蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

淡海英

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

改革開放以來，我國經(jīng)濟的迅速增長，使得農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，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，它直接影響到栽培作物的的生長和產(chǎn)量，為了能給作物提供一個合適的生長環(huán)境，首要問題是加強溫室內(nèi)的溫度的監(jiān)測。因此，為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)的科學(xué)化和研究性，推動我國農(nóng)業(yè)發(fā)展，解決我國農(nóng)民普遍收入低的問題，縮小城鄉(xiāng)差距，推動全面小康社會，迫切需要價格適中的、自動化程度高的農(nóng)業(yè)設(shè)備。由于單片機及各種電子器件性價比的迅速提高，使得成本低性能穩(wěn)定的這種要求變?yōu)榭赡?。本設(shè)計是針對這一問題，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度上下限設(shè)定、自動監(jiān)測、顯示和報警等多功能的溫濕度測控系統(tǒng)。該設(shè)計系統(tǒng)還可以推廣到其他領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)模塊

蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)可以劃分為兩個部分，一是PC端管理模塊，二是溫度控制模塊。一個管理系統(tǒng)可以管理多個溫度控制設(shè)備，它們之間通過RS-485通信，也就是通過串口通信。溫度控制模塊由9個部分組成，分別是：電源、單片機、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)計電路。選擇繪制電路圖軟件Proteus進行設(shè)計，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

選擇AT89C51做為主控芯片，也是一直在用的代表性51芯片?？刂埔_ P1.0～P1.5主要用來控制 24C02C、DS1302、DS18B20；P1.6、P1.7、P2.0、P3.6、P3.7 用 來 控 制 顯 示電路；P2.2～P2.7用來控制報警、報警指示燈、降溫電路、加熱電路；P3.0、P3.1做串口通信；P3.2、P3.3用來做按鍵控制 （外部中斷實現(xiàn)）。這里省略了時鐘電路和復(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)動芯片是KS0180，除了顯示液晶，還用到RESPACK－8（RP1）、滑動變阻 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）來表示，降溫風(fēng)扇用電動機（MOTOR）來表示。由于加熱源和風(fēng)扇都是強電供電，這里用繼電器（RELAY）來做一個簡單的控制，同時用到三極管（NPN）、電阻（RES）、二極管（IN4001）等器件。 兩個點路分別由單片機的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晶振（CRYSTAL），設(shè)定其頻率為 32768Hz，一個備用電池（CELL）；DS18B20中用到上拉電阻 （RES），設(shè)定為4.7K，串口電路（COMPIM）通過設(shè)定將其連接到虛擬串口上。

5）按鍵、聲光報警電路

本系統(tǒng)只用了兩個按鍵，一個用來控制風(fēng)扇的開關(guān)、一個用來控制加熱電路的開關(guān)。指示燈用來表示當(dāng)前狀態(tài)，溫度正常時綠燈亮，溫度過低，超低溫指示燈點亮，溫度過高，超高溫指示燈點亮。報警電路和蜂鳴器電路有區(qū)別，為了使其發(fā)音較大，用一個三極管（NPN）驅(qū)動，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，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。DS18B20與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(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，測溫范圍是-55～+125 ℃，通過編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式，用戶可自設(shè)定非易失性的報警上、下限，支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。

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工作于無外部電源需求狀態(tài)，寄生電源在進行遠距離測溫是非常有用的。溫度高于100℃時，不推薦使用寄生電源，因為DS18B20在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通信可能無法進行。在類似這種溫度的情況下，強烈推薦使用DS18B20的VDD引腳。對DS18B20供電的另一種傳統(tǒng)辦法是從VDD引腳接入一個外部電源。這樣做的好處是單總線上不需要強上拉，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

單片機上的程序設(shè)計目標是：在存儲器24C02C中保存我們設(shè)定的溫度上/下限值；通過DS18B20采集當(dāng)前溫度，當(dāng)采集溫度超過上限值時，就控制風(fēng)機排風(fēng)降溫，當(dāng)采集溫度低于下限值時，就控制加熱設(shè)備加熱升溫；通過時鐘芯片DS1302讀取日期、時鐘等信息；通過液晶顯示屏顯示當(dāng)前時間、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)前溫度異常時啟動聲光報警系統(tǒng)，提示用戶溫度異常；在系統(tǒng)設(shè)定為手動狀態(tài)時，通過按鍵可以控制風(fēng)機排風(fēng)、加熱系統(tǒng)加熱；通過串口實現(xiàn)PC端的遠程管理，在PC端可以設(shè)定當(dāng)前時間；溫度上/下限、操作模式等。

設(shè)計的思路是這樣的：由易到難。從簡單的寫起，把簡單的都驗證了，有了成就感，再去攻克復(fù)雜的。設(shè)計的順序是：驗證風(fēng)機、加熱燈、指示燈的控制；控制報警器響起來（定時器中斷控制）；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這兩個我們用過的東西；搞定DS18B20這個硬骨頭；設(shè)計與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)計上，我們設(shè)計的按鍵很少，因而在軟件遠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，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，從啟動溫度轉(zhuǎn)換到讀取溫度的時間間隔應(yīng)大于750 ms，否則會讀出85℃；其次就是對負溫度值的處理、顯示、比較等。另外要用到幾個中斷：定時器0中斷，用來報警；外部中斷0、外部中斷1，用來響應(yīng)按鍵；串口中斷，用來處理串口數(shù)據(jù)的收/發(fā)。因為可以手動、遠程、自控控制風(fēng)機和加熱設(shè)備，而言要處理三者之間的邏輯關(guān)系。本系統(tǒng)中處理了遠程和自動的邏輯關(guān)系，但沒有處理手動和自動的邏輯關(guān)系。通過仿真會發(fā)現(xiàn)，目前的系統(tǒng)是遠程管理優(yōu)先。也就是在正常溫度范圍內(nèi)可以通過PC端開啟風(fēng)扇、加熱設(shè)備，但在正常溫度范圍內(nèi)手動開發(fā)風(fēng)扇或加熱設(shè)備，系統(tǒng)會自動將其關(guān)閉。如果想使用手動優(yōu)先，可以考慮如何修改這部分程序。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計是一個專門為蔬菜大棚溫度測量控制而設(shè)計的系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分設(shè)計來達到監(jiān)控要求。在系統(tǒng)設(shè)計過程中充分考慮到性價比，選用價格低、性能穩(wěn)定的元器件，同時此系統(tǒng)在其他領(lǐng)域還具有一定的推廣價值。

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