基于單片機(jī)的溫室卷被控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(duì)目前溫室保溫被機(jī)械卷放位置誤差大、精度低、重復(fù)性差等問題，設(shè)計(jì)一種基于STC89C52單片機(jī)的溫室卷被控制器。該卷被控制器具有手動(dòng)/自動(dòng)、定時(shí)、倒計(jì)時(shí)顯示、遙控、卷放被微調(diào)等功能，采用計(jì)時(shí)定位原理和容錯(cuò)機(jī)制，巧妙地解決了溫室卷被機(jī)誤差大和自動(dòng)控制精度高的矛盾，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的有效控制。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該控制器具有低成本、保安全、省力氣的特點(diǎn)，可為溫室大棚增產(chǎn)增收提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：卷簾機(jī)；單片機(jī)；保溫被；溫室；遙控；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S625.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）08-0035-04

溫室大棚是北方冬季蔬菜生產(chǎn)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(chǎn)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(fèi)力，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。采用機(jī)械方式進(jìn)行卷放被，既能節(jié)約操作時(shí)間、節(jié)省勞動(dòng)力，又能延長日照時(shí)間以提高棚內(nèi)溫度，還能提高溫室大棚生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益；此外，機(jī)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(jī)卷放至少可以延長1 a。近年來，采用機(jī)械方式對(duì)溫室大棚的草簾和保溫被實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卷放已經(jīng)得到大范圍應(yīng)用。但現(xiàn)有的產(chǎn)品多采用人工合閘的方式進(jìn)行控制，既不能根據(jù)大棚的卷放被時(shí)間自行結(jié)束操作，也不能采用遙控方式進(jìn)行多個(gè)大棚同時(shí)操作，而且卷放位置誤差大、精度低、重復(fù)性差，存在勞動(dòng)時(shí)間長、安全性差、強(qiáng)度大、效率低等缺點(diǎn)。

前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(nóng)多為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民，在使用較先進(jìn)和復(fù)雜產(chǎn)品方面接受性較差；同時(shí)卷放被操作過程中受外部環(huán)境（如冰雪、保溫被變形等）的影響會(huì)出現(xiàn)卷斜、卷被時(shí)間到而卷被預(yù)期位置未到等現(xiàn)象。因此，為了進(jìn)一步降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、延長光照時(shí)間、提高卷放被的重復(fù)性和精度、減少誤差，同時(shí)考慮到菜農(nóng)的自身特點(diǎn)，本研究利用STC89C52單片機(jī)的定時(shí)精確和可編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種溫室大棚自動(dòng)卷被控制器。該控制器針對(duì)土溫室保溫被機(jī)械誤差大、起停位置不固定，受熱冷、雪雨天氣影響自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制容易失靈，80 m長的卷被軸容易變?yōu)镾形狀等問題加以解決。該控制器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，具備遙控和微調(diào)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(nóng)的使用習(xí)慣和要求，實(shí)現(xiàn)了大棚卷放被的自動(dòng)控制，為溫室大棚的生產(chǎn)提供了可靠的保障。

1 溫室大棚自動(dòng)卷被控制器的總體設(shè)計(jì)

溫室卷被控制器采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，控制器內(nèi)部有轉(zhuǎn)換電源、單片機(jī)主控盒、交流接觸器及接線端子等，控制器面板上有時(shí)間顯示區(qū)、手動(dòng)自動(dòng)切換按鈕、卷被按鈕、暫停按鈕及放被按鈕。同時(shí)為每個(gè)控制箱配有專用的遙控器，遙控器上有4個(gè)按鈕，分別為：A—停止，B—暫停，C—放被，D—卷被。該控制器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式。手動(dòng)工作方式下，按面板上或遙控上的按鈕進(jìn)行相應(yīng)的卷放被操作，同時(shí)面板上會(huì)顯示相應(yīng)的卷放被時(shí)間，以供自動(dòng)工作方式下卷放被時(shí)間設(shè)置參考。自動(dòng)工作方式下，可在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行卷被和放被時(shí)間設(shè)置，當(dāng)通過面板按鈕和遙控進(jìn)行操作時(shí)，面板上倒計(jì)時(shí)結(jié)束卷放被操作相應(yīng)停止；在卷放被操作過程中，按暫停按鈕可進(jìn)入微調(diào)狀態(tài)，然后按卷被或放被按鈕進(jìn)行相應(yīng)的卷放被微調(diào)，同時(shí)倒計(jì)時(shí)顯示的時(shí)間為保持設(shè)置的卷放被整體時(shí)間不變做相應(yīng)的變化，微調(diào)結(jié)束后再次按暫停按鈕可繼續(xù)進(jìn)行卷放被操作，直至設(shè)置的時(shí)間倒計(jì)為0結(jié)束?？刂破髅姘褰Y(jié)構(gòu)和總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了滿足成本低、性能安全、操作簡(jiǎn)便、節(jié)省勞動(dòng)力及功能實(shí)現(xiàn)等要求，對(duì)控制器的硬件部分進(jìn)行全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。該控制器選用宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C52單片機(jī)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(guān)、按鍵輸入、數(shù)碼管顯示輸出及電源接口等。卷被控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2.1 主控芯片

整個(gè)控制器的核心器件是單片機(jī)，其他外圍器件均與其相連，包括按鍵、遙控、數(shù)碼管顯示、撥碼開關(guān)及繼電器等。單片機(jī)負(fù)責(zé)完成溫室卷被控制器的定時(shí)、指令輸入和輸出、通訊等功能?？刂破鞯闹骺匦酒褂肧TC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，貼片封裝LQFP44腳。該芯片具有8 k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4 kB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。該芯片價(jià)格低廉，具備存儲(chǔ)和記憶功能，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jī)適合安裝于大范圍推廣應(yīng)用的產(chǎn)品中。

2.2 電源

由于溫室大棚位于農(nóng)地，控制器使用220 V交流電壓外部供應(yīng)，并利用380 V交流電壓為三相電機(jī)供電。為滿足STC89C52單片機(jī)的電壓要求，使用電源轉(zhuǎn)換模塊將AC 220 V電壓轉(zhuǎn)換成DC 12 V，再用LM7805將12 V電壓轉(zhuǎn)換成供單片機(jī)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(fù)保險(xiǎn)絲進(jìn)行電流保護(hù)。

2.3 操作按鈕

為了完成用戶和控制器的交互，在面板上設(shè)置4個(gè)按鈕，分別是卷被、放被、暫停、自動(dòng)/手動(dòng)/關(guān)機(jī)，直接與單片機(jī)的I/O相連，完成相應(yīng)的操作。

2.4 時(shí)間設(shè)置

卷放被操作中需要設(shè)置卷被和放被的時(shí)間，因此該卷被控制器采用兩組4位8421撥碼開關(guān)分別設(shè)置卷被和放被時(shí)間。撥碼開關(guān)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(jìn)制的，因此秒位的第1位的數(shù)字超過5就按照5來顯示計(jì)時(shí)，即99=59，秒位最大為59。僅在自動(dòng)工作方式下，卷被和放被時(shí)間按照設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行工作。endprint

2.5 時(shí)間顯示

為方便觀察自動(dòng)工作方式下控制器卷放被操作時(shí)的剩余時(shí)間，在控制器面板上放置4位時(shí)鐘共陽極7段數(shù)碼管顯示。在自動(dòng)工作方式下，可以進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，即卷放被剩余時(shí)間顯示。在手動(dòng)工作方式下，顯示卷被和放被執(zhí)行的時(shí)間，方便自動(dòng)工作方式下卷被和放被使用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。

2.6 遙控模塊

為方便用戶遠(yuǎn)距離操作和多個(gè)大棚同時(shí)操作，在控制器內(nèi)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(jiān)控室內(nèi)，在室外利用遙控操作時(shí)，信號(hào)穿透2～3層墻壁會(huì)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(jī)的I/O口相連，完成按鍵上的操作。同時(shí)選用315 MHz工作頻率的天線，選用大功率遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪b控模塊。遙控上共有4個(gè)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(jī)正反轉(zhuǎn)控制

溫室卷被控制器中單片機(jī)的I/O口經(jīng)處理與2個(gè)SONGLE12V 5引腳繼電器相連，繼電器的輸出和兩個(gè)380 V的交流接觸器相連接，兩個(gè)繼電器的輸出分別完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。該控制器利用MAX232芯片與單片機(jī)相連，進(jìn)行串口下載。為了節(jié)約空間，同時(shí)考慮到與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)只用到RXD，TXD和GND 3個(gè)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(jī)燒錄程序。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分為卷被控制器的實(shí)體，為控制器的工作提供了基礎(chǔ)和條件。但是要想完成有效的定時(shí)、按鍵和遙控操作等，還需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。該控制器采用C語言進(jìn)行軟件編程，利用Keil uVision4軟件編譯，之后通過STC_ISP_V483.exe串口調(diào)試軟件從PC機(jī)下載到單片機(jī)，進(jìn)行三相電機(jī)的控制，以達(dá)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(dòng)/自動(dòng)切換、微調(diào)、卷放被、遙控功能均需通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。以卷被操作為例，軟件邏輯可表述為：開機(jī)后，控制器的單片機(jī)進(jìn)行初始化掃描，讀取手動(dòng)/自動(dòng)/關(guān)機(jī)狀態(tài)、卷被/放被時(shí)間及按鈕狀態(tài)。當(dāng)讀取到手動(dòng)工作方式時(shí)，掃描到卷被按鈕按下，電機(jī)運(yùn)行開始卷被操作，卷被時(shí)間開始計(jì)時(shí)。按暫停按鈕時(shí)，電機(jī)和計(jì)時(shí)暫停運(yùn)行，再次按動(dòng)暫停按鈕時(shí)恢復(fù)卷被操作。當(dāng)讀取到自動(dòng)工作方式時(shí)，掃描到卷被按鈕按下，讀取卷被時(shí)間，電機(jī)運(yùn)行并開始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)為0時(shí)電機(jī)停止運(yùn)行，卷被操作結(jié)束。卷被操作運(yùn)行時(shí)遇到機(jī)械故障，按暫停按鈕進(jìn)入微調(diào)狀態(tài)，按卷被或放被向上或向下調(diào)整，同時(shí)倒計(jì)時(shí)隨著調(diào)整而進(jìn)行改變，微調(diào)結(jié)束，按動(dòng)暫停按鈕繼續(xù)卷被操作，直至倒計(jì)時(shí)為0，電機(jī)停止運(yùn)行，卷被操作結(jié)束。若在操作中想要停止運(yùn)行并清除計(jì)時(shí)，需要將手動(dòng)/自動(dòng)按鈕打到手動(dòng)擋。

卷被操作時(shí)，實(shí)現(xiàn)按鈕延時(shí)功能的C語言程序代碼如下：

void TIME_function（void） //按鈕延時(shí)功能

{

if（TIME_jb！=0）

{

SET_jbD--；

if（++TIME_jb>=SET_jb）

{

FLAG_jb=0； //清卷被狀態(tài)標(biāo)志

TIME_jb=0； //停止卷被計(jì)數(shù)器

OUT1=0； //停止電機(jī)（正傳）

SET_jbD=0；

}

}

}

4 推廣應(yīng)用

為了大范圍推廣溫室卷被控制器，將研發(fā)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化到溫室大棚的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，為菜農(nóng)提供切實(shí)可行的便利，對(duì)溫室卷被控制器進(jìn)行前期設(shè)計(jì)，并對(duì)控制器所用到的電子元器件、外殼、按鈕、布局等進(jìn)行細(xì)致的選型和設(shè)計(jì)，最終組裝出成型的產(chǎn)品。溫室卷被控制器于研發(fā)階段在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行使用測(cè)試，通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)研發(fā)階段的潛在缺陷，為中試定型產(chǎn)品篩選性價(jià)比合理的元器件提供依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化了產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)。將優(yōu)化后的產(chǎn)品組裝200余套，在太原孫家寨蔬菜基地、晉中榆次、運(yùn)城新絳“設(shè)施蔬菜生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控技術(shù)”示范點(diǎn)、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(duì)控制器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，為農(nóng)戶發(fā)送技術(shù)資料，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，各地示范點(diǎn)的土溫室監(jiān)控技術(shù)覆蓋率達(dá)到30%以上，使各示范點(diǎn)蔬菜品質(zhì)和檔次在原基礎(chǔ)上提高了15%以上，平均年生產(chǎn)能力提高了8%～10%。溫室卷被控制器成品及其安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

該卷被控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的卷被時(shí)間、放被時(shí)間，自動(dòng)完成80%的卷被與放被工作，能實(shí)現(xiàn)多臺(tái)同時(shí)工作，縮短人工等候時(shí)間，提高工作效率；剩余20%的工作由手動(dòng)或遙控精確調(diào)整，減少事故發(fā)生。據(jù)調(diào)查，每667 m2溫室大棚人工卷被時(shí)間約為1.5 h，而卷被控制器卷被只需5 min；人工放被時(shí)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(jié)約了94.4%的人力。與本課題組自主研發(fā)的第一代使用延時(shí)繼電器版的卷被控制器相比，該控制器工作時(shí)間精度大幅度提高。分別將兩代卷被控制器的卷被時(shí)間設(shè)置為5 min，各抽取10個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，得到卷被所用的時(shí)間，并計(jì)算相對(duì)誤差和均值，結(jié)果見表1。

由表1可知：延時(shí)繼電器版卷被控制器卷被時(shí)間均值為4′48″，相對(duì)誤差均值為4.33%；單片機(jī)版卷被控制器卷被時(shí)間均值為4′58″，相對(duì)誤差均值為0.60%?？梢?，該卷被控制器在時(shí)間精度上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的溫室卷被控制器，具有定時(shí)精確、安全簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、節(jié)省勞力等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)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(shí)間，解決了溫室大棚的現(xiàn)實(shí)需要，符合菜農(nóng)的使用習(xí)慣和要求，提高了菜農(nóng)日常的工作效率。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該溫室卷被控制器設(shè)計(jì)合理，對(duì)溫室大棚的生產(chǎn)切實(shí)起到了推動(dòng)作用，提高了菜農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，適于大范圍推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉蕾.我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策分析[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（4）：57-58.

[2] 高玲，趙海瑞.溫室大棚設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].江蘇農(nóng)機(jī)化，2013（2）：28-30.

[3] 孔國利，蘇玉.日照溫室大棚自動(dòng)卷簾機(jī)與智能通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54（24）：6 386-6 388，6 393.

[4] 李鋒，陳學(xué)東.溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].寧夏農(nóng)林科技，2012，53（12）：181-182.

[5] 張杰，盧博友，張海輝，等.基于ZigBee的溫室卷簾機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（5）：77-80.

[6] 張曉飛，滕光輝，孫昊.基于LabVIEW的溫室卷簾機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44（5）：536-541.

[7] 丁小明.我國日光溫室卷簾機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011（12）：218-222.

[8] 朱瑜紅.基于STC單片機(jī)的溫室定時(shí)自動(dòng)卷簾控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（12）：485-487.

[9] 帕合爾鼎·阿布來提，吳樂天，楊會(huì)民，等.JLL-1.5型卷簾機(jī)溫光自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（4）：67-68，72.

[10] 楊欣，王玉鳳，劉湘黔，等.51單片機(jī)應(yīng)用從零開始[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[11] 張洪潤，張亞凡.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[12] 邢志剛.溫室大棚蔬菜自動(dòng)化卷簾機(jī)的設(shè)計(jì)與使用[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，17（24）：105-106.endprint