溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究（下位機(jī)部分）

摘要：隨著大棚技術(shù)的普及，溫室大棚的溫度控制已成為一個(gè)重要問題。目前應(yīng)用于溫室大棚的溫度檢測系統(tǒng)大多由模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成。這種溫度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量測溫電纜，安裝拆卸繁雜，成本高。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號，測量誤差較大，不利于控制者根據(jù)溫度變化及時(shí)做出決定。本文提出一種基于單片機(jī)并采用數(shù)字化單總線技術(shù)的溫度測控系統(tǒng)應(yīng)用于溫室大棚的設(shè)計(jì)方案，期望提高大棚農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：單總線技術(shù)；溫度傳感器；串行接口；溫室大棚

目前開發(fā)的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用了主機(jī)終端模式，該模式通過一個(gè)主機(jī)作為控制中心，負(fù)責(zé)對其它子系統(tǒng)進(jìn)行控制管理，該模式不靈活且投入大。分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)采用了所謂的客戶服務(wù)器模式。未來的計(jì)算機(jī)控制與管理是綜合性、多方位的，因此溫室環(huán)境測試與自動(dòng)控制技術(shù)將朝多因素、多樣化方向發(fā)展。

一、方案論證

溫度檢測系統(tǒng)有則共同的特點(diǎn)：測量點(diǎn)多、環(huán)境復(fù)雜、布線分散、現(xiàn)場離監(jiān)控室遠(yuǎn)等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號，需要設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電路才能把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到計(jì)算機(jī)去處理。這樣，由于各種因素會(huì)造成檢測系統(tǒng)較大的偏差，又因?yàn)闄z測環(huán)境復(fù)雜、測量點(diǎn)多、信號傳輸距離遠(yuǎn)及各種干擾的影響，會(huì)使檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降。所以多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和主控單元的設(shè)計(jì)。本章就分別對這兩部分的設(shè)計(jì)及具體選型進(jìn)行方案論證。

（一）傳感器部分

方案一：采用熱敏電阻可滿足40攝氏度至90攝氏度范圍內(nèi)的測溫要求，但熱敏電阻的精度、重復(fù)性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的。而且在溫度測量系統(tǒng)中，采用單片溫度傳感器，比如AD590，LM35等，由于這些芯片輸出的都是模擬信號，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī)，這樣就使得測溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，這種測溫裝置的一根線上只能掛一個(gè)傳感器，不能進(jìn)行多點(diǎn)測量。即使能實(shí)現(xiàn)，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。

方案二：在多點(diǎn)測溫系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測溫方法是將模擬信號遠(yuǎn)距離采樣進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而為了獲得較高的測溫精度，就必須采用一定措施解決由長線傳輸，多點(diǎn)測量切換及放大電路零點(diǎn)漂移等造成的誤差補(bǔ)償問題。而采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化，便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，能用做工業(yè)測溫元件，且線性較好。當(dāng)被測溫度在0-100攝氏度時(shí)，最大線性偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點(diǎn)是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，它直接輸出溫度的數(shù)字信號。因此由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89C51構(gòu)成的溫度測量裝置可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣，測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單，體積也不大，且由于AT89C51可以帶多個(gè)DS18B20，因此可以非常容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。

采用溫度芯片DS18B20測量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個(gè)趨勢。部分功能電路的集成使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。而且，集成塊的使用能有效地避免外界的干擾，提高了測量電路的精確度。

（二）主控單元部分

方案一：此方案采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)。它可在線編程、可在線仿真的功能讓調(diào)試變得方便，且人機(jī)交互友好。但是PC機(jī)輸出信號不能直接與DS18B20通信。需要通過RS-232電平轉(zhuǎn)換兼容，硬件的合成及在線調(diào)試較為繁瑣。而且在一些環(huán)境比較惡劣的場合，PC機(jī)的體積大，攜帶安裝不方便，性能不穩(wěn)定，給工程帶來很多麻煩！

方案二：此方案采用AT89C51八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨(dú)對多DS18B20進(jìn)行控制工作，也可以與PC機(jī)通信。運(yùn)用主從分布式思想，由一臺(tái)上位機(jī)（PC微型計(jì)算機(jī)）負(fù)責(zé)監(jiān)控，而下位機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集，組成兩級分布式多點(diǎn)溫度測量的巡回檢測系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。另外AT89C51在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。

（三）系統(tǒng)方案

綜上所述，溫度傳感器以及主控部分都采用第二方案。

系統(tǒng)針對傳統(tǒng)溫度測溫系統(tǒng)測溫點(diǎn)少，系統(tǒng)兼容性及擴(kuò)展性較差的特點(diǎn)，運(yùn)用分布式通訊的思想設(shè)計(jì)了一種可以用于大規(guī)模多點(diǎn)溫度測量的巡回檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的是RS-232串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，通過下位機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行現(xiàn)場的溫度采集，溫度數(shù)據(jù)既可以由下位機(jī)模塊實(shí)時(shí)顯示，也可以送回上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具有巡檢速度快、擴(kuò)展性好、成本低等特點(diǎn)。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)底層電路的功能主要包括：多點(diǎn)溫度測試及其相關(guān)處理，實(shí)時(shí)顯示溫度信息，與上位機(jī)通訊傳輸溫度數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊：電源以及看門狗電路，鍵盤以及顯示電路，溫度測試電路，串口通訊電路。

三、軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測量、計(jì)算、顯示、通訊等。每一個(gè)執(zhí)行軟件也就是一個(gè)小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。

首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。

四、結(jié)論

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越重視溫度因素，許多產(chǎn)品對溫度范圍要求嚴(yán)格，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，同時(shí)還有溫度信息傳遞不及時(shí)、精度不夠的缺點(diǎn)，不利于控制者根據(jù)溫度變化及時(shí)做出決定。因此，一種能夠同時(shí)測量多點(diǎn)，并且實(shí)時(shí)性高、精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。本設(shè)計(jì)就是在這樣的形勢下，提出的一種基于單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)用于溫室大棚內(nèi)溫度的控制，以提高大棚農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]曲喜貴.電子元件材料手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1989：422- 430.

[2]胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002：66-85.

[3]吉鵬，馬云峰等.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001：158-162.

[4]劉君華.智能傳感器系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999：154-160.