略談以單片機(jī)為核心的溫室智能控制系統(tǒng)

摘 "要：本設(shè)計(jì)是以溫室內(nèi)的溫度和濕度作為被控對(duì)象，采用單片機(jī)AT89C51作為系統(tǒng)的控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)人工設(shè)定，自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)顯示等功能。設(shè)計(jì)采用溫度傳感器LM35和濕度傳感器HM1500分別對(duì)溫室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量，通過單片機(jī)AT89C51分別與溫度傳感器LM35和濕度傳感器HM1500通訊后，獲得實(shí)時(shí)溫度值和濕度值，并利用單片機(jī)內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)被控量的控制。對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行人工設(shè)定，并在LED上顯示其實(shí)時(shí)值。若當(dāng)前測(cè)量值不在設(shè)置范圍值之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)則通過繼電器的導(dǎo)通來(lái)控制相應(yīng)裝置工作，最后使被控對(duì)象保持在設(shè)定范圍值內(nèi)。因?yàn)槔^電器可以使強(qiáng)電與弱電隔離，所以系統(tǒng)的安全性能提高。

關(guān)鍵詞：溫室;溫度;濕度;單片機(jī);控制;

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-11-00-01

溫室是通過人為的控制與管理，創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件。根據(jù)作物對(duì)各個(gè)環(huán)境要素相互協(xié)調(diào)的關(guān)系，確定適合作物生長(zhǎng)的條件范圍，當(dāng)某一要素發(fā)生變化，不在此范圍內(nèi)時(shí)，一些裝置就要對(duì)該要素做出相應(yīng)地調(diào)整，最終將要素恢復(fù)到所確定的范圍內(nèi)。這樣可以提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，所以現(xiàn)在溫室技術(shù)被廣泛普及。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，溫室技術(shù)的發(fā)展缺比較晚與國(guó)外的技術(shù)相比有很大差距。這主要是我國(guó)溫室技術(shù)興起的比較晚的緣故。為了提高這方面的技術(shù)，在自70年代末起，我國(guó)先后從日本、美國(guó)、荷蘭和保加利亞等國(guó)引進(jìn)了不下40套的現(xiàn)代化溫室成套設(shè)備，雖然引進(jìn)的這些溫室設(shè)備技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備先進(jìn)，但在我國(guó)的使用過程中還存在著較為嚴(yán)重問題，主要是由于我國(guó)自然氣候的特點(diǎn)和引進(jìn)的設(shè)備不能相符合，導(dǎo)致設(shè)備不能發(fā)揮起作用，加上設(shè)備的可改動(dòng)性不大，因而很難達(dá)到設(shè)備對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度等因素的合理控制。經(jīng)過多年來(lái)的研究和實(shí)驗(yàn)，我國(guó)的溫室大棚技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)形成了比較完整和全面的體系。

一、系統(tǒng)的組成及工作原理

根據(jù)題目要求，系統(tǒng)的硬件組成可以分為以下幾部分：信號(hào)采集，信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理，數(shù)碼LED顯示器，按鍵設(shè)置，繼電器控制，電源。其中信號(hào)的采集部分又包括溫度傳感器的采集，濕度傳感器的采集兩個(gè)方面;信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理部分又包括模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)的控制與EEPROM存儲(chǔ)器擴(kuò)展。系統(tǒng)原理框圖，如圖2-1所示。

圖1-1系統(tǒng)原理框圖

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，之后通過按鍵設(shè)定溫度和濕度的范圍值，這時(shí)該系統(tǒng)可以正常工作了。由溫度傳感器和濕度傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過處理，通入A/D轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，送入單片機(jī)，經(jīng)簡(jiǎn)單的I/O口擴(kuò)展電路和CD4511驅(qū)動(dòng)LED顯示數(shù)值，之后單片機(jī)會(huì)根據(jù)內(nèi)部的程序?qū)λ腿氲臄?shù)值進(jìn)行比較，如果送入的數(shù)值在設(shè)定的范圍值內(nèi)時(shí)，則系統(tǒng)從新開始執(zhí)行以上的過程;若送入的數(shù)值不在設(shè)定的范圍值內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)則通過繼電器的導(dǎo)通來(lái)控制相應(yīng)裝置工作，最后讓溫度和濕度保持在設(shè)定的范圍值內(nèi)，再重新執(zhí)行以上的過程。其中的增溫裝置可以采用加熱器或暖風(fēng)機(jī)等;減溫裝置可以采用通風(fēng)窗等;增濕裝置可以采用噴霧水泵等;降濕裝置可以采用通風(fēng)窗等。

二、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

傳感器的選擇。傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的采集，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。

（一）溫度傳感器的選擇

方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件。現(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測(cè)量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。

鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫范圍-200℃～650℃。

銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)格低，也易于提純和加工;但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50℃～180℃測(cè)溫，其允許誤差為-50℃～100℃。

方案二：采用LM35。LM35是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NSC）生產(chǎn)的3端子電壓輸出型單片精密集成電路溫度傳感器。其輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，因而LM35有優(yōu)于開爾文標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器。在常用的室溫的條件下，LM35無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)就能到達(dá)±1/4℃的準(zhǔn)確率，在-55℃～+150℃溫度范圍內(nèi)為±3/4℃，LM35的額定工作溫度范圍為-55℃～+150℃。它具有功耗小、量程寬等優(yōu)點(diǎn)。

綜合比較方案一與方案二，本設(shè)計(jì)選擇方案二更為適合。

（二）濕度傳感器的選擇

方案一：采用電阻式濕度傳感器MSC-2濕敏電阻。MSC-2濕敏電阻傳感器是利用大氣中含水蒸氣量變化引起電阻值變化的原理，來(lái)檢測(cè)大氣中的濕度。在中濕度的范圍40%～90%RH，特別是在常溫25±15℃時(shí)，檢測(cè)出80%～95%RH范圍里，MSC-2濕敏電阻傳感器容易潮解變壞。由于傳感器的電阻值隨溫度而變化，而且要有溫度補(bǔ)償措施。MSC-2濕敏電阻傳感器一般在常溫或溫度變化不大的條件下使用，且價(jià)格較低。

方案二：采用選用HM1500。在基于HS1101簡(jiǎn)單電容性濕度傳感器的基礎(chǔ)上，HM1500的測(cè)量值直接以線性電壓的形式輸出;工作溫度范圍為-30℃～60℃;測(cè)量濕度范圍為0～100%RH，精度達(dá)到±3%RH;供電電壓為5V;可輸出DC電壓為1～4 V。采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度成比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，可靠性高，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。

由于HM1500濕度傳感器的精度較高，測(cè)量范圍大，反應(yīng)時(shí)間較快，溫度依賴性比較低，長(zhǎng)期穩(wěn)定性能好，用戶使用方便，價(jià)格實(shí)惠，是性價(jià)比極高的一款集成濕度傳感器，所以本設(shè)計(jì)采用HM1500作為濕度測(cè)量傳感器。