蔬菜大棚智能溫度控制系統

文/王雪

智能溫度控制系統設計難度比較大，一方面會因為系統的綜合性與復雜性很強，其集成了多種軟件技術，所以系統的溫控功能很強，另一方面系統智能化要求比較高，相關人員還要從系統結構、模塊等方面設計出發，使系統具有智能化特點。在系統設計中，相關人員設計內容主要有硬件、上位機以及下位機的相關軟件等，在設計完畢，相關人員還要做好系統調試工作。本文主要針對蔬菜大棚智能溫度控制系統進行研究。

1 蔬菜大棚智能溫度控制系統硬件設計

智能溫度控制系統在溫控中，首先需要對蔬菜大棚的溫度進行實時監測，如果溫度不符合要求，系統會自行調控，使大棚永遠保持恒溫。在該過程中，會涉及到溫度自動檢測和自動控制系統，所以系統硬件設計要滿足檢測、控制功能。

1.1 系統硬件組成

硬件主要位于下位機，系統硬件主要包括溫度傳感裝置、溫度數值顯示屏、單片機以及報警裝置、電機。在該系統中，單片機處于核心地位，其主要接收溫度傳感裝置交互的溫度信息，信息主要呈現在顯示屏中，報警裝置也會接收該信息，如果報警裝置發出警報，則證明溫度不符合要求，與報警裝置相連接的空調系統則會立即處于開啟狀態，如此大棚內部的溫度便可以得到有效調控，大棚便可以一直保持恒溫狀態。

1.2 單片機

單片機主要選擇AT89C51形式，單片機的功能核心主要體現在CPU設計中，該器件中的運算器會對控制算法進行計算，計算數據是控制器的參考依據。單片機的接口主要為I/O形式，該接口代表輸入或輸出端口，其對應的連接對象是唯一的。單片機功能發揮主要依靠最初編輯的程序，該程序主要存在于程序存儲器中，單片機獲取的所有數據則被有效納入到數據存儲器中。在單片機應用中，經常會遇到系統時延現象，相關人員可以利用定時器來控制時延，使系統及時有效。中斷系統主要與CPU聯系在一起，執行其指令，共同控制系統。單片機的電路形式主要采取復位電路形式，在智能化控制系統中，這種復位電路主要表現為自動復位，當然人工復位也是常見形式。單片機的引腳功能主要控制電源和輸入輸出線路。

1.3 數字溫度傳感器

數字溫度傳感裝置主要為DS1820形式，這種傳感裝置通信功能強，其與I/O線連接起來，該條線便可以支持其與其他傳感裝置共同完成信息交互工作。在工作中，該裝置直接可以將溫度信息轉化為數字信息傳遞到顯示屏中，如果監測溫度不在-55-+125℃范圍內時，相關的報警溫度便會傳達給報警裝置，報警裝置會立即作出反應。溫度傳感器的存在，使得大棚內溫度得到量化分析。溫度轉化的數據主要被寫入RAM存儲器中。此外該裝置內部結構中還具有64位激光只讀存貯器。該種裝置在感應溫度時，主要參考計數脈沖振蕩器在門電路中的順利程度，如果整個過程比較順利，則證明溫度低，反之溫度則高。

1.4 LCD1602簡介

顯示屏內部的控制器需要控制多種項目，其在完成指令時，也需要在高度控制環境中操作，所以其內部的可編程控制命令很多，共計11個，這些指令可用在屏幕數值清除、光標返回以及顯示開關控制等方面。

1.5 報警電路

報警電路主要連接報警裝置，該電路可以通過警笛判斷線路的安全狀態，如果報警裝置一直發出聲響，則證明線路還未完全斷開。

1.6 串口通信標準

串口通信是指各種器件通過串口連接在一起，實現信息交互功能，針對該項功能，相關人員還要設計串口通信標準，一般采取RS-232C為串行通信標準。其在系統中也是連接端口，主要作為兩個通信裝置的信息交互通道。在利用該種標準時，相關人員還要明確其電氣特性。在串口通信中，相關人員要將下位機硬件系統與上位機的測控系統聯系起來，以達到兩者之間的指令信息傳遞反饋目的，特定通信協議可以使兩者之間的信息交互更加方便有效。在串口通信中，還會應用到VSPD軟件，該軟件兼容性較強，其功能與COM端口類似，所以其能有效連接所有信號線。該軟件具有虛擬性特點，其存在的兩個串口可以分別與上下位機聯系起來。

2 下位機軟件設計

2.1 主程序設計

在主程序設計中，相關人員需要設計四種模塊，溫度測量模塊、數值顯示模塊、電機調控模塊以及報警模塊。相關人員要根據四種功能模塊的功能要求與特點等，編輯相關的語言程序。

2.2 讀取溫度設計

溫度讀取裝置會與單總線串聯在一起，單總線會向其傳遞相關電流，裝置還會與高信號線建立聯系，從中獲取能量，當電路處于低信號狀態時，系統會中斷通電，電平恢復常態，電源才會聯通系統。裝置在讀取溫度時，還會借助外部5V電源的電能。在用C語言編寫溫度數據讀取程序時，還要對讀取時間進行限制，使裝置的各個讀取指令能在固定時間內完成。在溫度測量讀取中，會出現整數和小數，相關人員要在溫度處理流程中，將小數部分整數化。儀器獲取的溫度為代碼形式，相關人員要將其轉化為實際的溫度數值。溫度可以精確到0.1℃。

2.3 液晶顯示器LCD1602

該裝置屬于溫度顯示系統的一部分，其顯示部分主要為字符或數字等，字符在顯示過程中，并不會形成圖形形式，因為字符上下、左右均有間隔。

2.4 電機的控制

電機控制模塊很重要，在智能溫度控制系統中，電機運行速率的轉變意味著溫度調控變化，相關人員還要規定電機運行溫度。28℃可以作為溫度界限，界限以下，電機處于非運行狀態，超過該界限，電機的占空比數值會加大，電機會處于運行狀態，當溫度高到一定程度時，電機運行會處于平衡狀態，電機控制力度會加大。

2.5 報警器的啟動

報警器要準確啟動，系統才能達到智能控溫目的。所以報警器的啟動設計也很重要，相關人員要設計報警溫度，一般選擇28℃為界限，超過該界限，報警裝置會啟動，發出蜂鳴。還要設計警聲控制主程序，在主程序中，不僅要設置報警信號，還要設置頻率。

2.6 串口通信模塊

在串口通信模塊設計中，相關人員主要對線路類型進行確定，對連接形式進行設計，該模塊選擇的線路主要有TXD、RXD、GND三種，前兩者主要為交聯關系，后者選擇直連形式。這三種線路可構成串口，完成信息交互任務，所以不需要連接其他的信號線路。

3 上位機測控系統軟件系統

3.1 總體要求

上位機測控系統軟件在溫度測量控制中起著重要作用，相關人員在設計該軟件時，還要按照溫度智能測控要求，確定系統結構。相關人員還要選擇合適的設計方法，RUP面向對象設計法可以滿足系統軟件設計的總體要求。軟件開發不僅要滿足系統的功能要求，還要滿足開發平臺要求，即軟件能與運行平臺相匹配，如此軟件才能得到有效運行和利用。軟件要滿足兼容性要求，如此其與平臺中的數據庫管理系統以及操作系統才能相適應。在編寫開發程序時，相關人員一般選擇Matlab工具進行編寫。

3.2 軟件開發

軟件開發要滿足規范化要求，還需要按照正常的流程進行，在正式開發中，相關人員需要做好軟件開發需求分析工作，基于此，作出初步設計，在糾偏找茬中，相關人員還要做好詳細設計。最后將設計內容轉化為代碼，編制相關程序。在需求分析中，相關人員要考慮到蔬菜大棚在不同季節、不同時間段對溫度的需求情況，然后確定每個季節或每個時間段的標準溫度，將其作為控制參考，以保證實際溫度控制的精確度。上位機系統軟件設計主要是為了代替傳統人工測溫控溫方式，因為上位機可以直接呈現實時溫度數值，并儲存相關的溫度數據，作為操作人員的參考依據。在上位機部分設計中，相關的軟件系統主要滿足包括五大模塊，分別是串行通信、數據顯示、歷史數據儲存及趨勢顯示、數據查詢、標準參數修改模塊，這五大模塊各自發揮功能，使大棚的溫度得到有效調控。

3.3 上位機測控功能

在上位機測控功能發揮中，上位機還要對相關的溫度數據進行分析處理。溫度數據可來自下位機或其他系統結構，這些數據最終會被錄入數據庫中。相關人員可觀察這些數據的趨勢圖，從中找到溫度變化規律，從而確定標準溫度，并在溫度調控模塊中，修改標準溫度參數。該系統中的數據庫不是唯一的，其功能比較強大，覆蓋了整個智能溫控系統的所有數據，所以其設計文件數量不止一個，而是十個。相關人員所修改的歷史標準溫度數值都會被儲存在標準值表中，相關人員可從溫度信息表中，隨時獲得傳感裝置測得的實時溫度，以檢查大棚是否處于恒溫狀態中。

3.4 應用程序的設計

在設計應用程序時，相關人員可借助MATLAB軟件來仿造系統模型，在建模中，完成設計、修改等工作。應用程序的設計內容包括顯示界面、停止接收功能、設置功能、查詢功能。在顯示界面設計中，應將其設計成可視化窗口，在該界面中，要設置通信端口、溫度值以及當前溫度值，這三種事項都有多種選擇，其次在界面中還要設計確定、設置、停止接收、查詢功能按鈕，這些按鈕主要為用戶操作提供選擇方向。在停止接收功能設計中，相關人員要提高其控制作用，使其能在按鈕落下同時控制溫度顯示數值，使該數值不再發生變化，該數值為接受停止按鈕落下時的實時溫度值，所以當停止接受按鈕作用時，相關人員不應再以可視化窗口顯示溫度為測量數值，還應到現場親自測量。確定鍵可以改變停止接收鍵的狀態，點擊確定鍵，顯示界面會在第一時間內恢復正確的實時溫度數值。在設置功能設計中，相關人員可通過點擊“設置”按鈕，進行溫度上限以及其他閾值設計，該設置限值將會成為電機狀態以及報警裝置狀態的參考依據。當溫度超過閾值時，報警裝置會作出反應，系統會立即處于開啟狀態，電機也會準備就位，為溫度調控做準備。在查詢功能設計中，“查詢”按鈕會與數據庫建立聯系，相關人員通過點擊查詢按鈕，便可以獲得數據庫中的相關數據。這些歷史數據會以圖文并茂形式呈現在顯示界面上。多個溫度數據會顯示出波浪形。

4 系統調試

當系統設計完畢，相關人員還要按照設計圖紙，進行材料安裝，最終的系統成品還要經歷調試工作，才能進入到應用環節。在系統調試中，相關人員要對測溫數值進行檢查校準。檢查對象主要為數碼管，在檢測中，相關人員要利用溫度計等測溫裝置測量大棚溫度，然后將其作為實際溫度標準數值，對數碼管顯示數值進行檢查，如果兩者相差無幾，則證明系統不存在偏差。否則相關人員需要對溫度值轉換程序進行調整，使相關的參數正常化、規范化，這是初步調整，在二次調整中，相關人員要對非線性誤差進行校正，使相關參數在溫度差范圍內。

5 結語

智能溫度控制系統設計要符合蔬菜大棚的基本要求，在系統設計中，相關人員還要以現實環境溫度變化規律為參考依據。每種設計對象都要符合總體要求以及功能要求。在調試中，可能會遇到各種新問題，相關人員還要將這些問題作為調試控制點，以使系統更加完善，最終為蔬菜生長提供良好適宜的環境，恒溫環境會使時蔬更加新鮮美味。