自動(dòng)控溫追日栽培裝置的研究與設(shè)計(jì)

賈小偉 張麗麗 趙思源 李冬雨

【摘 要】花卉、蔬菜種植越來受到歡迎。栽培裝置既可以美化環(huán)境，提高生活質(zhì)量，又可以用于規(guī)模生產(chǎn)，提高花卉、蔬菜的質(zhì)量，改善人們的生活。文章介紹了一種自動(dòng)控溫追日栽培裝置，自動(dòng)控溫模塊采用單片機(jī)作為主要控制元件，控制過程包括溫度采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換處理、調(diào)溫控制及報(bào)警與顯示等。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控溫；栽培裝置；研究；設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】S223 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）06-0088-03

1 自動(dòng)控溫模塊的設(shè)計(jì)

蔬菜生長(zhǎng)需要適宜的溫度，家庭種植環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定，一般符合蔬菜的生長(zhǎng)需要。蔬菜種植的溫度控制模塊只需要進(jìn)行小范圍調(diào)整就可以了。自動(dòng)控溫模塊采用單片機(jī)作為主要控制元件，控制過程包括溫度采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換處理、調(diào)溫控制及報(bào)警與顯示等。自動(dòng)控溫原理圖如圖1所示。

1.1 溫度采集單元

模塊采用溫度傳感器AD590構(gòu)成測(cè)溫體系。AD590是一種電壓輸入、電流輸出型集成溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-55 ～150 ℃，精度高，非線性誤差僅為±0.3 ℃，調(diào)節(jié)系數(shù)為1μA/K，其輸出電流I=（273+T）uA。

1.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換處理單元

AD590將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809芯片。ADC0809是芯片輸出端具有可控的三態(tài)門，這種芯片的輸出端可以直接和系統(tǒng)總線相連，由讀信號(hào)控制三態(tài)門，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，CPU執(zhí)行一條輸入指令，從而產(chǎn)生讀信號(hào)，將數(shù)據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器取出。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝，可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs左右。

1.3 調(diào)溫控制單元

模塊采用DAC0832芯片進(jìn)行調(diào)溫控制，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，斷開加熱線路，使整個(gè)裝置降溫，反之則繼續(xù)加熱。調(diào)溫主控芯片DAC0832的溫度數(shù)據(jù)是由8255芯片傳送的。接口芯片8255具有多種功能的可編程并行接口電路芯片。8255芯片的基本功能是以并行的方式在系統(tǒng)總線與I/O設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。通過8255芯片將信號(hào)傳輸給降溫控制單元和報(bào)警顯示模塊。

模塊各單元控制芯片、控溫電機(jī)、顯示器等連接成完整模塊系統(tǒng)，然后將編寫好的程序灌入芯片，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)試，即可實(shí)現(xiàn)模塊的溫度調(diào)節(jié)控制功能。

2 太陽能跟蹤模塊設(shè)計(jì)

太陽能是一種天然的、干凈的能源，具有很大的潛在利用價(jià)值，也具有很廣的應(yīng)用范圍。盡管太陽能具有清潔、經(jīng)濟(jì)、儲(chǔ)能大等優(yōu)點(diǎn)，但太陽能也具有很多缺點(diǎn)，比如，太陽輻射方向時(shí)刻在變；太陽能總能量大，但能量密度較??；太陽輻射能受天氣影響較大等。因此在相同條件下，太陽能自動(dòng)跟蹤控制方法可以提高35%的能量利用率，降低25%的使用成本。通常太陽能跟蹤控制方法有勻速控制法、光強(qiáng)控制法及時(shí)空控制法3種。本設(shè)計(jì)采用光強(qiáng)控制法。

2.1 模塊硬件設(shè)計(jì)

蔬菜生長(zhǎng)是需要陽光的，室內(nèi)栽培光線會(huì)受到影響。本設(shè)計(jì)采用光強(qiáng)控制法讓蔬菜栽培架可以隨太陽光旋轉(zhuǎn)，保證蔬菜的光照充足。

太陽能跟蹤模塊采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)在方位角和高度角2個(gè)方向上跟蹤，由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成。傳感器把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理及控制電路后，由控制電路輸出相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)方位角調(diào)整機(jī)構(gòu)和高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的位置調(diào)整。太陽能自動(dòng)跟蹤總體框圖如圖2所示。

太陽能跟蹤模塊主要有單片機(jī)控制單元、光電采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元及電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等4個(gè)單元。光電采集單元通過4套由光電二極管、電阻等組成的光敏電路構(gòu)成（光電采集單元連接電路圖如圖3所示），采集太陽光照。然后將采集來的太陽能信息傳輸給由PCF8591模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為核心的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。單片機(jī)控制單元獲得數(shù)控轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換的太陽能信號(hào)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照單片機(jī)控制單元發(fā)送過來的脈沖信號(hào)控制模塊運(yùn)動(dòng)。

2.2 模塊軟件設(shè)計(jì)

工作流程圖如圖4所示。模塊分成手動(dòng)工作模式和自動(dòng)工作模式2種。手動(dòng)模式下，由按鍵控制，分上、下、左、右4個(gè)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到使栽培架相應(yīng)地做上、下、左、右移動(dòng)的效果。手動(dòng)模式工作流程圖如圖4（1）所示。

在上電初始化之后，默認(rèn)設(shè)置的是手動(dòng)模式，通過中間的key_state按鍵切換手動(dòng)與自動(dòng)模式。手動(dòng)模式下按key_state切換到自動(dòng)模式，自動(dòng)模式下按key_state切換到手動(dòng)模式。工作模式工作流程圖如圖4（2）所示。

自動(dòng)模式下，單片機(jī)通過光電采集單元的4個(gè)光敏電阻，來檢測(cè)采光板上、下、左、右4個(gè)方向的光強(qiáng)度值，然后控制步進(jìn)電機(jī)工作，使栽培架正面移動(dòng)到與光強(qiáng)度值最大的一方垂直。自動(dòng)模式工作流程圖如圖4（3）所示。

根據(jù)各功能要求，按照單片機(jī)的規(guī)定編寫動(dòng)作的控制程序，然后將程序灌入單片機(jī)中即可對(duì)模塊硬件進(jìn)行控制。當(dāng)光線照射到栽培裝置，光線采集單元采集裝置光線照射情況，并將經(jīng)過轉(zhuǎn)換、計(jì)算得到的信號(hào)發(fā)出控制裝置協(xié)調(diào)工作。最后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將裝置裝配到一起實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫、太陽能跟蹤等功能。方向控制程序片段如圖5所示，自動(dòng)控溫追日栽培裝置實(shí)物圖如圖6所示。

3 結(jié)語

花卉、蔬菜種植越來受到歡迎。栽培裝置既可以美化環(huán)境，提高生活質(zhì)量，又可以用于規(guī)模生產(chǎn)，提高花卉、蔬菜的質(zhì)量，改善人們的生活。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4]王淼，王保利，焦翠坪，等.太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)，2009（8）：100-103.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]