溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王 淏 亢娟娜

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威 733006）

溫室大棚是一個(gè)半開(kāi)放、半封閉的系統(tǒng)，比較復(fù)雜，內(nèi)部不僅受到種植作物的影響，更與大棚的結(jié)構(gòu)、保溫設(shè)施的使用等有關(guān)。而外部更與外界環(huán)境直接進(jìn)行空氣循環(huán)，因此外界的溫度和光照對(duì)溫室大棚內(nèi)部的溫度更有直接的影響。溫室大棚內(nèi)溫度控制是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，僅僅依靠手動(dòng)調(diào)控或者是簡(jiǎn)單的功能控制系統(tǒng)難以將溫室大棚環(huán)境保持在最佳狀態(tài)，嚴(yán)重制約了溫室作物產(chǎn)量的提高。因此，開(kāi)發(fā)適應(yīng)我國(guó)不同區(qū)域情況，具備先進(jìn)技術(shù)水平和優(yōu)良控制作用的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)，對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展和國(guó)民生活都具有重要意義。

1 溫室大棚溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并根據(jù)種植戶(hù)預(yù)設(shè)的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，確保瓜果蔬菜在不同生長(zhǎng)期對(duì)溫度的要求得到滿(mǎn)足。因此，整個(gè)系統(tǒng)需要具備自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)控制等功能。

1.1 系統(tǒng)硬件組成 系統(tǒng)硬件組成主要包括溫度傳感器、顯示屏、報(bào)警裝置、通風(fēng)風(fēng)機(jī)和加熱設(shè)備等。發(fā)揮核心作用的通常是單片機(jī)，能夠?qū)囟葌鞲醒b置交互的溫度信息進(jìn)行接收，并將其在顯示屏之中及時(shí)顯示[1]。與此同時(shí)，報(bào)警裝置也會(huì)收到溫度信息，倘若進(jìn)行報(bào)警，意味著溫度與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)不符合，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)在報(bào)警之后立即開(kāi)啟，從而對(duì)大棚溫度進(jìn)行合理調(diào)控，使棚內(nèi)保持恒溫狀態(tài)。串口通信是將各種器件依托串口進(jìn)行連接，讓信息實(shí)現(xiàn)交互，以確保各個(gè)功能穩(wěn)定發(fā)揮。

1.2 控制器選擇 根據(jù)溫室大棚溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)使用STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8 位單片機(jī)STC89C52。該型號(hào)單片機(jī)具有8 K 字節(jié)可編程Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)的RAM 存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)；具有32位I/O口線、看門(mén)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)計(jì)數(shù)器、4 個(gè)外部中斷、一個(gè)7 向量4 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)和全雙工串行口。其完全兼容標(biāo)準(zhǔn)51 單片機(jī)，并提升了運(yùn)行速度。

1.3 溫度傳感器選擇 對(duì)于溫室大棚溫度控制系統(tǒng)而言，溫度是其主要控制對(duì)象，因此如果要形成閉環(huán)反饋，則需通過(guò)室內(nèi)環(huán)境傳感器并將其送入主控芯片。溫度傳感器在系統(tǒng)中的作用是 “眼睛” 和 “耳朵”，因此其采集的準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性直接決定整個(gè)系統(tǒng)控制品質(zhì)的高低。溫度傳感器的種類(lèi)眾多，傳統(tǒng)意義上的測(cè)溫元件有熱電偶、NTC 熱敏電阻、Pt100等，目前的溫度傳感器測(cè)溫模塊有TS105系列測(cè)溫模塊、DS18B20 測(cè)溫模塊等。考慮到測(cè)溫的精確性和使用的便利性，在一些性能要求較高的場(chǎng)合，往往采用集成溫度傳感器。

在溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮到后續(xù)的系統(tǒng)升級(jí)和功能擴(kuò)展，可采用DHT11 溫濕度數(shù)字傳感器。其除了具備DS18B20 等數(shù)字傳感器電路簡(jiǎn)潔、精度高、使用方便的諸多優(yōu)點(diǎn)之外，最重要的是DHT11 能夠同時(shí)測(cè)量空氣的相對(duì)濕度，在系統(tǒng)中可以作為一個(gè)預(yù)留功能，如后期有濕度測(cè)量控制需求，則可以不用更改系統(tǒng)硬件，通過(guò)程序編寫(xiě)便可以完成功能升級(jí)[2]。

1.4 LCD1602 顯示屏簡(jiǎn)介 使用顯示屏主要是為了隨時(shí)觀察和監(jiān)視溫室大棚溫度參數(shù)，可選用LCD1602 顯示屏。它是一種常用的工業(yè)字符型液晶顯示屏，能夠同時(shí)顯示16×02 即32個(gè)字符，工作電壓為3.3 V 或5 V，其顯示對(duì)比度可調(diào)整，并內(nèi)含復(fù)位電路，同時(shí)提供各種控制命令，如清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能。其內(nèi)部包括80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DDRAM，且具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等特點(diǎn)。

1.5 報(bào)警裝置 報(bào)警裝置的主要功能由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，在對(duì)溫室大棚內(nèi)部溫度進(jìn)行控制的過(guò)程中，一旦預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫發(fā)生變化，溫度過(guò)高或過(guò)低，報(bào)警器就能夠發(fā)出報(bào)警信息。工作人員可根據(jù)顯示數(shù)據(jù)采取有效的解決措施，將溫室大棚內(nèi)的溫度保持在預(yù)設(shè)范圍中，達(dá)到智能控溫的目標(biāo)。

1.6 串口通信標(biāo)準(zhǔn) 串口通信是將各種器件依托串口進(jìn)行連接，讓信息實(shí)現(xiàn)交互。為了確保該功能穩(wěn)定發(fā)揮，將RS-232C 作為串口通信標(biāo)準(zhǔn)。以該標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，操作人員能夠?qū)﹄姎馓匦赃M(jìn)行確定。同時(shí)，在對(duì)串口通信設(shè)計(jì)時(shí)，常常會(huì)用到兼容性較強(qiáng)的VSPD 軟件，該軟件的功能與COM 端口類(lèi)似，能夠?qū)⑺械男盘?hào)線進(jìn)行有效連接。同時(shí)，VSPD 軟件擁有虛擬性特征，加之有兩個(gè)串口，能夠?qū)⑸舷挛粰C(jī)進(jìn)行有效連接。

2 溫室大棚溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì)主要包含讀取溫度模塊、液晶顯示器LCD1602 模塊、電機(jī)的控制模塊、報(bào)警器模塊以及串口通信模塊等，主要基于不同模塊的要求與功能，編輯相關(guān)的語(yǔ)言程序。

2.2 讀取溫度設(shè)計(jì) 通常來(lái)講，單總線要與溫度讀取裝置進(jìn)行串聯(lián)，由單總線為讀取裝置提供必要的電流，且與高信號(hào)線連接，這樣能夠從其獲取一定能量，一旦電路出現(xiàn)了低信號(hào)狀態(tài)，那么系統(tǒng)將會(huì)中斷通電，當(dāng)電平恢復(fù)之后，整個(gè)電源才會(huì)與系統(tǒng)聯(lián)通。當(dāng)裝置讀取溫度時(shí)，需要由5 V 外部電源提供電能。

在使用C 語(yǔ)言編寫(xiě)溫度數(shù)據(jù)讀取程序時(shí)，還要對(duì)讀取時(shí)間進(jìn)行限制，使裝置的各個(gè)讀取指令能在固定時(shí)間內(nèi)完成。在讀取溫度過(guò)程中，通常會(huì)出現(xiàn)整數(shù)和小數(shù)，而處理過(guò)程中需要將小數(shù)部分進(jìn)行整化。通常儀器所獲得溫度都是代碼形式，需要工作人員進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可精確到0.1℃。

2.3 風(fēng)機(jī)、加熱設(shè)備的控制 在溫室大棚溫度控制系統(tǒng)之中，通風(fēng)風(fēng)機(jī)與加熱設(shè)備控制模塊很重要，可通過(guò)控制其運(yùn)行速率來(lái)調(diào)控溫度變化。多數(shù)園藝作物的下限溫度為5℃～15℃、最適溫度為20℃～28℃、上限溫度為30℃～35℃，因此一般將溫度上界限設(shè)置為28℃，并根據(jù)不同作物種植設(shè)置下限溫度。當(dāng)溫室內(nèi)溫度低于溫度上限，通風(fēng)風(fēng)機(jī)處于非運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)反饋溫度超過(guò)該界限，通風(fēng)風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)溫度低于下限溫度時(shí)，加熱設(shè)備啟動(dòng)；當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，通風(fēng)風(fēng)機(jī)或加熱設(shè)備運(yùn)行會(huì)處于平衡狀態(tài)[3]。

2.4 報(bào)警器的啟動(dòng) 倘若要讓系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈餃囟冗M(jìn)行智能控制，那么報(bào)警器啟動(dòng)的精準(zhǔn)性非常關(guān)鍵。為了確保報(bào)警啟動(dòng)的精準(zhǔn)性，設(shè)計(jì)時(shí)可以將28℃作為界限，一旦超過(guò)界限，報(bào)警裝置則會(huì)啟動(dòng)，并發(fā)出聲響。同時(shí)，需要對(duì)警聲控制的主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如報(bào)警信號(hào)、頻率等，可根據(jù)自身要求進(jìn)行調(diào)整。

2.5 串口通信模塊 在對(duì)串口通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要先確定線路類(lèi)型，然后再設(shè)計(jì)連接形式。串口通信模塊可以選擇的線路包括TXD、RXD、GND 等。這幾種線路均可以構(gòu)建成串口，確保交互任務(wù)能夠有效完成。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在完成溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，需要嚴(yán)格按照硬件設(shè)計(jì)圖對(duì)其進(jìn)行安裝，完成系統(tǒng)安裝之后，接下來(lái)需要進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求后方可進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。在對(duì)溫室大棚溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，需要對(duì)檢測(cè)到的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，通常通過(guò)檢查顯示屏顯示數(shù)值來(lái)完成。在調(diào)試溫度過(guò)程中，工作人員可通過(guò)使用水銀溫度計(jì)測(cè)量溫室大棚內(nèi)部實(shí)際溫度，然后與顯示屏顯示的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如果兩者偏差不大，說(shuō)明系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)基本不存在偏差。否則需要通過(guò)對(duì)溫度值轉(zhuǎn)換程序相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，來(lái)調(diào)整誤差。