單總線多路溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計

嚴洪立，屈 ，梅容芳

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

0 引言

作為一種物理量，溫度給人最直觀的感受就是冷、熱，反映了分子熱運動的劇烈程度。任何農(nóng)作物都生活在具有一定溫度的外界環(huán)境之中，其生理活動、生化反應(yīng)等都受溫度的影響。通常，其生理生化反應(yīng)隨溫度的升高而加快、降低而變慢，體現(xiàn)為溫度升高，生長發(fā)育加速；溫度降低，生長發(fā)育遲緩。當(dāng)溫度高于或低于農(nóng)作物所能忍受的溫度范圍時，將物極必反，造成其生長緩慢、停止，發(fā)育受阻，甚至死亡。因此，農(nóng)作物種植應(yīng)根據(jù)作物特點，調(diào)節(jié)好作物生長環(huán)境溫度，為其提供最適宜的種植溫度。

溫度的變化具有季節(jié)性和晝夜性，夏季溫度高，農(nóng)作物產(chǎn)量品類多；冬季溫度低，農(nóng)作物產(chǎn)量少品類少，而溫室大棚的出現(xiàn)降低了溫度季節(jié)性對農(nóng)作物的影響。溫室大棚起源于羅馬的云母覆蓋，最早運用于促進黃瓜的早熟[1]。作為世界第二大農(nóng)產(chǎn)品出口國的荷蘭，土地資源稀缺，但廣泛運用溫室大棚種植技術(shù)，其玻璃溫室面積高達16.5萬畝，約占全世界溫室總面積的1/4，提高了農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，做到了花卉、蔬果出口量居世界第一，其中，溫室蔬菜占蔬菜生產(chǎn)總值的3/4。

我國溫室大棚種植歷史悠久，最早可追溯至秦朝時期，但沒有得到大規(guī)模的升級與推廣。自20世紀70年代開始，我國大力引進推廣新型溫室大棚，溫室農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展，溫室總種植面積已躍居世界第一，但受限于規(guī)模、成本等制約，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用不足。單作業(yè)溫室大棚農(nóng)戶無法承擔(dān)并使用大棚綜合因子測控系統(tǒng)，大棚種植主要靠人工維護，如溫度數(shù)據(jù)的采集依賴人體感受、溫度計測量，干預(yù)多且費時、費力，效率低，不利于充分發(fā)揮溫室大棚的優(yōu)點、為農(nóng)作物提供適宜的生長環(huán)境從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。因此，需要一種低成本、高效率的大棚溫度采集系統(tǒng)，幫助農(nóng)戶收集大棚各區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，輔助分析作物生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，改善農(nóng)作物種植方式，提高產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包含顯示模塊、控制模塊和多個溫度傳感器。其中，控制模塊采用單片機AT89C52作為中央處置器，負責(zé)處理與溫度傳感器的通信及溫度數(shù)據(jù)處理；顯示模塊為LCD1602，作為人機交互界面呈現(xiàn)，顯示溫度傳感器設(shè)備號及溫度數(shù)據(jù)；溫度傳感器采用DS18B20，在空間內(nèi)布局多個傳感器，以總線方式向控制模塊傳遞溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 主要硬件及系統(tǒng)電路

2.1 控制模塊

控制模塊的核心為AT89C52單片機，主要為51單片機最小系統(tǒng)，包含時鐘電路和復(fù)位電路。AT89C52為Atmel公司推出的8位低電壓、高性能微處理器，自帶8 k bytes的可擦寫Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器[2]。該單片機還兼容MCS-51指令系統(tǒng)，具有中斷、定時器/計數(shù)器、UART等常用功能，價格低廉，滿足大部分簡單的系統(tǒng)設(shè)計需求。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是應(yīng)用最多的傳感器之一，主要功能是感知溫度的變化，并將其裝換為穩(wěn)定的信號輸出，品類繁多，可按測量方式和傳感器材料進行劃分?？紤]到大棚布線及電路設(shè)計簡潔的實際，本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[3]，結(jié)構(gòu)簡單，一體化設(shè)計，僅有3個引腳，電路簡潔，只需一個I/O數(shù)據(jù)線相連傳輸即可，且價格便宜，測量精度高，使用壽命長，既經(jīng)濟又實用。

2.3 顯示模塊

由于大棚的空間范圍比較大，為了保證測量溫度的準確性和有效性，需要對大棚內(nèi)多個區(qū)域的溫度進行測量，在顯示模塊需要顯示多個數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)數(shù)碼管能夠顯示的內(nèi)容有限，且不夠靈活，需要耗費多個IO口，因此，本設(shè)計在顯示模塊采用LCD1602液晶顯示。LCD1602的芯片工作電壓在4.5～5.5 V，能夠顯示兩排，共32個字符，每個字符為5×8點陣，且能夠滾動顯示，滿足系統(tǒng)對多個溫度數(shù)據(jù)靈活顯示功能。

2.4 系統(tǒng)電路

系統(tǒng)電路中，控制模塊的XTAL1和XTAL2引腳接時鐘電路，為控制模塊提供穩(wěn)定的時鐘，RST引腳與復(fù)位電路相連，實現(xiàn)點擊輕觸開關(guān)復(fù)位；顯示模塊的VSS電源地引腳接地，VDD電源引腳接5 V電源，VEE液晶顯示偏壓引腳與滑動變阻器相連，實現(xiàn)液晶偏壓調(diào)節(jié)，其核心是3根控制線和數(shù)據(jù)線的連接，連接方式有直接控制方式和間接控制方式，這兩種連接方式區(qū)別在于間接方式比直接方式可節(jié)省4個I/O口和數(shù)據(jù)刷新耗時不同。考慮到溫度數(shù)據(jù)的刷新情況，本系統(tǒng)采用直接控制方式，將RS數(shù)據(jù)/命令選擇引腳與P2^0相連，RW讀/寫選擇引腳與P2^1相連，E使能信號引腳與P2^2相連，D0到D7數(shù)據(jù)引腳與P0接個上拉電阻后相連接；溫度傳感器A，B，C，D的VCC電源引腳接5 V電源，GND引腳接地，DQ數(shù)據(jù)引腳接上拉電阻后與P2^3相連。系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路

3 軟件設(shè)計

3.1 顯示程序設(shè)計

經(jīng)查閱LCD1602的驅(qū)動芯片數(shù)據(jù)手冊可知，在對LCD1602進行編程時，應(yīng)當(dāng)遵守讀寫時的序圖規(guī)則，并滿足基本的時序時間參數(shù)要求，RS，RW，E這3根控制線在不同的指令時，應(yīng)遵守基本操作[4]，具體如表1所示。在讀狀態(tài)時，RS清0，RW置1，同時，E應(yīng)保持高脈沖，即可從D0—D7引腳讀出狀態(tài)字；在讀數(shù)據(jù)時，RS和RW都應(yīng)置1，E保持高脈沖，即可從D0—D7引腳讀出數(shù)據(jù)；在寫命令時，RS和RW都應(yīng)清0，E保持高脈沖，才能向D0—D7寫入命令；在寫數(shù)據(jù)時，RS置1，RW

表1 LCD1602的4種基本操作

清0，E保持高脈沖，才能向D0—D7寫入數(shù)據(jù)。

3.2 溫度傳感器程序設(shè)計

由于DS18B20為單總線數(shù)據(jù)協(xié)議，因此，在每次操作時，數(shù)據(jù)/命令的讀寫只能一位一位地傳輸，從DS18B20的數(shù)據(jù)手冊時序圖可知，在編程時，需要先對DS18B20進行初始化；在讀操作時，先讀取一位數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)左移操作，將數(shù)據(jù)拼接為一個字節(jié)；在寫操作時，先把數(shù)據(jù)最低位取出，發(fā)送后，再把數(shù)據(jù)右移，取最低位發(fā)送，直至8位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。每個DS18B20都有64位光刻ROM，類似人的身份證號，具有唯一性。在單總線多路溫度傳感器采集時，需要先讀出ROM序列號，再將ROM序列號進行匹配，匹配成功后，方可將對應(yīng)的傳感器溫度數(shù)據(jù)讀取出來。

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)的程序中，先初始化LCD1602，待液晶顯示初始化完成后，再初始化DS18B20，將DS18B20的ROM序列號與單總線上對應(yīng)的溫度傳感器匹配后，再讀取該溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，將其顯示在LCD1602液晶屏幕上，如此循環(huán)，采集刷新，實現(xiàn)對大棚內(nèi)各區(qū)域溫度的實時采集顯示。系統(tǒng)程序的流程如圖3所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)在Proteus仿真軟件上進行仿真驗證，結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計方案可行，能夠?qū)崿F(xiàn)基于單總線對多路溫度傳感器數(shù)據(jù)處理顯示，實現(xiàn)對多點溫度測量，采集顯示的溫度精度為0.1 ℃，實時數(shù)據(jù)刷新，滿足溫室大棚對數(shù)據(jù)采集的需求；本系統(tǒng)利用51單片機最小系統(tǒng)，LCD1602液晶顯示和DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)，設(shè)計電路簡單，安裝調(diào)試簡單，操作方便，界面簡潔直觀，成本低廉，充分考慮了單作業(yè)溫室大棚種植農(nóng)戶的經(jīng)濟條件，符合農(nóng)戶的實際需求，具有一定的應(yīng)用價值。

圖3 系統(tǒng)程序的流程