蔬菜大棚溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張祥壯 王延玉

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊262700）

溫室大棚現(xiàn)在正朝著機(jī)械化、現(xiàn)代化、智能化方向發(fā)展。溫度監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：（1）人工感受，人們通過自身感受和以往的種植經(jīng)驗(yàn)控制溫度，但浪費(fèi)人力，誤差較大。（2）自動監(jiān)測，使用溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測棚內(nèi)溫度變化，需要人們直接觀察，而且儀器精密度不高，易受環(huán)境干擾等。（3）智能監(jiān)測，通過利用硬件控制電路監(jiān)測溫度，與設(shè)定值比較進(jìn)行自我調(diào)節(jié)與報(bào)警。

蔬菜的生長對于溫度有著非?？量痰囊螅S著科技的不斷發(fā)展，在蔬菜種植領(lǐng)域也要求各種信息數(shù)值的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。適合的溫度有利于蔬菜的生長，不同的蔬菜適宜溫度也大有不同。因此需要準(zhǔn)確的控制大棚室內(nèi)的溫度，為蔬菜的生長繁殖提供可靠的保證。

大棚溫度監(jiān)測是一個(gè)非常復(fù)雜的監(jiān)測過程，因?yàn)樗O(jiān)測的數(shù)據(jù)具有非線性、延時(shí)性、變量性等特點(diǎn)，為溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)處理提出了很高的要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)溫室大棚溫度監(jiān)測預(yù)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，首先需要給單片機(jī)STC89C52 提供+5V 的電源，同時(shí)利用DS18B20 溫度傳感器獲得實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，然后將實(shí)時(shí)溫度信息給STC89C52 單片機(jī)做數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)碼管來顯示實(shí)時(shí)溫度，利用按鍵來實(shí)現(xiàn)一個(gè)溫度區(qū)間的設(shè)置、復(fù)位等功能，如果實(shí)時(shí)溫度不在設(shè)置區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提醒種植人員注意調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電路原理圖如圖2 所示?，F(xiàn)對各個(gè)部分做簡要介紹。

圖2 電路原理圖

2.1 溫度傳感器DS18B20

大棚內(nèi)的溫度通常在10℃～40℃左右，DS18B20 溫度傳感器在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用非常廣泛，可以在-55℃～125℃范圍內(nèi)對溫度進(jìn)行監(jiān)測。在0℃～100℃內(nèi)，DS18B20 傳感器有良好的線性特征，能夠更好的對大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)測，符合設(shè)計(jì)要求。

DS18B20 溫度傳感器是一個(gè)輸出信號全部為數(shù)字信號的傳感器，這樣有利于單片機(jī)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合與處理，也可以省去很多的外部電路的再設(shè)計(jì)工作。另外，選擇DS18B20 溫度傳感器也是因?yàn)樗捎昧藛慰偩€的數(shù)據(jù)傳輸方法，可以直接與STC89C52 單片機(jī)相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸信號處理等工作。這樣在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以使結(jié)構(gòu)更加簡單，同時(shí)體積也可以縮小，便于最后進(jìn)行安裝調(diào)試。

DS18B20 溫度傳感器的供電方式我們采用電源供電方式，接線方式為1 腳接地，2 腳當(dāng)做信號傳輸線與單片機(jī)連接，3 腳接電源。電源電壓VCC 需要我們提供5V 左右的電壓，否則溫度無法轉(zhuǎn)換或者顯示溫度誤差會比較大。同時(shí)我們需要提供4.7k的上拉電阻給I/O(單總線數(shù)據(jù)傳輸)線溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量。

2.2 單片機(jī)STC89C52

本系統(tǒng)采用STC89C52 單片機(jī)作為硬件電路設(shè)計(jì)的核心部分。單片機(jī)控制具有處理數(shù)據(jù)快、穩(wěn)定、方便等優(yōu)點(diǎn)。STC89C52單片機(jī)還擁有強(qiáng)大的信息處理功能和控制功能，且價(jià)格相對較低，同時(shí)也具有較強(qiáng)的抗干擾能力。STC89C52 單片機(jī)也有功能強(qiáng)大的位操作指令，其芯片內(nèi)部自帶看門狗，程序空間大，最高時(shí)鐘頻率為0～35MHz，可以方便程序的調(diào)試，以及程序的燒錄等。是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求的理想器件。

在設(shè)計(jì)時(shí)，將端口P1 設(shè)計(jì)為數(shù)碼管的數(shù)據(jù)傳輸口；端口P20～P23 設(shè)計(jì)為獨(dú)立按鍵的接口；端口P24 設(shè)計(jì)為DS18B20的數(shù)據(jù)傳輸口；端口P34～P37 設(shè)計(jì)為高位數(shù)碼管的位選口；單片機(jī)的VCC 端口接電源＋5V；單片機(jī)的VSS 端口接地。

2.3 顯示裝置

LED 液晶顯示裝置的優(yōu)點(diǎn)在于顯示清晰、數(shù)據(jù)顯示量大、使用方便；其缺點(diǎn)也顯而易見，價(jià)格昂貴，接線設(shè)計(jì)難度加大等。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)只監(jiān)測溫度不需要顯示太多的數(shù)據(jù)。所以，這里采用數(shù)碼管裝置來進(jìn)行顯示，數(shù)碼管具有操作簡單、顯示速度快等優(yōu)點(diǎn)，符合設(shè)計(jì)的要求。

2.4 按鍵電路

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以編寫程序簡單和容易設(shè)計(jì)操作為首要要求。因此，輸入模塊選擇了獨(dú)立按鍵電路，讓每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O 接口線，并且每個(gè)I/O 口的工作狀態(tài)都互不影響，這種鍵盤使用端口直接掃描方式，可以讓設(shè)計(jì)電路時(shí)思路變得簡單，編寫程序時(shí)也變得相對比較容易。如果采用矩陣鍵盤則需要采用行列掃描方式，其電路比較復(fù)雜，編程難度較大。S2 是溫度區(qū)間增溫按鍵即“加鍵”，按下后對設(shè)置數(shù)值進(jìn)行加法運(yùn)算，溫度數(shù)值增加；S3 是溫度區(qū)間降溫按鍵即“減鍵”，按下后對設(shè)置數(shù)值進(jìn)行減法運(yùn)算，溫度數(shù)值減小；S4 是溫度區(qū)間設(shè)置按鍵即“確認(rèn)鍵”，設(shè)置好溫度區(qū)間后，按下此鍵確認(rèn)溫度區(qū)間。

2.5 復(fù)位電路

在利用任何單片機(jī)設(shè)計(jì)電路時(shí)，都離不開復(fù)位電路。因?yàn)閱纹瑱C(jī)開始工作或者工作出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)都需要使用到復(fù)位這個(gè)功能。設(shè)計(jì)復(fù)位電路的目的就是讓處于工作中的單片機(jī)恢復(fù)到開始設(shè)定的值，然后單片機(jī)再次從初始狀態(tài)開始繼續(xù)工作。本設(shè)計(jì)采用的按鍵復(fù)位為RC 電路（電容10uF，電阻10K，τ=RC=10K*10uF=10ms）。如果外部電路工作導(dǎo)致單片機(jī)的RST 端口出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)震蕩周期）以上的高電平時(shí)，單片機(jī)開始復(fù)位。

2.6 時(shí)鐘電路

單片機(jī)的工作都是在編寫好的程序指控下操作的，它從獲取到工作指令再到開始處理，都必須在時(shí)鐘信號的控制下才能進(jìn)行。設(shè)計(jì)時(shí)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路方式，輸入端口為XTAL1，輸出端口為XTAL2，這兩個(gè)端口外接電容和晶體，電容為30pf，晶體的震動頻率選為12Hz。

2.7 蜂鳴器報(bào)警電路

本系統(tǒng)采用了蜂鳴器報(bào)警設(shè)計(jì)。驅(qū)動的方式采用PNP 型S8550 三極管驅(qū)動（價(jià)格低廉，易于操作），如果單片機(jī)的P25 端口輸出為低電平，三極管內(nèi)VE＞VB＞VC＞0 時(shí)，三極管開始導(dǎo)通，此時(shí)蜂鳴器開始報(bào)警；當(dāng)P25 端口輸出為高電平時(shí)，三極管停止工作，蜂鳴器停止工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了分塊編程即模塊化編程的方法。主要的模塊有系統(tǒng)初始化模塊、溫度傳感器采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、單片機(jī)信息處理模塊等，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到提交給單片機(jī)做數(shù)據(jù)處理；判斷溫度是否在設(shè)定區(qū)間（如果不在，則蜂鳴器開始報(bào)警）；再到數(shù)碼管顯示及重復(fù)測溫等工作。完整序完成的功能：

（1）對硬件電路的初始化；（2）實(shí)時(shí)溫度的采集；（3）單片機(jī)數(shù)據(jù)的處理；（4）溫度區(qū)間的設(shè)置及判斷；（5）蜂鳴器的報(bào)警功能；（6）數(shù)碼管顯示。程序流程圖見圖3 所示。

系統(tǒng)在完成一次溫度采集與是否報(bào)警后，為了更好的對溫度進(jìn)行監(jiān)測，每隔十分鐘會再次執(zhí)行系統(tǒng)的操作指令。

4 系統(tǒng)的仿真與測試

在設(shè)計(jì)完成電路后，利用Proteus 軟件對電路進(jìn)行仿真。整體仿真結(jié)果如圖4 所示，仿真的首要目的就是檢驗(yàn)電路的正確性，經(jīng)仿真測試可得，電路運(yùn)行可靠，仿真成功。

圖3 程序流程圖

圖4 電路仿真圖

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的蔬菜大棚溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過單片機(jī)STC89C52來讀取溫度傳感器DS18B20 的工作狀態(tài)，然后對溫度傳感器DS18B20 得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)碼管用來顯示實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度，然后利用按鍵設(shè)置高溫低溫報(bào)警值范圍，如果檢測的溫度大于設(shè)置的溫度報(bào)警值的時(shí)候，蜂鳴器開始工作并報(bào)警同時(shí)報(bào)警燈閃爍；如果小于設(shè)定溫度最小值，同樣的蜂鳴器開始工作并報(bào)警同時(shí)報(bào)警燈閃爍。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能調(diào)試方便，系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)快速靈活。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)監(jiān)測，該大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案正確、可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。