基于單片機(jī)的大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)研究蔬菜大棚智能溫濕度控制，設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的智能蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的溫濕度采集、溫濕度顯示、控制系統(tǒng)等系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)思想，以DS18B20和HM1500LF作為溫濕度傳感器，以AT89S52單片機(jī)為系統(tǒng)核心，最后利用DELPHI軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。該研究設(shè)計(jì)的蔬菜大棚智能溫濕度控制系統(tǒng)人機(jī)界面良好，操作簡(jiǎn)單方便，自動(dòng)化程度高，造價(jià)低廉，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：溫度采集；濕度采集；LCD顯示；單片機(jī)

0 引言
    植物的生長(zhǎng)都是在一定的環(huán)境中進(jìn)行的，在生長(zhǎng)過(guò)程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中影響最大的是溫度和濕度。若晝夜的溫度和濕度變化很大，其對(duì)植物生長(zhǎng)極為不利。因此必須對(duì)溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使其適合植物的生長(zhǎng)，以提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。
    本系統(tǒng)就是針對(duì)大棚內(nèi)溫度、濕度，研究單片機(jī)控制的溫室大棚自動(dòng)控制，綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經(jīng)濟(jì)性要求多方面因素之后，設(shè)計(jì)一種基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的大棚溫濕度控制系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的目標(biāo)功能如下：
    (1)系統(tǒng)能對(duì)大棚環(huán)境溫濕度進(jìn)行采集和顯示(現(xiàn)場(chǎng)觀溫、濕度，軟件記錄)。
    (2)能通過(guò)上位機(jī)端遠(yuǎn)程設(shè)定蔬菜的生長(zhǎng)期適宜溫濕度。由主控機(jī)統(tǒng)一設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間和溫度濕度修正值。
    (3)當(dāng)大棚的環(huán)境溫濕度參數(shù)超過(guò)設(shè)定的上下限值時(shí)控制相應(yīng)的系統(tǒng)啟動(dòng)。
    (4)可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度、時(shí)間、報(bào)警閾值等信息，并可查詢(xún)各時(shí)間段的溫濕度情況，并加以控制。

1 系統(tǒng)各組成模塊
    本系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器DS18B20采集溫度，HM1500LF采集濕度，經(jīng)過(guò)含有單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步分析處理，通過(guò)通信線(xiàn)路將信息上行到PC機(jī)，在PC機(jī)上可對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行任何分析、處理。用戶(hù)可以通過(guò)下位機(jī)中的鍵盤(pán)輸入溫濕度的上下限值和預(yù)置值，也可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行輸入，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的遠(yuǎn)程控制。如果環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)超越上下限值，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度和濕度狀態(tài)，直到溫濕度狀態(tài)處于上下限值內(nèi)為止。如果有預(yù)置初值，且與當(dāng)前狀態(tài)不相等時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)溫濕度狀態(tài)，直到所處的平衡狀態(tài)與預(yù)置值相等為止。
    上位機(jī)即PC機(jī)使用DELPHI軟件編寫(xiě)的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，可直接設(shè)置溫度的上下限值和讀取下位機(jī)的數(shù)據(jù)，并對(duì)下位機(jī)內(nèi)的控制設(shè)備進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫濕度狀態(tài)。形成作物生長(zhǎng)的走勢(shì)圖，從而通過(guò)生長(zhǎng)走勢(shì)圖得出適合各種作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境參數(shù)條件，為今后的溫室種植提供參考。
    上下位機(jī)之間通過(guò)符合串行總線(xiàn)RS 232標(biāo)準(zhǔn)的通信通道以事先約定的協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 總體電路及工作過(guò)程說(shuō)明
    使用智能溫度傳感器DS18B20進(jìn)行組網(wǎng)來(lái)測(cè)量各個(gè)采集點(diǎn)的溫度，HM1500LF來(lái)采集濕度，單片機(jī)AT89S52作為該系統(tǒng)的處理核心，單片機(jī)根據(jù)溫濕度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，把各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫濕度存儲(chǔ)并顯示在LCD液晶顯示器上，同時(shí)顯示在PC機(jī)上。

3 數(shù)據(jù)采集模塊
    本模塊主要采用DS18B20采集溫度，HM1500LF采集濕度，由單片機(jī)AT89S52作總的控制并顯示與傳輸。具體原理圖如圖2所示。

3．1 溫度傳感器DS18B20
    DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器，采用的是單總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)的輸入、輸出都通過(guò)同一條線(xiàn)，因此對(duì)時(shí)序有很高的要求，為了保證時(shí)序，需要做精確的延時(shí)，較短的延時(shí)可以通過(guò)用_nop_()來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序，用到的延時(shí)有15μs，45μs，90μs，270μs，540μs等，因這些延時(shí)為15μs的整數(shù)倍，因此可編寫(xiě)一個(gè)Delay15(n)函數(shù)，用該函數(shù)進(jìn)行大約15μs×n的延時(shí)，非常方便。程序如下：
   
    有了比較精確的延時(shí)保證，就可以對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)寫(xiě)、數(shù)據(jù)讀。根據(jù)時(shí)序圖，不難寫(xiě)出相應(yīng)的函數(shù)。
3．2 濕度傳感器HM1500LF
    濕度傳感器HM1500LF是法國(guó)Humirel公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位的線(xiàn)性電壓輸出濕度傳感器，HM1500LF的測(cè)濕元件選用濕敏電容，利用電容量與相對(duì)濕度的函數(shù)關(guān)系即可測(cè)量濕度。DS2450是美國(guó)Dallas公司最新推出的一種符合單總線(xiàn)協(xié)議的可組網(wǎng)集成A／D芯片，四個(gè)濕度傳感器分別接到一片DS2450的四個(gè)模擬電壓輸入通道A，B，C，D上，電路采用+5 V電源供電，必須在上電完畢后向地址1CH寫(xiě)入40H，使模擬電路永久地保持在工作狀態(tài)。利用該電路濕度檢測(cè)信號(hào)在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)就被直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此HM1500LF和DS2450組合在一起，就構(gòu)成一個(gè)單總線(xiàn)數(shù)字濕度傳感器模塊。

4 單片機(jī)軟件
    整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的相應(yīng)子程序模塊就大體定下來(lái)了。單片機(jī)程序組成如圖3所示。

4．1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)
    主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，在程序運(yùn)行的過(guò)程中必須先經(jīng)過(guò)初始化，流程圖如圖4所示。系統(tǒng)在初始化完成后就進(jìn)入溫度測(cè)量程序，實(shí)時(shí)地測(cè)量當(dāng)前的溫度并通過(guò)顯示電路在LCD上顯示。程序中以中斷的方式來(lái)重新設(shè)定溫度的上下限。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)完成對(duì)溫度的控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體流程圖如圖4所示。

4．2 DS18B20的子程序模塊
    DS18B20子程序調(diào)用要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：初始化、ROM操作指令、DS18B20功能指令。
    DS18B20的每一次操作都必須滿(mǎn)足以上步驟，若是缺少步驟或是順序混亂，器件將不會(huì)返回值。例如這樣的順序：發(fā)起ROM搜索指令[F0h]和報(bào)警搜索指令[ECh]之后，總線(xiàn)控制器必須返回初始化。
4．3 LCD液晶顯示子程序模塊
    液晶的使用首先要復(fù)位，其分為內(nèi)部RESET電路復(fù)位和指令程序進(jìn)行初始化。內(nèi)部電路復(fù)位對(duì)電源的要求要滿(mǎn)足如表1，圖5所示的條件才能復(fù)位，否則只能用程序進(jìn)行復(fù)位。

4．4 串口通信子程序
    單片機(jī)和通用微機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，首先要設(shè)置串行口的波特率為9 600 b／s，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。串口通信程序可以采用查詢(xún)和中斷的方式，由于單片機(jī)發(fā)送子程序的查詢(xún)和中斷方式的資源占用是一樣的，故發(fā)送采用查詢(xún)，接收子程序采用中斷。
4．5 PC機(jī)的上層軟件
    上位機(jī)軟件采用Borland Delphi編寫(xiě)。Delphi是Borland公司研制的新一代可視化開(kāi)發(fā)工具，具有良好的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)能力，是一個(gè)非常強(qiáng)大靈活的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)組件的集合。
    上位機(jī)軟件主要由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、大棚信息模塊、智能控制模塊、環(huán)境參數(shù)設(shè)置模塊、作物長(zhǎng)勢(shì)記錄模塊和直接控制模塊6大模塊組成，用戶(hù)可以通過(guò)界面內(nèi)作物生長(zhǎng)的走勢(shì)圖得出最適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件。上位機(jī)軟件控制界面友好，操作簡(jiǎn)單明了，十分適合用戶(hù)操作。如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文結(jié)合溫濕度測(cè)控多點(diǎn)、遠(yuǎn)程、高精度等要求設(shè)計(jì)了一個(gè)具有較高精度，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的多點(diǎn)溫濕度控制系統(tǒng)，以滿(mǎn)足大棚溫室溫濕度控制需要。相對(duì)于其他的溫度控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)注意了對(duì)大棚溫濕度控制系統(tǒng)性能的提高，注重溫濕度控制的遠(yuǎn)程化，合理考慮系統(tǒng)的制作成本和使用的方便性。本系統(tǒng)控制界面友好、操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)顯示采用表格或圖形的形式，使用戶(hù)更方便地查看，同時(shí)下位機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可根據(jù)需要再擴(kuò)展，系統(tǒng)性?xún)r(jià)比較高，有較好的實(shí)用性。