基于花房的溫度濕度光照控制系統(tǒng)設計*

劉鵬娟，任宇雙

(阿壩師范學院，四川 阿壩 623002)

0 引 言

溫度、濕度和光照度與人類的日常活動有著不可分隔的聯(lián)系[1]。在農業(yè)方面，環(huán)境參數(shù)的測控直接影響到農產品的質量與產量。所以，研發(fā)一種擁有準確、快速的測控系統(tǒng)受到各方的重視。傳統(tǒng)的控制是由人工利用干濕表對環(huán)境數(shù)據(jù)進行記錄，再通過控制遮陽網(wǎng)、加濕器等對不符合要求的環(huán)境進行修正[2]。由于這樣做成本高且管理不便，已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)信息化的要求。針對傳統(tǒng)控制的缺點，對基于花房的溫度、濕度和光照的控制系統(tǒng)展開研究，筆者設計了一種能為用戶提供實時數(shù)據(jù)并在進一步分析處理后控制調節(jié)機構使環(huán)境處于適宜條件下的控制系統(tǒng)。

1 設計思路

基于花房的溫度濕度光照控制系統(tǒng)設計，主要是以STC89C52單片機為核心，利用溫濕度傳感器DHT11和光敏電阻采集環(huán)境參數(shù)，然后將數(shù)據(jù)實時顯示在LCD1602液晶屏上。利用按鍵設置環(huán)境參數(shù)上下限值，若超出范圍，將進行聲光報警。同時利用VB軟件在PC端編寫上位機，通過CH340將下位機數(shù)據(jù)傳送至上位機進行顯示、曲線繪制、超限報警判斷等。實現(xiàn)在PC端的實時監(jiān)測控制。當花房實際測量值不滿足設定值時，單片機驅動繼電器打開執(zhí)行機構對環(huán)境做出修正。

2 溫度濕度光照的控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路

由于此次的設計需要實現(xiàn)的功能簡單，STC89C52數(shù)據(jù)存儲空間足夠，數(shù)據(jù)處理也比較容易[3]。在89C52單片機中，單片機接收到來自傳感器的信號，處理后由 P0口傳送數(shù)據(jù)至LCD1602液晶屏顯示。最小系統(tǒng)電路如圖1所示。

圖1 單片機最小系統(tǒng)電路

2.2 顯示電路

此設計的LCD1602液晶屏顯示電路由LCD1602芯片和電阻兩部分組成。LCD1602第1腳接GND，第2腳接VCC為電源輸入腳。第3腳通過一個2K的電阻連接到地端。第4腳接P1.4腳。第5腳接P1.5腳。第6腳接P1.6腳上。第7腳到第14腳接P0口上。第15腳連接VCC，第16腳連接GND[4]。液晶顯示屏的電路圖如圖2所示。

圖2 LCD1602液晶顯示屏的顯示電路

2.3 溫度濕度光照檢測電路

2.3.1 溫濕度檢測電路

此設計的溫濕度檢測電路由DHT11和電阻組成。單片機的P3.7口用來發(fā)收串行數(shù)據(jù)。連接傳感器的Pin2(DATA)口。在傳感器的Pin2(DATA)口與Pin1(VCC)口之間連接一個5K電阻，Pin1接VCC，Pin4接GND，Pin3懸空[5]。電路圖如圖3所示。

圖3 溫度濕度檢測電路

2.3.2 溫濕度檢測電路

本設計的光照度檢測電路由ADC0832、光敏電阻、電阻組成。光敏電阻隨著光照的強度變化，輸出電壓信號高低變化送到AD轉換電路，經(jīng)過模數(shù)轉換后將數(shù)字信號通過Pin5、Pin6傳送數(shù)據(jù)到單片機進行處理[6]。電路圖如圖4所示。

圖4 光照檢測電路

2.4 按鍵電路

電路圖如圖5所示。

圖5 按鍵電路

此設計的按鍵電路由3個按鍵組成，分別為KEY1，KEY2，KEY3。通過按鍵(設置、加和減)可以完成溫濕度光照度的參數(shù)設置。短按(3 s)設置鍵——切換設置項目設置參數(shù)上下限；長按(3 s)設置鍵——可以實現(xiàn)退出設置功能[7]。

2.5 繼電器控制電路

此設計的繼電器控制電路由繼電器、PNP三極管、發(fā)光二極管、接線柱、電阻組成[8]。單片機的P2口接繼電器模塊，當三極管導通時(三極管b極接收低電平信號)，相應的模塊開始工作，LED被點亮進行提示。電路圖如圖6所示。

圖6 繼電器控制電路

2.6 報警電路

此設計的報警顯示電路由PNP三極管、蜂鳴器、發(fā)光二極管、電阻組成[9]。當三極管導通時(三極管b極接收低電平信號)，LED被點亮、蜂鳴器發(fā)聲。反之(三極管b極接收高電平信號)，發(fā)光二極管、蜂鳴器停止工作。報警電路圖如圖7所示。

圖7 報警電路

2.7 電源和串口電路

本設計的電源和串口電路開關、接線柱組成。

由于本設計采用的是USB轉TTL模塊，該模塊本身就提供了5 V電源，所以把電源開關并入這個模塊，串口接口使用的是4Pin排針，通過杜邦線連線到USB轉TTL模塊[10]。電路圖如圖8所示。

圖8 電源和串口電路

3 溫度濕度光照的控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機

下位機程序流程圖如圖9所示。

圖9 下位機程序流程圖

程序最開始先進行液晶和串口的初始化配置，然后就進入一個循環(huán)體繼續(xù)執(zhí)行代碼。進入循環(huán)體的第一個任務是判斷是否按鍵進入?yún)?shù)設置；第二個任務是讀取溫度濕度光照值，把測量結果更新到液晶顯示；第三個任務是判斷把測量結果與設定值大小，執(zhí)行不同指令[11-12]。

3.2 上位機

在打開操作界面以后，主窗口進行等待，當前頁面可以實時監(jiān)測溫度濕度光照，修改環(huán)境參數(shù)設置并且進行超限提醒。每隔一秒鐘下位機通過傳感器采集數(shù)據(jù)并運輸?shù)絾纹瑱C進行處理，達到實時顯示的效果。操作流程圖如圖10所示。

圖10 上位機操作流程圖

4 硬軟件功能測試

4.1 硬件接線圖

硬件接線圖如圖11所示，首先將USB插入電腦接口(查看是哪個com口，例如com4)，之后按下開關鍵，啟動整個系統(tǒng)，再將PC端.exe文件打開，將上位機與下位機相連，可顯示實時數(shù)據(jù)。長按第一個按鍵(模式選擇鍵) 進入設置界面；短按第二個按鍵(加鍵)第三個按鍵(減鍵)對上下限值進行修改；修改完成后長按第一個按鍵(模式選擇鍵) 退出設置界面。

圖11 硬件接線圖

4.2 軟件仿真

LCD1602顯示圖如圖12所示，修改設置圖如圖13所示，其中ight表示光照強度，T表示溫度，H表示濕度。

圖12 LCD1602顯示圖

圖13 修改設置圖

當檢測值不在預設值范圍內，實現(xiàn)自動控制調節(jié)。例如當光照度超過上限時，聲光報警電路報警(LED-YELLOW點亮)，啟動遮光部分燈光報警(LED-RAD點亮)，繼電器打開遮光網(wǎng)運行(LED-GREEN點亮模擬繼電器啟動)。

4.2 軟硬件功能測試

在安裝了上位機的計算機上進行測試，在下位機的連接方面：首先設置串口號，配置完成后，燈顯示為綠色，表示下位機已經(jīng)連接成功。上位機的左下角報警值設置，圖14上位機顯示圖中的左下角方框內的值可以隨時更改，完成后點擊設置按鈕，完成設置。看到曲線有顯示、溫度濕度光照有顯示即為正常使用情況。

圖14 上位機顯示圖

4.3 實驗結果

硬件電路測試完成后，對數(shù)據(jù)進行整理，用溫濕度、光照儀顯示的值作為真實值(A0)，LCD1602顯示的值為測量值(A1)，對兩者數(shù)據(jù)進行觀察、記錄、統(tǒng)計和分析。

下面對兩者顯示的各個組別的數(shù)據(jù)比值(a=A1/A0)、相對誤差(r=ΔA/A0)，數(shù)據(jù)記錄如表1～3所列。

表1 溫度結果記錄表

由表1統(tǒng)計可得溫度平均相對誤差如式(1)所示：

ACU1=(0.056 604+0.006 289+0.003 559+

0.002 268+0.004 149)/5

=0.014 573 2

(1)

由表2統(tǒng)計可得濕度平均相對誤差如式(2)：

表2 濕度結果記錄表

ACU2=(0.004 525+0.008 264+0.001 757+

0.011 730+0.003 322)/5

=0.005 919 6

(2)

由表3統(tǒng)計可得光照度平均相對誤差如式(3)：

表3 光照度結果記錄表

ACU3=(0.016 394+0.018 405+0.009 217+

0.003 068+0.001 362)/5

=0.009 689 2

(3)

從結果中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行良好,達到了設計的目的。可以看到上位機顯示數(shù)據(jù)情況良好，能實時顯示、設置、提示。

5 結 論

采用一定硬件設計及Visual Basic編程工具,完成了了溫度濕度光照的控制系統(tǒng)設計,測試后得出以下結果：

(1) 采用的上下位機設計后，不僅能在現(xiàn)場看到實時的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，還能遠程處理數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了實時監(jiān)測、控制。

(2) 上位機實時采樣后計算機進行處理，能看到相應的讀數(shù)與走勢圖，大大的減少了人工讀數(shù)的誤差。該設計主要是將現(xiàn)場測控與遠程測控相結合，將得到的實時數(shù)據(jù)轉化為圖像進行分析和自動控制，在減少人為工作量的同時，又極大的提高了系統(tǒng)工作效率，該系統(tǒng)具有智能、便捷易操控的特點。