蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)

文/王雪

智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計難度比較大，一方面會因?yàn)橄到y(tǒng)的綜合性與復(fù)雜性很強(qiáng)，其集成了多種軟件技術(shù)，所以系統(tǒng)的溫控功能很強(qiáng)，另一方面系統(tǒng)智能化要求比較高，相關(guān)人員還要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模塊等方面設(shè)計出發(fā)，使系統(tǒng)具有智能化特點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計中，相關(guān)人員設(shè)計內(nèi)容主要有硬件、上位機(jī)以及下位機(jī)的相關(guān)軟件等，在設(shè)計完畢，相關(guān)人員還要做好系統(tǒng)調(diào)試工作。本文主要針對蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能溫度控制系統(tǒng)在溫控中，首先需要對蔬菜大棚的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如果溫度不符合要求，系統(tǒng)會自行調(diào)控，使大棚永遠(yuǎn)保持恒溫。在該過程中，會涉及到溫度自動檢測和自動控制系統(tǒng)，所以系統(tǒng)硬件設(shè)計要滿足檢測、控制功能。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

硬件主要位于下位機(jī)，系統(tǒng)硬件主要包括溫度傳感裝置、溫度數(shù)值顯示屏、單片機(jī)以及報警裝置、電機(jī)。在該系統(tǒng)中，單片機(jī)處于核心地位，其主要接收溫度傳感裝置交互的溫度信息，信息主要呈現(xiàn)在顯示屏中，報警裝置也會接收該信息，如果報警裝置發(fā)出警報，則證明溫度不符合要求，與報警裝置相連接的空調(diào)系統(tǒng)則會立即處于開啟狀態(tài)，如此大棚內(nèi)部的溫度便可以得到有效調(diào)控，大棚便可以一直保持恒溫狀態(tài)。

1.2 單片機(jī)

單片機(jī)主要選擇AT89C51形式，單片機(jī)的功能核心主要體現(xiàn)在CPU設(shè)計中，該器件中的運(yùn)算器會對控制算法進(jìn)行計算，計算數(shù)據(jù)是控制器的參考依據(jù)。單片機(jī)的接口主要為I/O形式，該接口代表輸入或輸出端口，其對應(yīng)的連接對象是唯一的。單片機(jī)功能發(fā)揮主要依靠最初編輯的程序，該程序主要存在于程序存儲器中，單片機(jī)獲取的所有數(shù)據(jù)則被有效納入到數(shù)據(jù)存儲器中。在單片機(jī)應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到系統(tǒng)時延現(xiàn)象，相關(guān)人員可以利用定時器來控制時延，使系統(tǒng)及時有效。中斷系統(tǒng)主要與CPU聯(lián)系在一起，執(zhí)行其指令，共同控制系統(tǒng)。單片機(jī)的電路形式主要采取復(fù)位電路形式，在智能化控制系統(tǒng)中，這種復(fù)位電路主要表現(xiàn)為自動復(fù)位，當(dāng)然人工復(fù)位也是常見形式。單片機(jī)的引腳功能主要控制電源和輸入輸出線路。

1.3 數(shù)字溫度傳感器

數(shù)字溫度傳感裝置主要為DS1820形式，這種傳感裝置通信功能強(qiáng)，其與I/O線連接起來，該條線便可以支持其與其他傳感裝置共同完成信息交互工作。在工作中，該裝置直接可以將溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息傳遞到顯示屏中，如果監(jiān)測溫度不在-55-+125℃范圍內(nèi)時，相關(guān)的報警溫度便會傳達(dá)給報警裝置，報警裝置會立即作出反應(yīng)。溫度傳感器的存在，使得大棚內(nèi)溫度得到量化分析。溫度轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)主要被寫入RAM存儲器中。此外該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)中還具有64位激光只讀存貯器。該種裝置在感應(yīng)溫度時，主要參考計數(shù)脈沖振蕩器在門電路中的順利程度，如果整個過程比較順利，則證明溫度低，反之溫度則高。

1.4 LCD1602簡介

顯示屏內(nèi)部的控制器需要控制多種項(xiàng)目，其在完成指令時，也需要在高度控制環(huán)境中操作，所以其內(nèi)部的可編程控制命令很多，共計11個，這些指令可用在屏幕數(shù)值清除、光標(biāo)返回以及顯示開關(guān)控制等方面。

1.5 報警電路

報警電路主要連接報警裝置，該電路可以通過警笛判斷線路的安全狀態(tài)，如果報警裝置一直發(fā)出聲響，則證明線路還未完全斷開。

1.6 串口通信標(biāo)準(zhǔn)

串口通信是指各種器件通過串口連接在一起，實(shí)現(xiàn)信息交互功能，針對該項(xiàng)功能，相關(guān)人員還要設(shè)計串口通信標(biāo)準(zhǔn)，一般采取RS-232C為串行通信標(biāo)準(zhǔn)。其在系統(tǒng)中也是連接端口，主要作為兩個通信裝置的信息交互通道。在利用該種標(biāo)準(zhǔn)時，相關(guān)人員還要明確其電氣特性。在串口通信中，相關(guān)人員要將下位機(jī)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)的測控系統(tǒng)聯(lián)系起來，以達(dá)到兩者之間的指令信息傳遞反饋目的，特定通信協(xié)議可以使兩者之間的信息交互更加方便有效。在串口通信中，還會應(yīng)用到VSPD軟件，該軟件兼容性較強(qiáng)，其功能與COM端口類似，所以其能有效連接所有信號線。該軟件具有虛擬性特點(diǎn)，其存在的兩個串口可以分別與上下位機(jī)聯(lián)系起來。

2 下位機(jī)軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

在主程序設(shè)計中，相關(guān)人員需要設(shè)計四種模塊，溫度測量模塊、數(shù)值顯示模塊、電機(jī)調(diào)控模塊以及報警模塊。相關(guān)人員要根據(jù)四種功能模塊的功能要求與特點(diǎn)等，編輯相關(guān)的語言程序。

2.2 讀取溫度設(shè)計

溫度讀取裝置會與單總線串聯(lián)在一起，單總線會向其傳遞相關(guān)電流，裝置還會與高信號線建立聯(lián)系，從中獲取能量，當(dāng)電路處于低信號狀態(tài)時，系統(tǒng)會中斷通電，電平恢復(fù)常態(tài)，電源才會聯(lián)通系統(tǒng)。裝置在讀取溫度時，還會借助外部5V電源的電能。在用C語言編寫溫度數(shù)據(jù)讀取程序時，還要對讀取時間進(jìn)行限制，使裝置的各個讀取指令能在固定時間內(nèi)完成。在溫度測量讀取中，會出現(xiàn)整數(shù)和小數(shù)，相關(guān)人員要在溫度處理流程中，將小數(shù)部分整數(shù)化。儀器獲取的溫度為代碼形式，相關(guān)人員要將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際的溫度數(shù)值。溫度可以精確到0.1℃。

2.3 液晶顯示器LCD1602

該裝置屬于溫度顯示系統(tǒng)的一部分，其顯示部分主要為字符或數(shù)字等，字符在顯示過程中，并不會形成圖形形式，因?yàn)樽址舷?、左右均有間隔。

2.4 電機(jī)的控制

電機(jī)控制模塊很重要，在智能溫度控制系統(tǒng)中，電機(jī)運(yùn)行速率的轉(zhuǎn)變意味著溫度調(diào)控變化，相關(guān)人員還要規(guī)定電機(jī)運(yùn)行溫度。28℃可以作為溫度界限，界限以下，電機(jī)處于非運(yùn)行狀態(tài)，超過該界限，電機(jī)的占空比數(shù)值會加大，電機(jī)會處于運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)溫度高到一定程度時，電機(jī)運(yùn)行會處于平衡狀態(tài)，電機(jī)控制力度會加大。

2.5 報警器的啟動

報警器要準(zhǔn)確啟動，系統(tǒng)才能達(dá)到智能控溫目的。所以報警器的啟動設(shè)計也很重要，相關(guān)人員要設(shè)計報警溫度，一般選擇28℃為界限，超過該界限，報警裝置會啟動，發(fā)出蜂鳴。還要設(shè)計警聲控制主程序，在主程序中，不僅要設(shè)置報警信號，還要設(shè)置頻率。

2.6 串口通信模塊

在串口通信模塊設(shè)計中，相關(guān)人員主要對線路類型進(jìn)行確定，對連接形式進(jìn)行設(shè)計，該模塊選擇的線路主要有TXD、RXD、GND三種，前兩者主要為交聯(lián)關(guān)系，后者選擇直連形式。這三種線路可構(gòu)成串口，完成信息交互任務(wù)，所以不需要連接其他的信號線路。

3 上位機(jī)測控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

3.1 總體要求

上位機(jī)測控系統(tǒng)軟件在溫度測量控制中起著重要作用，相關(guān)人員在設(shè)計該軟件時，還要按照溫度智能測控要求，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。相關(guān)人員還要選擇合適的設(shè)計方法，RUP面向?qū)ο笤O(shè)計法可以滿足系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體要求。軟件開發(fā)不僅要滿足系統(tǒng)的功能要求，還要滿足開發(fā)平臺要求，即軟件能與運(yùn)行平臺相匹配，如此軟件才能得到有效運(yùn)行和利用。軟件要滿足兼容性要求，如此其與平臺中的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)才能相適應(yīng)。在編寫開發(fā)程序時，相關(guān)人員一般選擇Matlab工具進(jìn)行編寫。

3.2 軟件開發(fā)

軟件開發(fā)要滿足規(guī)范化要求，還需要按照正常的流程進(jìn)行，在正式開發(fā)中，相關(guān)人員需要做好軟件開發(fā)需求分析工作，基于此，作出初步設(shè)計，在糾偏找茬中，相關(guān)人員還要做好詳細(xì)設(shè)計。最后將設(shè)計內(nèi)容轉(zhuǎn)化為代碼，編制相關(guān)程序。在需求分析中，相關(guān)人員要考慮到蔬菜大棚在不同季節(jié)、不同時間段對溫度的需求情況，然后確定每個季節(jié)或每個時間段的標(biāo)準(zhǔn)溫度，將其作為控制參考，以保證實(shí)際溫度控制的精確度。上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測溫控溫方式，因?yàn)樯衔粰C(jī)可以直接呈現(xiàn)實(shí)時溫度數(shù)值，并儲存相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)，作為操作人員的參考依據(jù)。在上位機(jī)部分設(shè)計中，相關(guān)的軟件系統(tǒng)主要滿足包括五大模塊，分別是串行通信、數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)儲存及趨勢顯示、數(shù)據(jù)查詢、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)修改模塊，這五大模塊各自發(fā)揮功能，使大棚的溫度得到有效調(diào)控。

3.3 上位機(jī)測控功能

在上位機(jī)測控功能發(fā)揮中，上位機(jī)還要對相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。溫度數(shù)據(jù)可來自下位機(jī)或其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)最終會被錄入數(shù)據(jù)庫中。相關(guān)人員可觀察這些數(shù)據(jù)的趨勢圖，從中找到溫度變化規(guī)律，從而確定標(biāo)準(zhǔn)溫度，并在溫度調(diào)控模塊中，修改標(biāo)準(zhǔn)溫度參數(shù)。該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫不是唯一的，其功能比較強(qiáng)大，覆蓋了整個智能溫控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，所以其設(shè)計文件數(shù)量不止一個，而是十個。相關(guān)人員所修改的歷史標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)值都會被儲存在標(biāo)準(zhǔn)值表中，相關(guān)人員可從溫度信息表中，隨時獲得傳感裝置測得的實(shí)時溫度，以檢查大棚是否處于恒溫狀態(tài)中。

3.4 應(yīng)用程序的設(shè)計

在設(shè)計應(yīng)用程序時，相關(guān)人員可借助MATLAB軟件來仿造系統(tǒng)模型，在建模中，完成設(shè)計、修改等工作。應(yīng)用程序的設(shè)計內(nèi)容包括顯示界面、停止接收功能、設(shè)置功能、查詢功能。在顯示界面設(shè)計中，應(yīng)將其設(shè)計成可視化窗口，在該界面中，要設(shè)置通信端口、溫度值以及當(dāng)前溫度值，這三種事項(xiàng)都有多種選擇，其次在界面中還要設(shè)計確定、設(shè)置、停止接收、查詢功能按鈕，這些按鈕主要為用戶操作提供選擇方向。在停止接收功能設(shè)計中，相關(guān)人員要提高其控制作用，使其能在按鈕落下同時控制溫度顯示數(shù)值，使該數(shù)值不再發(fā)生變化，該數(shù)值為接受停止按鈕落下時的實(shí)時溫度值，所以當(dāng)停止接受按鈕作用時，相關(guān)人員不應(yīng)再以可視化窗口顯示溫度為測量數(shù)值，還應(yīng)到現(xiàn)場親自測量。確定鍵可以改變停止接收鍵的狀態(tài)，點(diǎn)擊確定鍵，顯示界面會在第一時間內(nèi)恢復(fù)正確的實(shí)時溫度數(shù)值。在設(shè)置功能設(shè)計中，相關(guān)人員可通過點(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕，進(jìn)行溫度上限以及其他閾值設(shè)計，該設(shè)置限值將會成為電機(jī)狀態(tài)以及報警裝置狀態(tài)的參考依據(jù)。當(dāng)溫度超過閾值時，報警裝置會作出反應(yīng)，系統(tǒng)會立即處于開啟狀態(tài)，電機(jī)也會準(zhǔn)備就位，為溫度調(diào)控做準(zhǔn)備。在查詢功能設(shè)計中，“查詢”按鈕會與數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，相關(guān)人員通過點(diǎn)擊查詢按鈕，便可以獲得數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)。這些歷史數(shù)據(jù)會以圖文并茂形式呈現(xiàn)在顯示界面上。多個溫度數(shù)據(jù)會顯示出波浪形。

4 系統(tǒng)調(diào)試

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計完畢，相關(guān)人員還要按照設(shè)計圖紙，進(jìn)行材料安裝，最終的系統(tǒng)成品還要經(jīng)歷調(diào)試工作，才能進(jìn)入到應(yīng)用環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)調(diào)試中，相關(guān)人員要對測溫數(shù)值進(jìn)行檢查校準(zhǔn)。檢查對象主要為數(shù)碼管，在檢測中，相關(guān)人員要利用溫度計等測溫裝置測量大棚溫度，然后將其作為實(shí)際溫度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，對數(shù)碼管顯示數(shù)值進(jìn)行檢查，如果兩者相差無幾，則證明系統(tǒng)不存在偏差。否則相關(guān)人員需要對溫度值轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行調(diào)整，使相關(guān)的參數(shù)正?；⒁?guī)范化，這是初步調(diào)整，在二次調(diào)整中，相關(guān)人員要對非線性誤差進(jìn)行校正，使相關(guān)參數(shù)在溫度差范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計要符合蔬菜大棚的基本要求，在系統(tǒng)設(shè)計中，相關(guān)人員還要以現(xiàn)實(shí)環(huán)境溫度變化規(guī)律為參考依據(jù)。每種設(shè)計對象都要符合總體要求以及功能要求。在調(diào)試中，可能會遇到各種新問題，相關(guān)人員還要將這些問題作為調(diào)試控制點(diǎn)，以使系統(tǒng)更加完善，最終為蔬菜生長提供良好適宜的環(huán)境，恒溫環(huán)境會使時蔬更加新鮮美味。