自動控溫追日栽培裝置的研究與設計

賈小偉 張麗麗 趙思源 李冬雨

【摘 要】花卉、蔬菜種植越來受到歡迎。栽培裝置既可以美化環境，提高生活質量，又可以用于規模生產，提高花卉、蔬菜的質量，改善人們的生活。文章介紹了一種自動控溫追日栽培裝置，自動控溫模塊采用單片機作為主要控制元件，控制過程包括溫度采集、信號轉換處理、調溫控制及報警與顯示等。

【關鍵詞】自動控溫；栽培裝置；研究；設計

【中圖分類號】S223 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）06-0088-03

1 自動控溫模塊的設計

蔬菜生長需要適宜的溫度，家庭種植環境溫度相對穩定，一般符合蔬菜的生長需要。蔬菜種植的溫度控制模塊只需要進行小范圍調整就可以了。自動控溫模塊采用單片機作為主要控制元件，控制過程包括溫度采集、信號轉換處理、調溫控制及報警與顯示等。自動控溫原理圖如圖1所示。

1.1 溫度采集單元

模塊采用溫度傳感器AD590構成測溫體系。AD590是一種電壓輸入、電流輸出型集成溫度傳感器，測溫范圍為-55 ～150 ℃，精度高，非線性誤差僅為±0.3 ℃，調節系數為1μA/K，其輸出電流I=（273+T）uA。

1.2 信號轉換處理單元

AD590將檢測到的信號轉換后輸入模數轉換ADC0809芯片。ADC0809是芯片輸出端具有可控的三態門，這種芯片的輸出端可以直接和系統總線相連，由讀信號控制三態門，轉換結束后，CPU執行一條輸入指令，從而產生讀信號，將數據從A/D轉換器取出。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉換器，CMOS工藝，可實現8路模擬信號的分時采集，片內有8路模擬選通開關，以及相應的通道地址鎖存譯碼電路，其轉換時間為100μs左右。

1.3 調溫控制單元

模塊采用DAC0832芯片進行調溫控制，當溫度高于設定溫度時，斷開加熱線路，使整個裝置降溫，反之則繼續加熱。調溫主控芯片DAC0832的溫度數據是由8255芯片傳送的。接口芯片8255具有多種功能的可編程并行接口電路芯片。8255芯片的基本功能是以并行的方式在系統總線與I/O設備之間傳輸數據。通過8255芯片將信號傳輸給降溫控制單元和報警顯示模塊。

模塊各單元控制芯片、控溫電機、顯示器等連接成完整模塊系統，然后將編寫好的程序灌入芯片，經過適當調試，即可實現模塊的溫度調節控制功能。

2 太陽能跟蹤模塊設計

太陽能是一種天然的、干凈的能源，具有很大的潛在利用價值，也具有很廣的應用范圍。盡管太陽能具有清潔、經濟、儲能大等優點，但太陽能也具有很多缺點，比如，太陽輻射方向時刻在變；太陽能總能量大，但能量密度較?。惶栞椛淠苁芴鞖庥绊戄^大等。因此在相同條件下，太陽能自動跟蹤控制方法可以提高35%的能量利用率，降低25%的使用成本。通常太陽能跟蹤控制方法有勻速控制法、光強控制法及時空控制法3種。本設計采用光強控制法。

2.1 模塊硬件設計

蔬菜生長是需要陽光的，室內栽培光線會受到影響。本設計采用光強控制法讓蔬菜栽培架可以隨太陽光旋轉，保證蔬菜的光照充足。

太陽能跟蹤模塊采用雙軸跟蹤系統，同時在方位角和高度角2個方向上跟蹤，由2個步進電機組成。傳感器把接收到的光信號轉換成電信號，電信號經過信號處理及控制電路后，由控制電路輸出相應的控制信號驅動方位角調整機構和高度角調整機構實現相應的位置調整。太陽能自動跟蹤總體框圖如圖2所示。

太陽能跟蹤模塊主要有單片機控制單元、光電采集單元、模數轉換單元及電機驅動單元等4個單元。光電采集單元通過4套由光電二極管、電阻等組成的光敏電路構成（光電采集單元連接電路圖如圖3所示），采集太陽光照。然后將采集來的太陽能信息傳輸給由PCF8591模數/數模轉換芯片為核心的數模轉換單元。單片機控制單元獲得數控轉換單元轉換的太陽能信號，并將數據進行處理，發送給電機驅動單元。電機驅動單元的步進電動機按照單片機控制單元發送過來的脈沖信號控制模塊運動。

2.2 模塊軟件設計

工作流程圖如圖4所示。模塊分成手動工作模式和自動工作模式2種。手動模式下，由按鍵控制，分上、下、左、右4個按鍵控制步進電機運動，達到使栽培架相應地做上、下、左、右移動的效果。手動模式工作流程圖如圖4（1）所示。

在上電初始化之后，默認設置的是手動模式，通過中間的key_state按鍵切換手動與自動模式。手動模式下按key_state切換到自動模式，自動模式下按key_state切換到手動模式。工作模式工作流程圖如圖4（2）所示。

自動模式下，單片機通過光電采集單元的4個光敏電阻，來檢測采光板上、下、左、右4個方向的光強度值，然后控制步進電機工作，使栽培架正面移動到與光強度值最大的一方垂直。自動模式工作流程圖如圖4（3）所示。

根據各功能要求，按照單片機的規定編寫動作的控制程序，然后將程序灌入單片機中即可對模塊硬件進行控制。當光線照射到栽培裝置，光線采集單元采集裝置光線照射情況，并將經過轉換、計算得到的信號發出控制裝置協調工作。最后根據設計圖紙將裝置裝配到一起實現自動控溫、太陽能跟蹤等功能。方向控制程序片段如圖5所示，自動控溫追日栽培裝置實物圖如圖6所示。

3 結語

花卉、蔬菜種植越來受到歡迎。栽培裝置既可以美化環境，提高生活質量，又可以用于規模生產，提高花卉、蔬菜的質量，改善人們的生活。

參 考 文 獻

[1]曹華，李新旭.陽臺蔬菜無土栽培專用裝置及栽培技術[J].農業工程技術，2017，37（10）：19-22.

[2]王定玲，夏美娟.太陽能自動跟蹤系統設計[J].江蘇科技信息，2017（2）：62-63.

[3]王林軍，邵磊，門靜，等.太陽能自動跟蹤系統的研究現狀及展望[J].中國農機化學報，2014，35（1）：283-287.

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[責任編輯：鐘聲賢]