Proteus模擬溫室溫濕度控制系統(tǒng)的實踐教學(xué)

王 向 玲

(1. 呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系， 山西 呂梁 033000；2. 中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室， 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

0 引 言

單片機原理是一門工程實踐性極強但理論知識抽象的課程，學(xué)習(xí)過程應(yīng)注重“邊學(xué)邊做”即理論與實踐的高度融合。針對應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)要求，結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗，在課堂引入Proteus軟件，學(xué)生自帶計算機，課堂上自行設(shè)計電路、編寫程序聯(lián)合Keil調(diào)試，真正實現(xiàn)了時間、空間上的學(xué)做融合，將抽象的理論知識直觀化、形象化，增加課堂趣味性、調(diào)動學(xué)生積極性的同時加深了對理論知識的鞏固[1-5]。

在單片機I/O口使用、中斷、定時器、串口通信、AD/DA轉(zhuǎn)換、LCD液晶顯示、傳感器等基礎(chǔ)知識實踐的基礎(chǔ)上，為了提高學(xué)生綜合運用知識的能力和設(shè)計能力，列出了幾個綜合性、設(shè)計性實驗，具體以分組形式進行。以其中一組學(xué)生設(shè)計的“溫室溫濕度控制系統(tǒng)”為例，講述總體思路及關(guān)鍵的硬件電路、軟件設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫室溫濕度控制在農(nóng)作物生長的適宜范圍非常關(guān)鍵。溫濕度控制系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)且實時準確地通過LCD1602顯示，為了滿足不同農(nóng)作物的生長，系統(tǒng)溫濕度上下限可通過按鍵設(shè)置。當測量值不在范圍內(nèi)，對應(yīng)的LED燈點亮、蜂鳴器報警，同時啟動控制模塊進行溫濕度調(diào)節(jié)直至正常[6-7]。

整個系統(tǒng)由主控、溫濕度采集、按鍵設(shè)置、報警、控制以及顯示等模塊組成，整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊作為整個系統(tǒng)的核心，采用AT89C52單片機，其片內(nèi)帶有8 KB、支持擦寫的Flash存儲器，與AT89C51相比，中斷源和存儲空間多，便于后期增加其他環(huán)境參數(shù)的測量[8-9]。

主控模塊與各模塊連接關(guān)系如下：P0.0～P0.7、P2.0～P2.2口與顯示模塊相連，P2.3口與溫濕度采集模塊相連，P2.4～P2.7口與控制模塊相連，P1.0～P1.3口與報警模塊相連，P1.4～P1.7口與按鍵設(shè)置模塊相連。該模塊中P3口空閑，后續(xù)可用于溫室其他環(huán)境參數(shù)如光照強度、CO2等的控制。

主控模塊實現(xiàn)如下功能：① 接收溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給顯示模塊；② 接收按鍵設(shè)置模塊指令并進行溫濕度上下限的調(diào)節(jié)；③ 溫濕度不正常時給出報警指令并啟動相應(yīng)控制模塊進行溫濕度的調(diào)節(jié)。

2.2 溫濕度采集模塊

該模塊采用出產(chǎn)前精度已校準的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，供電電壓范圍3.3～5.5 V，溫濕度測量范圍分別為0～500 ℃、20%～90%RH。其內(nèi)部包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，單線制串行接口，僅需一個I/O口直接與單片機相連。體積小、功耗低、響應(yīng)快、抗干擾能力強等特點使其成為采集溫濕度的理想選擇[10-11]。

2.3 按鍵設(shè)置模塊

該模塊主要供用戶設(shè)置溫濕度上下限，主要由4個按鍵組成，依次為功能選擇鍵、加1鍵、減1鍵、保存鍵。功能選擇鍵用于對溫濕度上下限的選擇，加1鍵、減1鍵分別對各項參數(shù)進行加1、減1操作，保存鍵用于保存已設(shè)置好的溫濕度參數(shù)。

具體操作步驟如下：首先按下功能選擇鍵進行預(yù)設(shè)參數(shù)的選擇。當?shù)?次按下該鍵時對溫度上限WDH設(shè)置，當?shù)?次按下該鍵時對溫度下限WDL設(shè)置，以此類推當?shù)?、4次按下該鍵時分別對濕度上限SDH、下限SDL設(shè)置。選中預(yù)設(shè)置參數(shù)后再通過加1、減1鍵調(diào)整WDH、WDL、SDH、SDL，最后按下保存鍵保存閾值。

2.4 控制模塊

控制模塊主要由驅(qū)動芯片ULN2004A、加熱器、風(fēng)扇、加濕器、除濕器、三極管、繼電器組成，Proteus仿真中加熱器、風(fēng)扇、加濕器、除濕器均用直流電機替代，當電機轉(zhuǎn)動時代表對應(yīng)控制模塊啟動工作，以其中一路加濕器為例，控制模塊原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制模塊原理圖

當DHT11檢測到溫濕度不在預(yù)先設(shè)定范圍內(nèi)時便啟動控制模塊進行調(diào)節(jié)。當溫度低于預(yù)設(shè)溫度下限時加熱器開始工作，溫度高于溫度上限時風(fēng)扇開始工作，濕度高于濕度上限時除濕器開始工作，濕度低于濕度下限時加濕器開始工作。

4個直流電動機與單片機P2.4～P2.7口連接時需設(shè)計驅(qū)動電路，驅(qū)動芯片選用輸出電流可達500mA的ULN2004A，其內(nèi)部包含7路反向器電路，即當輸入端為高電平時輸出端為低電平，反之亦然[12]。ULN2004A輸入端適合于CMOS、PMOS器件，本設(shè)計中單片機輸出的TTL電平先通過連接2 kΩ的上拉電阻轉(zhuǎn)換為CMOS電平再接至ULN2004A輸入端；ULN2004A輸出端電流先通過三極管放大再通過繼電器控制電動機是否轉(zhuǎn)動。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

依據(jù)模塊化編程思想，建立多文件工程，具體包括：主程序、DHT11驅(qū)動程序、LCD顯示程序。子程序包括定時器中斷函數(shù)和按鍵掃描子程序。

3.1 主程序

主程序流程圖如圖3所示。

(1) 初始化DHT11、LCD1602并預(yù)先在程序中設(shè)置溫濕度上下限；

(2) 啟動DHT11進行溫濕度的采集；

(3) 將采集數(shù)據(jù)及上下限通過LCD顯示；

(4) 檢測溫濕度是否超閾值。若超出閾值則LED燈亮、蜂鳴器報警，同時啟動對應(yīng)的控制模塊進行調(diào)節(jié)，而后返回(2)循環(huán)執(zhí)行上述過程直至溫濕度調(diào)至設(shè)置范圍內(nèi)；若沒超閾值則進行(5)。

(5) 掃描是否有按鍵按下。若有按鍵按下則進行上下限的調(diào)節(jié)并返回(2)進行數(shù)據(jù)的采集及顯示；若無按鍵按下則結(jié)束。

圖3 主程序流程圖

3.2 DHT11驅(qū)動程序

由于DHT11采用單線制串行接口，故驅(qū)動程序(初始化、讀取溫濕度數(shù)據(jù))需按照嚴格的時序圖編寫，時序圖如圖4所示。

圖4 DHT11時序圖

總線空閑時為高電平，開始工作時單片機拉低總線至少18 ms，然后拉高總線約20～40 μs等待DHT11響應(yīng)。DHT11接收到單片機發(fā)送的開始信號且等開始信號結(jié)束后，輸出80 μs的低電平作為響應(yīng)，接著輸出80 μs高電平進入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。每一位數(shù)據(jù)都是以50 μs的低電平開始，緊跟其后的高電平時間決定數(shù)據(jù)為1或0。若高電平時間為26～28 μs則為0，若高電平時間為70 μs則為1[13-15]。

DHT11的DATA引腳用于和單片機之間的通信，一次傳送40 bit數(shù)據(jù)且高位先出，數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗位，其中溫濕度小數(shù)部分均為0。待40 bit數(shù)據(jù)傳輸完畢后，若校驗位等于前4 Byte數(shù)據(jù)相加取其低8 bit，則接收的數(shù)據(jù)正確。反之接收的數(shù)據(jù)有誤，重新接收[16]。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

首先在Proteus軟件中繪制系統(tǒng)硬件電路圖，然后采用Keil軟件編寫程序并編譯、鏈接，最后將生成的Hex文件加載到單片機中進行仿真。

圖5為溫濕度不超閾值的仿真結(jié)果圖，WD為溫度，SD為濕度。程序中溫濕度預(yù)設(shè)范圍分別為20～30 ℃、60%～85%RH，測得的溫濕度分別為27 ℃、80%RH，均在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，故報警模塊4個LED均不亮，直流電動機均不轉(zhuǎn)動。

針對某一農(nóng)作物，溫濕度預(yù)設(shè)范圍調(diào)整為28～30 ℃、66%～75%RH，通過按下功能選擇鍵、加1、減1鍵設(shè)置溫濕度上下限，設(shè)置后按下保存鍵保存閾值，仿真結(jié)果如圖6所示，實測溫度27 ℃低于下限，濕度80%RH高于上限，則對應(yīng)的低溫、高濕LED燈亮，且控制模塊中加熱器、除濕器開始工作進行溫濕度的調(diào)節(jié)。

圖5 溫濕度不超閾值的仿真結(jié)果圖

圖6 溫濕度超閾值的仿真結(jié)果圖

5 結(jié) 語

通過課堂引入Proteus仿真軟件聯(lián)合Keil調(diào)試，設(shè)計了主要由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和AT89C52組成的溫室溫濕度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的溫濕度自動控制；做到了教學(xué)與實驗的同步，增強了學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力和單片機開發(fā)能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)制作實物奠定基礎(chǔ)。

另外，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易操作等優(yōu)點，結(jié)合全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication，GSM)、ZigBee等無線通信技術(shù)，在溫室大棚的遠程監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用前景。