日光溫室卷簾機控制器設計與試驗

崔玉祥 趙慧芳 趙亮

摘要：卷簾機的日常操作是日光溫室冬季保溫的主要工作之一。試驗基于STM8S003F3單片機的最小系統(tǒng)，設計了控制器。利用單片機自帶的定時器和EEPROM，依據(jù)定時原理設計了控制程序，實現(xiàn)了卷簾機的半自動操作。通過無線通信，使控制器具備遙控操作功能。該控制器成本低廉、原理簡單、運行可靠，減輕了勞動力負擔。

關(guān)鍵詞：日光溫室;卷簾機;控制器;遙控

中圖分類號：S625.1 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）17-0161-05

Abstract： The daily operation of curtain rolling machine is one of the main work of winter heat preservation in chinese solar greenhouse. A controller based on the minimum system of STM8S003F3 microcontroller was designed. With timer and EEPROM， the control program was designed according to the timing principle， and the semi-automatic operation of the curtain rolling machine was realized. Through wireless communication， the controller had remote control operation function. The controller has the advantages of low cost， simple principle and reliable operation， and reduces the labor burden.

Key words： chinese solar greenhouse; rolling shutter; controller; remote controller

日光溫室又稱暖棚，是中國北方設施種植區(qū)域比較常見的溫室類型，在不采取另外供熱的情況下，依靠太陽光自然輻射的能量使室內(nèi)保持一定的溫度，以滿足作物的生長需要[1]。同時，保溫被的大面積推廣應用，使得日光溫室的保溫能力進一步提高，設施產(chǎn)量進一步增加。保溫被的卷放作業(yè)現(xiàn)在大都通過卷簾機來完成。卷簾機的廣泛應用不僅提高了日光溫室卷放保溫被的工作效率，節(jié)省了勞動力投入，而且在很大程度上減輕了人力負擔。目前，國內(nèi)針對日光溫室卷簾機控制技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，如基于溫光耦合的溫室卷簾機控制設備、基于ZigBee的溫室卷簾機精準控制系統(tǒng)、卷簾機溫光自動控制系統(tǒng)的設計與研究等[2-9]。通過分析現(xiàn)有的日光溫室卷簾機控制系統(tǒng)[10-15]，研究總結(jié)出當前日光溫室卷簾機控制系統(tǒng)主要存在的問題[16-18]：控制技術(shù)高級，對傳感器的依賴過高，不適于機械誤差大的日光溫室卷簾機;成本過高，與目前應用較多的倒順開關(guān)相比，種植戶難以接受。

綜上所述，設計與當前日光溫室卷簾機械相適應、低成本的控制器才能解決現(xiàn)實問題。本研究采用微控制器技術(shù)、315 MHz無線通信、定時器原理技術(shù)等設計了卷簾機控制器，實現(xiàn)了對日光溫室卷簾機的半自動、遙控、定時和低成本控制。

1 控制器總體方案

控制器的設計框如圖1所示?？刂破鞑捎媚K化設計，分為核心控制板、繼電器模塊板、遙控收發(fā)模塊板、按鍵輸入數(shù)碼管輸出板和交流變直流模塊。核心控制板是整個控制器的核心，以STM8S003F3為主控制器，主要負責控制器的邏輯運算和定時功能。繼電器模塊板是控制器的執(zhí)行官，將主控制器的輸出指令轉(zhuǎn)為對電動機的實際操作。遙控接收模塊負責接收遙控器發(fā)射的信號，將遙控器發(fā)來的操作信號轉(zhuǎn)換為主控制器可讀的電平信號，實現(xiàn)遙控對卷簾機控制器的遠距離操作。按鍵輸入數(shù)碼管輸出板是實現(xiàn)操作人員對控制器進行操作和設定的媒介，由按鍵、數(shù)碼管和控制芯片構(gòu)成。交流變直流模塊為整個控制器提供穩(wěn)定的直流電源，該模塊將交流電變換為需要的直流電輸出。

2 控制器硬件設計

2.1 核心控制板電路

核心控制器主控芯片選用ST公司的8位微控制器STM8S003F3，芯片自帶128字節(jié)的片上EEPROM和多個內(nèi)部定時器，斷電后存儲數(shù)據(jù)不丟失，為該設計應用中存儲定時數(shù)據(jù)提供了方便。核心控制板電路如圖2所示。U1為直流穩(wěn)壓芯片，將直流12 V電壓變成恒定的5 V。U2為微控制器STM8S003F3P，只需晶振和上電復位電路即可工作，為了降低成本，甚至晶振電路也可不接，而用芯片內(nèi)部的16 MHz的RC振蕩器，J1、J2、J3是主控制板同遙控接收電路、按鍵輸入和顯示輸出電路、繼電器模塊電路的接口。

2.2 遙控接收模塊電路

遙控接收模塊電路主要由遙控解碼芯片SC2272和高頻接收芯片SC480R及外圍電路構(gòu)成，電路如圖3所示。SC2272的A7～A0為地址設定引腳，每個引腳均分別可置為“0” “1”或“f”，通過將遙控和接收器設置成相同的地址編碼可保證一一對應，8個引腳總共可設置6 561個地址，基本上保證一個示范園區(qū)或一個自然村內(nèi)不會重復編碼。當SC2272確認接收到有效信號時，引腳VT輸出高電平，引腳D0～D4其中一個輸出高電平，代表相應的鍵按下。芯片SC480R及外圍電路將天線高頻信號從引腳ANT輸入，經(jīng)內(nèi)部解調(diào)電路變換成數(shù)字信號從引腳D0輸出，送給SC2272的數(shù)據(jù)輸入引腳Din。圖3中4.897 MHz的晶振將電路工作頻率設定在315 MHz。

2.3 按鍵輸入數(shù)碼管輸出電路板

按鍵輸入數(shù)碼管輸出板以16位數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制芯片CH453為核心，板上設計有6個輸入按鍵和一個四位時鐘顯示數(shù)碼管，CH453通過2線串行接口與核心控制板交換數(shù)據(jù)。電路如圖4所示。SW1至SW6表示6個輸入按鍵，U2表示四位時鐘顯示數(shù)碼管（共陰極）。CH453對數(shù)碼管采用動態(tài)掃描驅(qū)動，由D1至D4，順序驅(qū)動4個數(shù)碼管。CH453內(nèi)部有16個8位的數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)寄存器中的位6至位0分別對應數(shù)碼管的段碼S6～S0，該控制器只用內(nèi)部前4個數(shù)據(jù)寄存器。CH453在鍵盤掃描期間，D7對應列掃描輸出，S0～S5用于掃描輸入，有鍵按下時CH453內(nèi)部會形成不同的鍵碼值。CH453通過引腳SCL（時鐘線）和SDA（數(shù)據(jù)線）與單片機進行數(shù)據(jù)交換，引腳INT用于按鍵產(chǎn)生時向單片機發(fā)出中斷，請求讀取鍵碼值。

2.4 繼電器模塊板

繼電器模塊板是控制器的執(zhí)行官，將主控制器輸出的邏輯電平轉(zhuǎn)換為控制電動機啟停的開關(guān)信號，并且起到電氣隔離作用，將直流電與交流電進行隔離。電路如圖5所示。PD1為單片機的I/O引腳，當PD1輸出為1時，Q1導通，繼電器K1線圈通電，觸點K1吸合，外接的接觸器吸合，卷簾機電機啟動。當PD1輸出為0時，Q1不導通，繼電器觸點K1斷開，卷簾機電機不啟動。在PD1由1變?yōu)?的過程中，K1線圈兩端會產(chǎn)生高達150 V的反電動勢， D2和K1線圈構(gòu)成的回路保障反電動勢不損壞K1線圈。R3保障在控制器上電瞬間Q1不導通，卷簾機電機不會出現(xiàn)誤動作。J1為與主控制板的接口電路，J2為與接觸器的連接口。

2.5 交流變直流模塊

交流變直流模塊是控制器的電源，為控制器的所有直流用電器件提供直流電源。由于電動機采用380 V交流電，選用YHT4S開關(guān)電源模塊，該模塊輸入電源范圍為85～500 V，輸出直流12 V，輸出功率為10 W。模塊整體用導熱樹脂灌封，具備防潮、防塵、防燃、防震功能，可直接焊接在電路板上，其實物外形如圖6所示。

3 控制器軟件設計

根據(jù)設計模塊和功能，程序流程如圖7所示。

3.1 手動操作控制程序

手動模式下，操作者手動按下控制器箱體（遙控器）上的卷簾、放簾或停止鍵，卷簾機才會進行相應的動作。在保溫被運行到相應的位置時，必須手動按下停止鍵，卷簾機才會停止。在卷簾或放簾的同時，單片機內(nèi)部的定時器會自動計時，并將計時時間顯示在數(shù)碼管上。

3.2 定時停止控制程序

根據(jù)手動操作時卷簾從最上端運行到最下端時數(shù)碼管上顯示的時間，可以設置放簾時間，卷簾的時間設置方法相同。自動模式下，操作者手動按下控制器箱體（遙控器）上的卷簾或放簾鍵，控制器會讀取設定的計時時間并進行倒計時，當數(shù)碼管上的時間減為0時，卷簾機自動停止。

4 試驗

為了對卷簾機控制器的可靠性及技術(shù)指標進行檢測，2018年10月23日在太原市小店區(qū)西溫莊村太原市德春園農(nóng)業(yè)科技有限公司的日光溫室進行了試驗。該公司示范園內(nèi)共有日光溫室56座，每座日光溫室長75 m、跨度8 m、高4.5 m，卷簾機為前置卷軸上推式，設置在溫室的中間，隨機選取了10個溫室安裝控制器進行試驗。

4.1 可靠性試驗

為檢驗控制器工作的可靠性，在手動、自動模式下，分別通過按鍵和遙控操控卷簾機進行工作，各操作5次，觀察卷簾機是否響應相應的動作，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，控制器工作可靠，只是在遙控遠距離（100 m）操作時會有操作不靈的現(xiàn)象。實際應用時，操作者為了觀察卷簾機的運動狀況，距離控制器一般也不會超過100 m。

4.2 停止位置試驗

為了檢驗自動模式下，卷簾機停止位置的精確性，每個控制器卷、放保溫被各進行5次，記錄停止位置與設定位置的誤差，各次試驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出，卷簾機每次停止位置都比設定的位置早，這是因為設定的時間比實際記錄的時間少3 s所致，這樣做主要是為了防止卷簾機卷翻發(fā)生事故。表2 停止位置試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本研究設計的日光溫室卷簾機控制器工作穩(wěn)定可靠、成本低廉，該控制器的應用基本上解決了卷放保溫被作業(yè)過程中耗時費力、易卷翻的問題，為日光溫室的冬季保溫提供了技術(shù)支撐。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該控制器操作可靠性高，對提升日光溫室的自動化作業(yè)水平具有重大意義。

參考文獻：

[1] 崔玉祥，趙 亮，趙慧芳，等.日光溫室卷簾機控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2019 （4）：50-51.

[2] 裴 雪，范奧華，劉煥宇，等.基于溫光耦合的溫室卷簾機控制設備開發(fā)[J].農(nóng)機化研究，2018（4）：83-86.

[3] 谷 彤，王 颯，佀東方，等.防人身傷害溫室卷簾機智能控制器研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（2）：110-113.

[4] 張 杰，盧博友， 張海輝，等.基于ZigBee的溫室卷簾機精準控制系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究，2013 （5）：77-80.

[5] 石建業(yè)，羅有中，王嬌敏，等.日光溫室卷簾機自動控制技術(shù)研究與應用[J].中國農(nóng)業(yè)信息， 2017（8）：77-79.

[6] 朱瑜紅.基于STC單片機的溫室定時自動卷簾控制器設計與實現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學， 2015，43（12）：485-487.

[7] 楊 蕊，趙慧芳，潘大豐，等.基于單片機的溫室卷被控制器的設計與應用[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備， 2017（8）：35-38.

[8] 袁永偉，馬躍進，弋景剛，等.日光溫室無縫卷簾機的研制[J].農(nóng)機化研究，2017（6）：140-144.

[9] 帕合爾鼎·阿布來提，吳樂天，楊會民，等.JLL-1.5型卷簾機溫光自動控制系統(tǒng)的設計與研究[J].中國農(nóng)機化學報，2015，36（4）：65-68，72.

[10] 陳春玲，王 瀧，許童羽，等.北方日光溫室群環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2015，46（1）：85-90.

[11] 張國祥，傅澤田，李鑫星，等.改進型日光溫室后置固定式卷簾裝置設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47（12）：299-308.

[12] 郭 鵬，馬建輝.農(nóng)業(yè)溫室大棚智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].中國農(nóng)機化學報，2016，37（4）：71-73，90.

[13] 羅瑞雪.基于WiFi的溫室環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2017 （6）：86-88.

[14] 楊學坤，諸 剛，蔣 曉，等.日光溫室智能控制器的研制與示范[J].中國農(nóng)機化學報，2014，35（3）：95-98.

[15] 張亞新，曹萬蒼.日光溫室大棚自動卷簾控制系統(tǒng)[J].中國農(nóng)機化，2012（5）：97-100.

[16] 董文君.大棚卷簾機推廣使用問題分析[J].農(nóng)村機電， 2015，32（1）：133，158.

[17] 王開德，李鵬輝.移動式溫室大棚卷簾機控制系統(tǒng)改進設計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2014，42（25）：8837-8839.

[18] 張國祥，傅澤田，張領先，等.中國日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程學報， 2017，33（增刊1）：1-10.