基于單片機的溫室卷被控制器的設計與應用

楊蕊+趙慧芳+潘大豐+崔玉祥+王晉寧+石相紅+楊方+曹孟梁+高天佑

摘要：針對目前溫室保溫被機械卷放位置誤差大、精度低、重復性差等問題，設計一種基于STC89C52單片機的溫室卷被控制器。該卷被控制器具有手動/自動、定時、倒計時顯示、遙控、卷放被微調等功能，采用計時定位原理和容錯機制，巧妙地解決了溫室卷被機誤差大和自動控制精度高的矛盾，實現對溫室環境的有效控制。實際應用效果表明，該控制器具有低成本、保安全、省力氣的特點，可為溫室大棚增產增收提供可靠保障。

關鍵詞：卷簾機；單片機；保溫被；溫室；遙控；設計；應用

中圖分類號：S625.31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）08-0035-04

溫室大棚是北方冬季蔬菜生產的重要支撐方式，而在大棚上覆蓋草簾和保溫被是蔬菜反季生產保持大棚溫度的主要途徑。人工將保溫被卷起和放下，不僅費力，而且勞動強度大。采用機械方式進行卷放被，既能節約操作時間、節省勞動力，又能延長日照時間以提高棚內溫度，還能提高溫室大棚生產的經濟效益；此外，機械卷簾還能延長草簾的使用壽命，人工卷放草簾可用2 a，而卷簾機卷放至少可以延長1 a。近年來，采用機械方式對溫室大棚的草簾和保溫被實現自動卷放已經得到大范圍應用。但現有的產品多采用人工合閘的方式進行控制，既不能根據大棚的卷放被時間自行結束操作，也不能采用遙控方式進行多個大棚同時操作，而且卷放位置誤差大、精度低、重復性差，存在勞動時間長、安全性差、強度大、效率低等缺點。

前期調研發現，山西省各地的溫室大棚多是土制大棚，大部分卷被控制箱安裝于大棚頂端，操作極為不便；加上菜農多為當地農民，在使用較先進和復雜產品方面接受性較差；同時卷放被操作過程中受外部環境（如冰雪、保溫被變形等）的影響會出現卷斜、卷被時間到而卷被預期位置未到等現象。因此，為了進一步降低人工勞動強度、延長光照時間、提高卷放被的重復性和精度、減少誤差，同時考慮到菜農的自身特點，本研究利用STC89C52單片機的定時精確和可編程的特點，設計一種溫室大棚自動卷被控制器。該控制器針對土溫室保溫被機械誤差大、起停位置不固定，受熱冷、雪雨天氣影響自動控制、遠程控制容易失靈，80 m長的卷被軸容易變為S形狀等問題加以解決。該控制器有手動和自動兩種工作方式，具備遙控和微調功能，通過遙控提高排除卷被故障的可靠性，完全符合溫室大棚菜農的使用習慣和要求，實現了大棚卷放被的自動控制，為溫室大棚的生產提供了可靠的保障。

1 溫室大棚自動卷被控制器的總體設計

溫室卷被控制器采用STC89C52單片機進行控制，控制器內部有轉換電源、單片機主控盒、交流接觸器及接線端子等，控制器面板上有時間顯示區、手動自動切換按鈕、卷被按鈕、暫停按鈕及放被按鈕。同時為每個控制箱配有專用的遙控器，遙控器上有4個按鈕，分別為：A—停止，B—暫停，C—放被，D—卷被。該控制器有手動和自動兩種工作方式。手動工作方式下，按面板上或遙控上的按鈕進行相應的卷放被操作，同時面板上會顯示相應的卷放被時間，以供自動工作方式下卷放被時間設置參考。自動工作方式下，可在設備內部進行卷被和放被時間設置，當通過面板按鈕和遙控進行操作時，面板上倒計時結束卷放被操作相應停止；在卷放被操作過程中，按暫停按鈕可進入微調狀態，然后按卷被或放被按鈕進行相應的卷放被微調，同時倒計時顯示的時間為保持設置的卷放被整體時間不變做相應的變化，微調結束后再次按暫停按鈕可繼續進行卷放被操作，直至設置的時間倒計為0結束。控制器面板結構和總體設計如圖1所示。

2 硬件設計

為了滿足成本低、性能安全、操作簡便、節省勞動力及功能實現等要求，對控制器的硬件部分進行全局優化設計。該控制器選用宏晶公司生產的 STC89C52單片機作為核心微處理器，外圍器件有晶振、繼電器輸出控制、遙控器模塊、MAX232串口下載通訊接口、撥碼開關、按鍵輸入、數碼管顯示輸出及電源接口等。卷被控制器硬件結構如圖 2 所示。

2.1 主控芯片

整個控制器的核心器件是單片機，其他外圍器件均與其相連，包括按鍵、遙控、數碼管顯示、撥碼開關及繼電器等。單片機負責完成溫室卷被控制器的定時、指令輸入和輸出、通訊等功能。控制器的主控芯片使用STC公司生產的STC89C52單片機，貼片封裝LQFP44腳。該芯片具有8 k字節Flash，512字節RAM， 32位I/O口線，看門狗定時器，內置4 kB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，1個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。該芯片價格低廉，具備存儲和記憶功能，能夠實現可擦寫多次編程，滿足溫室卷被控制器的I/O口需求。綜合考慮各方面的要求，該單片機適合安裝于大范圍推廣應用的產品中。

2.2 電源

由于溫室大棚位于農地，控制器使用220 V交流電壓外部供應，并利用380 V交流電壓為三相電機供電。為滿足STC89C52單片機的電壓要求，使用電源轉換模塊將AC 220 V電壓轉換成DC 12 V，再用LM7805將12 V電壓轉換成供單片機使用的5 V電壓。為了限制工作電流，提高安全性，選用1.5 A自恢復保險絲進行電流保護。

2.3 操作按鈕

為了完成用戶和控制器的交互，在面板上設置4個按鈕，分別是卷被、放被、暫停、自動/手動/關機，直接與單片機的I/O相連，完成相應的操作。

2.4 時間設置

卷放被操作中需要設置卷被和放被的時間，因此該卷被控制器采用兩組4位8421撥碼開關分別設置卷被和放被時間。撥碼開關從左開始第1位和第2位表示分位，第3位和第4位表示秒位。由于秒是60進制的，因此秒位的第1位的數字超過5就按照5來顯示計時，即99=59，秒位最大為59。僅在自動工作方式下，卷被和放被時間按照設置的時間進行工作。endprint

2.5 時間顯示

為方便觀察自動工作方式下控制器卷放被操作時的剩余時間，在控制器面板上放置4位時鐘共陽極7段數碼管顯示。在自動工作方式下，可以進行倒計時顯示，即卷放被剩余時間顯示。在手動工作方式下，顯示卷被和放被執行的時間，方便自動工作方式下卷被和放被使用時間的統計。

2.6 遙控模塊

為方便用戶遠距離操作和多個大棚同時操作，在控制器內部增加遙控模塊，箱體外部放置天線。由于溫室大棚寬度約為70～100 m，且溫室卷被控制器多安裝于監控室內，在室外利用遙控操作時，信號穿透2～3層墻壁會有大幅度衰減，需要選用大功率的遙控模塊。遙控模塊由CD4069芯片、遙控器和天線三部分組成。CD4069芯片直接與單片機的I/O口相連，完成按鍵上的操作。同時選用315 MHz工作頻率的天線，選用大功率遠距離傳輸的遙控模塊。遙控上共有4個按鍵：A，B，C，D，分別代表：A—停止，B—暫停，C—放被，D—卷被。

2.7 電機正反轉控制

溫室卷被控制器中單片機的I/O口經處理與2個SONGLE12V 5引腳繼電器相連，繼電器的輸出和兩個380 V的交流接觸器相連接，兩個繼電器的輸出分別完成電機的正反轉控制，以達到保溫被的卷被和放被的目的。

2.8 通訊接口

溫室卷被控制器采用RS232標準與計算機進行通信。該控制器利用MAX232芯片與單片機相連，進行串口下載。為了節約空間，同時考慮到與計算機進行通訊時只用到RXD，TXD和GND 3個引腳，因此在主控板中選用三針接插件完成通訊操作。使用STC_ISP_V483.exe軟件為單片機燒錄程序。

3 軟件設計

硬件部分為卷被控制器的實體，為控制器的工作提供了基礎和條件。但是要想完成有效的定時、按鍵和遙控操作等，還需要進行軟件設計。該控制器采用C語言進行軟件編程，利用Keil uVision4軟件編譯，之后通過STC_ISP_V483.exe串口調試軟件從PC機下載到單片機，進行三相電機的控制，以達到卷放被的目的。以卷被操作為例，溫室卷被控制器的軟件流程如圖3所示。

如前所述，溫室卷被控制器的手動/自動切換、微調、卷放被、遙控功能均需通過軟件設計實現。以卷被操作為例，軟件邏輯可表述為：開機后，控制器的單片機進行初始化掃描，讀取手動/自動/關機狀態、卷被/放被時間及按鈕狀態。當讀取到手動工作方式時，掃描到卷被按鈕按下，電機運行開始卷被操作，卷被時間開始計時。按暫停按鈕時，電機和計時暫停運行，再次按動暫停按鈕時恢復卷被操作。當讀取到自動工作方式時，掃描到卷被按鈕按下，讀取卷被時間，電機運行并開始倒計時，倒計時為0時電機停止運行，卷被操作結束。卷被操作運行時遇到機械故障，按暫停按鈕進入微調狀態，按卷被或放被向上或向下調整，同時倒計時隨著調整而進行改變，微調結束，按動暫停按鈕繼續卷被操作，直至倒計時為0，電機停止運行，卷被操作結束。若在操作中想要停止運行并清除計時，需要將手動/自動按鈕打到手動擋。

卷被操作時，實現按鈕延時功能的C語言程序代碼如下：

void TIME_function（void） //按鈕延時功能

{

if（TIME_jb！=0）

{

SET_jbD--；

if（++TIME_jb>=SET_jb）

{

FLAG_jb=0； //清卷被狀態標志

TIME_jb=0； //停止卷被計數器

OUT1=0； //停止電機（正傳）

SET_jbD=0；

}

}

}

4 推廣應用

為了大范圍推廣溫室卷被控制器，將研發的產品轉化到溫室大棚的現實生產中，為菜農提供切實可行的便利，對溫室卷被控制器進行前期設計，并對控制器所用到的電子元器件、外殼、按鈕、布局等進行細致的選型和設計，最終組裝出成型的產品。溫室卷被控制器于研發階段在實驗室組裝50套，已在山西省太原市孫家寨葉菜基地連片溫室進行使用測試，通過大量試驗發現研發階段的潛在缺陷，為中試定型產品篩選性價比合理的元器件提供依據，進一步優化了產品工藝設計。將優化后的產品組裝200余套，在太原孫家寨蔬菜基地、晉中榆次、運城新絳“設施蔬菜生產環境調控技術”示范點、清徐等地安裝了該卷被控制器。課題組成員深入上述各地溫室大棚對控制器進行現場安裝，為農戶發送技術資料，并進行現場培訓，各地示范點的土溫室監控技術覆蓋率達到30%以上，使各示范點蔬菜品質和檔次在原基礎上提高了15%以上，平均年生產能力提高了8%～10%。溫室卷被控制器成品及其安裝現場如圖4所示。

該卷被控制器根據預先設定的卷被時間、放被時間，自動完成80%的卷被與放被工作，能實現多臺同時工作，縮短人工等候時間，提高工作效率；剩余20%的工作由手動或遙控精確調整，減少事故發生。據調查，每667 m2溫室大棚人工卷被時間約為1.5 h，而卷被控制器卷被只需5 min；人工放被時間約為0.5 h，而卷被控制器放被只需3 min。與人工卷放被相比，卷被控制器節約了94.4%的人力。與本課題組自主研發的第一代使用延時繼電器版的卷被控制器相比，該控制器工作時間精度大幅度提高。分別將兩代卷被控制器的卷被時間設置為5 min，各抽取10個樣品進行試驗，得到卷被所用的時間，并計算相對誤差和均值，結果見表1。

由表1可知：延時繼電器版卷被控制器卷被時間均值為4′48″，相對誤差均值為4.33%；單片機版卷被控制器卷被時間均值為4′58″，相對誤差均值為0.60%。可見，該卷被控制器在時間精度上有明顯的優勢。

5 結論

本研究設計的基于單片機的溫室卷被控制器，具有定時精確、安全簡便、價格低廉、節省勞力等優點，實現了溫室大棚保溫被的遙控控制，有效地增加了溫室大棚的日照時間，解決了溫室大棚的現實需要，符合菜農的使用習慣和要求，提高了菜農日常的工作效率。經實際應用證明，該溫室卷被控制器設計合理，對溫室大棚的生產切實起到了推動作用，提高了菜農的經濟效益，適于大范圍推廣應用。

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