基于單片機的大棚溫室溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

魏曉艷

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安710300)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)科技化的推廣，人們越來越認識到智能化帶來的便利，本文旨在建立一套智能化的大棚溫室溫度控制系統(tǒng)，可自動進行大棚溫度的監(jiān)測和控制。在系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計時，選用單片機作為溫控系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)對大棚溫室溫度的控制。與其他溫度測控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)操作比較便捷，只需要設(shè)定溫度范圍，系統(tǒng)會根據(jù)大棚內(nèi)部實際溫度進行實時控制，能更加準確地測量及顯示大棚內(nèi)溫度。當溫度高于閾值上限時，換氣扇會自動啟動；當溫度低于閾值下限時，加熱裝置會自動增溫，并且會發(fā)出報警信號。該系統(tǒng)具有靈敏度高，運行穩(wěn)定的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標

目前，針對大棚溫室溫度測控手段比較多，但是大多需要投入較高資金，因此一些中小型溫室大棚用戶基本上采用稻草簾、遮陽網(wǎng)等措施來對大棚進行保溫，通過開啟通風口來對大棚進行降溫，這種人工控溫方式效率較低，而且會消耗一定的人力物力?；趩纹瑱C的大棚溫室溫度控制系統(tǒng)，通過仿真平臺對系統(tǒng)進行制作與調(diào)試，可以有效縮短設(shè)計周期，實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)溫度的實時監(jiān)測，將溫差控制在±0.5 ℃之內(nèi)。一旦超出預(yù)設(shè)的溫差值，系統(tǒng)會立即向農(nóng)戶發(fā)出報警信號，與此同時，溫度調(diào)控系統(tǒng)會開始工作，對大棚內(nèi)的溫度進行調(diào)節(jié)，保證大棚內(nèi)溫度適合農(nóng)作物的生長，有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加農(nóng)戶收入[1-2]。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 硬件需求

溫室大棚溫度測控系統(tǒng)硬件包括接口電路、傳感采集電路、微控制器、電源、通信電路、電平轉(zhuǎn)換電路及報警電路。通過CPU與MCU對多路傳感信號進行檢測與處理。由于需要一定的存儲空間，所以存儲器要便于空間拓展，選用帶有可拓展的I/O接口。在傳感器方面，采用數(shù)字元件可以有效減少輔助器件的使用，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 軟件需求

軟件系統(tǒng)包括主程序、通信模塊程序、顯示模塊程序和采集模塊程序等。軟件要具備：獨立的信號采集服務(wù)模塊，針對不同傳感器的性能及特征采取不同的采集方法，且能配合不同硬件的參數(shù)指標，滿足硬件設(shè)計的需求；確?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)與終端進行通信；顯示系統(tǒng)簡單明了，便于參數(shù)調(diào)整，提高系統(tǒng)使用的智能化操作。

3 總體設(shè)計

為了進一步節(jié)約研發(fā)成本，采用虛擬仿真軟件對平臺進行優(yōu)化。以單片機STC89C52為核心，采用DB18B20型傳感器對大棚溫室溫度進行實時采集；對采集的溫度數(shù)據(jù)進行處理后，通過液晶器件LCD1602實時顯示溫度；與預(yù)先設(shè)定的溫度閾值進行比較后，控制溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

4 硬件電路設(shè)計

4.1 主控制器

選取STC89C52芯片作為系統(tǒng)的主控制器部分，使用傳感器實施溫度采集并傳輸?shù)絊TC89C52芯片，經(jīng)過小系統(tǒng)的內(nèi)部處理，利用運算器和控制器將獲取的實時數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置的溫度閾值進行對比，將信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娔X或者手機客戶端，上位機根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進行溫度控制，處理后的結(jié)果返回單片機，單片機再將命令傳達給執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)對溫室溫度的測控。主控制器在整個系統(tǒng)中的作用十分重要，STC89C52芯片具有穩(wěn)定性強、實際消耗低和較高性能的優(yōu)點，同時具有很強的外部抗干擾能力。單片機可以實現(xiàn)對溫度的巡回測量，根據(jù)采集的溫度進行優(yōu)化補償，達到測控溫度的目的[3-4]。集散控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)Fig.2 Implementation of distributed control system

單片機通過采集傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行系統(tǒng)的參數(shù)對比，并將巡回測量的數(shù)據(jù)進行加密存儲，同時可以與上位機進行通信。

4.2 溫度采集傳感器電路設(shè)計

4.2.1 集成數(shù)字化DS18B20傳感器

選用集成溫度傳感器DS18B20作為系統(tǒng)的溫度采集傳感器，其具有以下優(yōu)點。

(1)采用單總線傳輸方式，與單片機連接簡單。

(2)方便單片機控制和處理。

(3)電路設(shè)計合理、簡潔，性質(zhì)穩(wěn)定。

(4)體積小，全數(shù)字化輸出，方便單片機攜帶。

(5)組建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)多點測控，兼顧監(jiān)控與溫控。

由DS18B20組建的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有系統(tǒng)設(shè)計靈活、方便連接、可實現(xiàn)多點溫度采集，以及具有良好抗干擾性和適應(yīng)性強的特點。

4.2.2 溫度傳感器設(shè)計

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由溫度靈敏器、可記憶溫度報警觸發(fā)裝置TH和TL、64位光刻ROM以及8位配置寄存器組成。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of DS18B20

(2)DS18B20存儲器模塊。

DS18B20存儲器模塊的設(shè)計目的是控制數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理。工作原理是單片機下達溫度轉(zhuǎn)換指令后所有模擬信號將以數(shù)字信號的方式進行數(shù)據(jù)處理[5-6]。

4.3 遠程通信模塊設(shè)計

選用的通信網(wǎng)絡(luò)是RS-232與GSM相結(jié)合，實現(xiàn)對信息的傳輸和對系統(tǒng)設(shè)備的管理。在系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)模塊的工作原理：利用溫度傳感器DS18B20采集大棚溫室的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳入到單片機后，單片機STC89C52對數(shù)據(jù)進行處理，利用RS-232通信模塊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮佑嬎銠C或者手機客戶端，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的處理，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)遠程采集無線通信原理Fig.4 Schematic diagram of wireless communication for remote data collection

4.4 相關(guān)電路硬件設(shè)計

4.4.1 定時器電路

選用Xicor公司X25045集成芯片，由于其性能可靠且自帶功能豐富，可以作為程序的定時器。設(shè)置定時器標準參數(shù)，當系統(tǒng)程序開始倒計時，如果程序運行情況良好，定時器將進入復(fù)位，重新進行倒計時。若待查的系統(tǒng)沒有正常運行，那么該模塊將進行整個系統(tǒng)的復(fù)位。

4.4.2 鍵盤和顯示電路

鍵盤是電子計算機的輸入設(shè)備，可以將控制命令傳達給單片機進行溫度控制。選用4×4矩陣式非編碼鍵盤，通過軟件進行識別和操作[7-8]。

5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)硬件設(shè)計，對其進行編程、設(shè)計與測試，再將各模塊拼接成整個系統(tǒng)，最終實現(xiàn)大棚溫室溫度實時測控。

5.1 主程序設(shè)計

作為測控系統(tǒng)中最重要的一個模塊，主程序通過對系統(tǒng)的智能化自檢，達到初始化目的，對于參數(shù)的測試和控制都在子程序中進行。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow

主程序通過調(diào)用子程序來實現(xiàn)控制，子程序可以實現(xiàn)對溫度的采集、鍵盤掃描、數(shù)碼管溫度顯示、按鍵處理，以及中斷控制、單片機通信等功能。此種設(shè)計有利于軟件后期的維護和升級。

5.2 溫度采集器軟件設(shè)計

溫度傳感器DS18B20程序設(shè)計如下。在程序續(xù)寫之前，進行DS18B20復(fù)位操作，目的是驗證DS18B20的存在。MCU將數(shù)據(jù)線下拉480～960 ms，釋放數(shù)據(jù)線后再等待60 μs。若MCU接收DS18B20發(fā)出的信號是低電平，那么表示復(fù)位成功。

5.3 通信TC35模塊的軟件設(shè)計

啟動TC35模塊程序，進行初始化操作。

使用鍵盤發(fā)送指令進行數(shù)據(jù)采集，并進行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果發(fā)送至電子計算機或者手機上，主程序再對其下達初始化操作的指令。上、下位機通信時可能會出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象，因此在使用SMS短消息時，考慮工作效率和成本，將每條消息長度設(shè)置為106個字符。常用AT指令如表1所示。

表1 常用AT指令功能Tab.1 Common AT command function

根據(jù)AT指令進行相關(guān)功能的測試：由電子計算機通過TC35發(fā)短信，利用鍵盤發(fā)送AT指令進行下達檢驗，查看顯示的內(nèi)容是否為對應(yīng)功能區(qū)中設(shè)置的內(nèi)容；再通過TC35由單片機發(fā)送短信，查看能否發(fā)送成功。通過以上步驟，實現(xiàn)了AT指令的測試，并利用TC35實現(xiàn)短消息的發(fā)送[9]。

5.4 溫度顯示設(shè)計

通過創(chuàng)建的項目文件，在文件中添加Picture控件，并將其添加到程序框中，利用下位機傳輸?shù)臏囟炔杉瘮?shù)據(jù)，建立表格實施對溫度實時數(shù)據(jù)的顯示，或者利用曲線展示出溫度的變化趨勢。

6 系統(tǒng)測試

6.1 系統(tǒng)硬件仿真測試

采用Proteus軟件進行仿真測試，基本工作流程是在Proteus軟件中利用仿真功能模塊繪制出單片機電路、復(fù)位電路、DS18B20溫度傳感器電路及控制電路等，并進行編程，此時運行仿真電路圖，可從顯示器中顯示出溫室大棚內(nèi)的溫度值。

6.2 系統(tǒng)軟件測試

首先利用串口進行軟件的調(diào)試工作，然后進行串口初始化測試，同時對系統(tǒng)的運行狀態(tài)也是一種測試。然后再進行TCP網(wǎng)絡(luò)的連接，測試數(shù)據(jù)傳送效果。

6.3 實例分析

對系統(tǒng)進行調(diào)試檢測后，將該系統(tǒng)在某日光塑料大棚進行實際測試，該大棚晝夜溫差為15 ℃左右，所以需要人工控制保溫簾或打開風機來確保大棚內(nèi)的溫度及光照適宜。首先將測試系統(tǒng)放置于大棚內(nèi)合適位置，通過導線將3個DS18B20測試點連接好，安放在大棚中的不同位置，將大棚內(nèi)換氣扇與系統(tǒng)電機控制模塊的輸出端相連接，通過繼電器控制大棚的外接加熱設(shè)備，通過功能按鍵將大棚內(nèi)溫度閾值設(shè)置為24.3和6.3 ℃。當下午16∶00以后，大棚內(nèi)溫度會有所下降，大棚內(nèi)溫度及顯示溫度為24.0 ℃，系統(tǒng)顯示模塊為24.2 ℃，測溫狀態(tài)顯示“Low”，與人工測量溫度誤差為0.2 ℃。與此同時，模擬加熱設(shè)備開始加熱，保證大棚內(nèi)溫度不低于設(shè)定閾值。當人體接觸傳感器DS18B20時，系統(tǒng)顯示溫度會超過閾值最高值，測溫狀態(tài)顯示“High”，此時報警裝置會發(fā)出報警信號，同時開啟風機進行降溫。

6.4 測試結(jié)果

通過對系統(tǒng)的硬件和軟件的測試，該系統(tǒng)在實際環(huán)境中運行穩(wěn)定，誤差小，報警及時，調(diào)溫裝置開啟正常，受到大棚用戶青睞。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計均運行良好，實現(xiàn)了溫度值顯示目的，并可以利用鍵盤進行閾值的調(diào)整。測試單片機能實時準確地向上位機發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，同時上位機也可以向單片機下達指令。隨后對系統(tǒng)進行反復(fù)調(diào)試，為了保證測試結(jié)果的準確性，對大棚的室內(nèi)溫度進行了20次的采集測量，系統(tǒng)顯示的誤差均能控制在±0.4°范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)對溫度的有效測控[10]。

7 結(jié)束語

以單片機為主控制器的大棚溫室溫度測控系統(tǒng)可實現(xiàn)溫室溫度的智能化測控。在明確研究目的和設(shè)計需求后，制定了適用的設(shè)計方案，通過對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了各模塊的設(shè)計需求，并以硬件和軟件相結(jié)合的形式進行了系統(tǒng)整體測試。通過對溫控系統(tǒng)的反復(fù)測試，驗證了系統(tǒng)的良好性能，各子程序和模塊均能正常運行，實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實時顯示，達到了設(shè)計的目的。