內部RAM，32個I/O口線，2個16位定時/計數器，1個全雙工串行通信口，1個5向量兩級中斷，時鐘電路及片內振蕩器，具有較低的電壓、高性能的8通道微處理系統的優點。閃存可擦除，對輸入系統的數據，采用高精度的工業化存儲系統，完成單片機數據的系統嵌入。

3.2 測溫控制電路

DSl8B20傳感器是支持“單總線”接口方式的數字式溫度傳感器，可直接讀取被測環境的溫度值。它有TO-92、TSOC、SOIC多種封裝形式，可適應不同的環境需求。其溫度測量范圍是-55—1250C，精度為0.50C，可通過對封閉空間溫度總線的數字化控制，提高系統抗干擾能力。

傳統系統通過將模擬信號遠距離采樣并A/D轉換測溫，須采取措施解決由長線傳輸、多點測量切換及放大電路零漂等造成的誤差補償，才可獲得較高測溫精度。DS18B20數字溫度傳感器測量溫度，全數字化的輸出信號，便于單片機處理及控制，省去了傳統測溫A/D轉換等許多外圍電路。

DS18B20集成溫度控制電路封裝如圖2，GND為接地端，DQ是數據的輸入和輸出引腳，可采用與DQ相連的方式為外界供電；VD為可選引腳，當電路工作在寄生電源狀態時，須接地。讀取或寫入DS18B20僅需一根總線，需外接一個約4.7的上拉電阻，當總線閑置時，其狀態為高電平。DS18B20是溫度-電流傳感器，抗干擾能力較強。

圖2　DS18B20控制電路

溫度控制系統還包括風扇和加熱裝置。溫度傳感器將測量到的溫度信號轉變為數字信號后，經變頻器變頻，可滿足電機和加熱裝置的啟動要求，控制溫度。

3.3 濕度的測量及控制電路

系統采用IH3605集成濕度傳感器，內部集成了調理信號電路，多層的獨特結構可抵抗塵埃、濕氣、油、臟物和其他物質的侵蝕，具有線性度好、精度高、輸出電壓范圍大及互換性強等優點，測濕系統無需信號放大和調整，可直接進行A/D轉換。

濕度控制系統除濕度傳感器外，還包括水幕等設備。

4 實驗仿真與實物調試

4.1 軟件仿真

圖3為單片機與溫度傳感器DS18B20、顯示器等的連接圖。傳感器通過變頻器控制電機轉動，限于篇幅，此處只給出溫度控制電路。

通過軟件仿真，證明設計可按要求控制封閉空間溫度，實驗調試驗證了系統的正確性。

4.2 實物調試

在軟件的調試過程中，遇到了很多問題，如數碼管有共陰極和共陽極之分，不同類型的數碼管，電路圖連線不同，連線錯誤將導致無法顯示溫度值；步進電機要由ULN2003A晶體管驅動，不能直接由P1驅動；使用Keil C51導出文件，需要導出.hex文件再下載到單片機內，才能驅動單片機運行所編程序。

經不斷改進，調試結果如圖4和圖5所示，電機運行狀況符合程序要求：在26℃以下，電機和喇叭不工作，溫度顯示隨室溫同步變化；室溫在26℃～35℃之間時，電機開始工作，喇叭不工作；室溫在35℃以上時，步進電機轉速加快，喇叭開始工作。

5 程序設計

由C語言編寫系統軟件控制程序，易于模塊化，生成的代碼質量高、可讀性好、可移植性強。

5.1 溫度程序總流程

圖6為溫度程序總體流程圖。

圖4　溫度顯示調試

圖5　電路調試

圖6　溫度程序總流程圖

單片機初始化，調用溫度模塊進行數據采集，經轉換程序，將十六進制數轉換成十進制數，查表輸出數碼管顯示，根據判斷語句調整電機轉速，控制喇叭運行。

運用主函數調用各個模塊，用get_temperature命令調用溫度傳感器，調用數碼管顯示程序display(temp)進行實時室溫顯示，if判斷語句對檢測的室溫進行大小對比，根據返回值確定是否驅動電機和蜂鳴器。

void main()

{

ds_change();

......

......

{get_temperature();

display(temp);

......

......

if(get_temperature()>260&&get_temperature()<350)

......

......

P1=table2[i];

......

......

beep=1;

}}

濕度控制系統同理。

5.2 數碼管顯示程序

數碼管通電，延時等待，DS18b20采集的數據在單片機進行轉換，查表輸入相應地址數據，延時等待，輸入顯示數據。

數碼管由八段組成（A,B,C,D,E,F,G,DP），即八個發光二極管，因發光二極管的導通方向一定（導通電壓一般取1.7V），所以八個發光二極管的公共端分兩種：分別接地的共陰極數碼管或接+5V的共陽極數碼管，其中每段均有截止和導通發光兩種狀態，分別對應0、1兩種狀態。本系統選用共陰極數碼管。即位選為低電平（0），選中數碼管。

5.3 步進電機、喇叭驅動程序設計

步進電機驅動由單片機進行調用，P1口接步進電機，采用的為兩相四線步進電機，延時程序delay(n)控制電機轉速。

void delay(int z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=115;y>0;y--)

......

...... }

在不同溫度時，通過控制delay(n)的n值來進行轉速控制。

單片機對喇叭的驅動，在if語句進行判斷后，滿足條件，則單片機驅動P2^3口，輸出高電平，驅動喇叭工作。

6 結束語

通過基于AT89C51單片機的控制系統，對溫、濕度指標進行監測和調控，全部過程由單片機系統自動完成,能對作物所需的特定溫、濕度進行調控，滿足生長需要。設計具有較大的靈活性，可通過軟件設置修改參數，達到對各溫度段的控制，以滿足不同生物的生長要求，適用于畜禽圈舍、食用菌栽培、蔬菜花卉生產和微生物培養等場合。系統的控制精度高、成本低，也為下一步在此基礎上開發功能更強大和復雜的系統,提供了極大的拓展空間。

參考文獻

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[6]李朝青,劉艷玲.單片機原理及接口技術[M].北京航空航天大學出版社,2013.

梁露（1993—），女，遼寧朝陽人，大學本科，現就讀于新疆大學電氣工程學院。

何山（1974—），江蘇金壇人，博士，副教授，主要研究方向：潔凈能源發電技術。

通訊作者：

作者簡介：

基金項目：自治區級大學生創新創業訓練計劃項目（201510755214）、高等學校博士學科點專項科研基金聯合資助項目（20136501120003）、新疆大學電機學精品課程建設項目資助。