以單片機(jī)為核心的溫室智能控制系統(tǒng)

引言

    隨著社會的進(jìn)步和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對生產(chǎn)和使用環(huán)境的要求越來越嚴(yán)，人們對溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳濃度、灰塵等環(huán)境因素的影響越來越重視了。為此，本文以農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展為目的開發(fā)了一種智能控制系統(tǒng)。

    眾所周知，光、溫度、濕度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的因素，所以本設(shè)計將其作為重點(diǎn)數(shù)據(jù)來處理，而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點(diǎn)測量，而且溫度信息傳遞不及時，精度達(dá)不到要求，不利于農(nóng)業(yè)控制者根據(jù)溫度變化及時做出決定。而濕度傳感器價格昂貴，大多使用進(jìn)口元件，但事實(shí)上，農(nóng)用精度要求并不高，現(xiàn)在國產(chǎn)濕度傳感器完全可以適用。為此，本設(shè)計開發(fā)了一種能夠同時測量多點(diǎn)，并實(shí)時性高、精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息，并能進(jìn)行光控和濕度控制的測控系統(tǒng)就。

    本設(shè)計以AT89C51單片機(jī)為核心來對多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時巡檢。各檢測單元(從機(jī))能獨(dú)立完成各自功能，同時能根據(jù)主控機(jī)的指令對溫度進(jìn)行定時采集。測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機(jī)的串行口和RS-485總線通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機(jī)，以進(jìn)行進(jìn)一步的存檔、處理。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，以控制各個從機(jī)的溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，并對測量結(jié)果(包括歷史數(shù)據(jù))進(jìn)行整理、顯示和存儲。主控機(jī)與各從機(jī)之間也能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到系統(tǒng)整體統(tǒng)一、和諧的效果。

1 系統(tǒng)整體目標(biāo)

    本系統(tǒng)能夠同時檢測2路溫度，檢測溫度范圍-55℃～+125℃。根據(jù)實(shí)際需要，檢測點(diǎn)數(shù)可以擴(kuò)展。系統(tǒng)采用的濕度傳感器濕度檢測范圍為20％～90％RH?？赏ㄟ^LM555芯片和光電耦合器接入單片機(jī)，其檢測精度為±5％。系統(tǒng)中的感光元件可通過LM555芯片和繼電器來控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遮陽網(wǎng)的打開和收回。由于使用了RS-485串行總線進(jìn)行傳輸，并選用MAX485驅(qū)動芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，因此，其傳送距離可大于1200 m，且抗干擾能力很強(qiáng)。

    此外，本系統(tǒng)還應(yīng)具有如下功能：

(1) 主控機(jī)統(tǒng)可設(shè)置系統(tǒng)時間和溫度修正值。

(2) 主機(jī)、從機(jī)均具有溫度報警上下限設(shè)置和聲光報警功能。

(3) 具有定時、整點(diǎn)收集各從機(jī)數(shù)據(jù)功能，并可使用I2C串行E2PROM保存各從機(jī)以往24小時的數(shù)據(jù)，同時應(yīng)具有數(shù)據(jù)更新與掉電保護(hù)功能。

(4) 具有數(shù)據(jù)存儲功能，可查詢各從機(jī)以往24小時的溫度、濕度情況。

(5) 自帶+5 V和+12 V直流穩(wěn)壓電源。

2 系統(tǒng)方案

    本方案以AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心來對溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時控制和巡檢。各檢測單元(從機(jī))能獨(dú)立完成各自功能，并根據(jù)主控機(jī)的指令對溫度進(jìn)行實(shí)時或定時采集。測量結(jié)果不僅能在本地儲存和顯示，而且可通過RS-485總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機(jī)。以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析、存檔、處理。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，并控制各個從機(jī)進(jìn)行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，同時對測量結(jié)果(包括歷史數(shù)據(jù))進(jìn)行整理、顯示和打印。主控機(jī)與各從機(jī)之間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到系統(tǒng)整體統(tǒng)一和諧的控制效果。圖1所示是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

    該方案主控機(jī)和從機(jī)完全由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用該方案完全可滿足農(nóng)業(yè)上部分需求。在圖1中，從機(jī)部分實(shí)現(xiàn)的功能幾乎和主機(jī)是對等的，但會接受主機(jī)發(fā)送過來的命令。

    圖2所示是該系統(tǒng)從機(jī)部分的結(jié)構(gòu)框圖。該方案采用數(shù)字式DS18B20作為溫度傳感器，該芯片在采集溫度信號時，具有大范圍、高精度、數(shù)字量輸出的特點(diǎn)。CHR-01濕度傳感器采集的信號可利用LM555振蕩器將電流信號轉(zhuǎn)化成頻率信號。選用CHR-01國產(chǎn)元件主要是其價格便宜。

3 信號獲取與放大電路

3.1 DS18B20的測溫原理

    DS18B20的測溫原理如圖3所示，圖中，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，主要用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號并送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振在溫度變化時，其振蕩頻率有明顯改變，它所產(chǎn)生的信號可作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中隱含著的計數(shù)門打開時，DS18B20即對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成信號采集。

    在DS18B20中，DQ為數(shù)字信號輸人／輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。圖4是DS18B20的引腳排列圖。

    DS18B20在光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

    有兩種方法可確保DS18B20在有效轉(zhuǎn)換期內(nèi)得到足夠的電源電流。第一種方法是在溫度變換時，在I／O口接一個強(qiáng)的上拉。第二種是將其連到VCC外部電源，這樣就不用在I／O口接強(qiáng)上拉，也可在溫度變換期間使口線保持高電平。以在變換時間內(nèi)允許其它數(shù)據(jù)在單總線上傳輸。也可使用外部電源通過發(fā)跳過ROM命令和變換命令T來完成溫度變換。需要注意的是：在工作狀態(tài)，GND不能懸空。

3.2 CHR-01濕度傳感器

    CHR-01濕度探測振蕩電路由電阻型高分子膜濕敏電阻、LM555集成芯片及相關(guān)的電子元件組成，并采用AT89C51單片機(jī)作為處理器。由于高分子濕敏元件的電阻會隨著環(huán)境濕度的變化，因而該振蕩電路會產(chǎn)生不同的振蕩頻率。將該信號通過光電耦合和接口元件傳送到單片機(jī)的計時器中，就可完成信號采集。圖5所示是CHR-01測濕電路結(jié)構(gòu)框圖。

    由于不可能事先測定每個標(biāo)準(zhǔn)濕度值所對應(yīng)的頻率值(那樣會大大增加工作量，并且也沒有必要)，所以只對其中某些特定的濕度值進(jìn)行測量和記錄即可。比如在圖6所示的濕度傳感器特性中，實(shí)際的濕度／頻率曲線T0(如圖6所示)在應(yīng)用中只需標(biāo)定A、B、C、D、E五個點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值，然后運(yùn)用數(shù)值方法來實(shí)現(xiàn)對AB、BC、CD、DE各區(qū)間段濕度的近似測量。在此需要強(qiáng)調(diào)的是，由于濕敏元件的阻抗是隨著溫度變化的，這會導(dǎo)致不同溫度下的不同濕度／頻率曲線(如T1℃下對應(yīng)的曲線T1；T2℃時對應(yīng)的曲線T2)，故要分別對不同溫度下的濕／頻曲線進(jìn)行測定。

    DS18B20正好可以完成對溫度的標(biāo)定。因?yàn)楸緶y試裝置只需標(biāo)定15℃、20℃、25℃、30℃四條曲線，然后根據(jù)數(shù)值方法并利用軟件便可對15℃～30℃之間任意溫度下的濕度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

    本傳感器振蕩電路的參數(shù)最優(yōu)化問題是指選擇合適的電子元件(Cq和R)來保證濕度傳感器的靈敏度和測量數(shù)據(jù)的單調(diào)性。高分子濕敏元件與LM555組成的振蕩電路如圖7所示。經(jīng)研究表明，濕敏元件的等效電阻電容混合復(fù)雜二端網(wǎng)絡(luò)在一定頻率下可等效為電阻與電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)(如圖7所示的Rh和Ch)。其中，Uo表示輸出電平，Cq微積分電容。該振蕩器的振蕩包括：放電和充電兩個過程。當(dāng)送入電壓VCC時，Ch和Cq的總壓降為零，TR和TH端口電壓均小于VCC／3，輸出端Uo為高電平1。電源通過電阻R對Ch和Cq充電，以使TH和TR口電壓Uo逐漸升高。當(dāng)其升高到2VCC／3時，LM555內(nèi)部發(fā)生翻轉(zhuǎn)使輸出端變低，此后LM555定時器內(nèi)的放電管導(dǎo)通。Ch和Cq通過Rh和放電管放電。當(dāng)TR和TH端口電壓下降到VCC／3時，輸出端又變高。其輸出波形如圖8所示。若濕敏電阻選CHR-01則R可取2 kΩ，Cq取68 pF。

3.3 PX-625型光控電路

    PX-625型光控電路由電阻型薄膜光敏電阻、LM555集成芯片及相關(guān)的電子元件組成，它利用三極管的導(dǎo)通和截止來控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并將控制信息傳給單片機(jī)。圖9所示是PX-625型光控電路原理圖。

4 軟件程序設(shè)計

4.1 程序流程

    本系統(tǒng)軟件主要由主控機(jī)程序和從機(jī)程序兩部分構(gòu)成。主程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)顯示、從機(jī)相關(guān)信息設(shè)定及通信的處理。系統(tǒng)的初始化包括寄存器的初始化(控制寄存器、堆棧、中斷寄存器等)，通信初始化(串口的初始化，MAX485的初始化，通信緩沖區(qū)的初始化)，數(shù)碼管初始化，輸出端口的初始化，以及采集、累計數(shù)據(jù)的初始化。數(shù)據(jù)顯示則包括各類參數(shù)、測量數(shù)據(jù)等的讀取和顯示屏的刷新。

    通信的處理主要是針對主空機(jī)與從機(jī)的信息交換與處理。主機(jī)程序流程圖如圖10所示。

    從機(jī)程序主要由溫／濕度信號采集程序、光控指示程序、報警程序、溫度存儲程序和響應(yīng)主機(jī)命令程序組成，該從機(jī)采樣流程圖如圖11所示。從機(jī)響應(yīng)主機(jī)的程序?qū)嶋H上是一個中斷處理程序。從機(jī)在工作過程中，當(dāng)檢測到主機(jī)發(fā)送來的命令時，它將停止溫度信號采集程序，轉(zhuǎn)而去響應(yīng)主機(jī)的請求。主機(jī)命令或請求有以下四種：報警查詢、設(shè)置從機(jī)時間、設(shè)置報警閾值和巡檢溫度。

4.2 主機(jī)與從機(jī)的通訊幀結(jié)構(gòu)

    由于溫室智能控制系統(tǒng)的溫度、濕度、光強(qiáng)的檢測和控制都用到了通訊，本系統(tǒng)選用RS-485總線通訊并采用通訊幀結(jié)構(gòu)。并約定數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)為現(xiàn)場信息，當(dāng)現(xiàn)場信息為SOH時才是合法的；第二個字節(jié)用來判斷是主機(jī)處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)還是從機(jī)檢測器發(fā)送的數(shù)據(jù)；三、四兩個字節(jié)為從機(jī)檢測器的ID號，每一臺檢測器的ID號都是不同的：五、六、七三個字節(jié)為功能碼；第八個字節(jié)為STX；后面的數(shù)據(jù)(DATA)為測試信息，其長度根據(jù)各功能碼而有所不同，也可以為零；倒數(shù)第二個字節(jié)為通訊結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)其為ETX時才合法；最后一位為通訊校驗(yàn)碼(BCC)。

5 結(jié)束語

    當(dāng)今科技發(fā)展迅速，單片機(jī)嵌入式開發(fā)有著光明的前景。由于單片機(jī)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、開發(fā)簡便，因而依然在工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)自動化、家電智能化等領(lǐng)域占據(jù)了廣泛的市場。本文介紹的系統(tǒng)設(shè)計有一定的實(shí)用性，但該系統(tǒng)在設(shè)計過程中仍有很多漏洞。還需要在智能化方面加以改進(jìn)。特別是語音告警、節(jié)省功耗，提高穩(wěn)定度等方面。