基于單片機的大棚溫室溫度測控系統設計

魏曉艷

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安710300)

0 引言

隨著農業科技化的推廣，人們越來越認識到智能化帶來的便利，本文旨在建立一套智能化的大棚溫室溫度控制系統，可自動進行大棚溫度的監測和控制。在系統構建設計時，選用單片機作為溫控系統的主控制器，實現對大棚溫室溫度的控制。與其他溫度測控系統相比，該系統操作比較便捷，只需要設定溫度范圍，系統會根據大棚內部實際溫度進行實時控制，能更加準確地測量及顯示大棚內溫度。當溫度高于閾值上限時，換氣扇會自動啟動；當溫度低于閾值下限時，加熱裝置會自動增溫，并且會發出報警信號。該系統具有靈敏度高，運行穩定的優勢。

1 系統設計目標

目前，針對大棚溫室溫度測控手段比較多，但是大多需要投入較高資金，因此一些中小型溫室大棚用戶基本上采用稻草簾、遮陽網等措施來對大棚進行保溫，通過開啟通風口來對大棚進行降溫，這種人工控溫方式效率較低，而且會消耗一定的人力物力。基于單片機的大棚溫室溫度控制系統，通過仿真平臺對系統進行制作與調試，可以有效縮短設計周期，實現溫室大棚內溫度的實時監測，將溫差控制在±0.5 ℃之內。一旦超出預設的溫差值，系統會立即向農戶發出報警信號，與此同時，溫度調控系統會開始工作，對大棚內的溫度進行調節，保證大棚內溫度適合農作物的生長，有效提高農作物的產量，增加農戶收入[1-2]。

2 系統需求分析

2.1 硬件需求

溫室大棚溫度測控系統硬件包括接口電路、傳感采集電路、微控制器、電源、通信電路、電平轉換電路及報警電路。通過CPU與MCU對多路傳感信號進行檢測與處理。由于需要一定的存儲空間，所以存儲器要便于空間拓展，選用帶有可拓展的I/O接口。在傳感器方面，采用數字元件可以有效減少輔助器件的使用，提升系統的穩定性。

2.2 軟件需求

軟件系統包括主程序、通信模塊程序、顯示模塊程序和采集模塊程序等。軟件要具備：獨立的信號采集服務模塊，針對不同傳感器的性能及特征采取不同的采集方法，且能配合不同硬件的參數指標，滿足硬件設計的需求；確保可以通過網絡與終端進行通信；顯示系統簡單明了，便于參數調整，提高系統使用的智能化操作。

3 總體設計

為了進一步節約研發成本，采用虛擬仿真軟件對平臺進行優化。以單片機STC89C52為核心，采用DB18B20型傳感器對大棚溫室溫度進行實時采集；對采集的溫度數據進行處理后，通過液晶器件LCD1602實時顯示溫度；與預先設定的溫度閾值進行比較后，控制溫度調節設備的工作狀態。系統總體設計框架如圖1所示。

4 硬件電路設計

4.1 主控制器

選取STC89C52芯片作為系統的主控制器部分，使用傳感器實施溫度采集并傳輸到STC89C52芯片，經過小系統的內部處理，利用運算器和控制器將獲取的實時數據與系統設置的溫度閾值進行對比，將信號通過網絡傳輸到電腦或者手機客戶端，上位機根據獲取的數據進行溫度控制，處理后的結果返回單片機，單片機再將命令傳達給執行機構，從而實現對溫室溫度的測控。主控制器在整個系統中的作用十分重要，STC89C52芯片具有穩定性強、實際消耗低和較高性能的優點，同時具有很強的外部抗干擾能力。單片機可以實現對溫度的巡回測量，根據采集的溫度進行優化補償，達到測控溫度的目的[3-4]。集散控制系統如圖2所示。

圖2 集散控制系統實現Fig.2 Implementation of distributed control system

單片機通過采集傳感器傳輸的數據進行系統的參數對比，并將巡回測量的數據進行加密存儲，同時可以與上位機進行通信。

4.2 溫度采集傳感器電路設計

4.2.1 集成數字化DS18B20傳感器

選用集成溫度傳感器DS18B20作為系統的溫度采集傳感器，其具有以下優點。

(1)采用單總線傳輸方式，與單片機連接簡單。

(2)方便單片機控制和處理。

(3)電路設計合理、簡潔，性質穩定。

(4)體積小，全數字化輸出，方便單片機攜帶。

(5)組建網絡結構簡單，可實現多點測控，兼顧監控與溫控。

由DS18B20組建的傳感器網絡具有系統設計靈活、方便連接、可實現多點溫度采集，以及具有良好抗干擾性和適應性強的特點。

4.2.2 溫度傳感器設計

(1)內部結構設計。

DS18B20的內部結構由溫度靈敏器、可記憶溫度報警觸發裝置TH和TL、64位光刻ROM以及8位配置寄存器組成。DS18B20的內部結構如圖3所示。

圖3 DS18B20的內部結構Fig.3 Internal structure of DS18B20

(2)DS18B20存儲器模塊。

DS18B20存儲器模塊的設計目的是控制數據的采集、存儲和處理。工作原理是單片機下達溫度轉換指令后所有模擬信號將以數字信號的方式進行數據處理[5-6]。

4.3 遠程通信模塊設計

選用的通信網絡是RS-232與GSM相結合，實現對信息的傳輸和對系統設備的管理。在系統中，通信網絡模塊的工作原理：利用溫度傳感器DS18B20采集大棚溫室的溫度數據，數據傳入到單片機后，單片機STC89C52對數據進行處理，利用RS-232通信模塊，將數據傳輸到電子計算機或者手機客戶端，實現采集數據的處理，如圖4所示。

圖4 數據遠程采集無線通信原理Fig.4 Schematic diagram of wireless communication for remote data collection

4.4 相關電路硬件設計

4.4.1 定時器電路

選用Xicor公司X25045集成芯片，由于其性能可靠且自帶功能豐富，可以作為程序的定時器。設置定時器標準參數，當系統程序開始倒計時，如果程序運行情況良好，定時器將進入復位，重新進行倒計時。若待查的系統沒有正常運行，那么該模塊將進行整個系統的復位。

4.4.2 鍵盤和顯示電路

鍵盤是電子計算機的輸入設備，可以將控制命令傳達給單片機進行溫度控制。選用4×4矩陣式非編碼鍵盤，通過軟件進行識別和操作[7-8]。

5 軟件設計

系統軟件采用模塊化結構，根據硬件設計，對其進行編程、設計與測試，再將各模塊拼接成整個系統，最終實現大棚溫室溫度實時測控。

5.1 主程序設計

作為測控系統中最重要的一個模塊，主程序通過對系統的智能化自檢，達到初始化目的，對于參數的測試和控制都在子程序中進行。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow

主程序通過調用子程序來實現控制，子程序可以實現對溫度的采集、鍵盤掃描、數碼管溫度顯示、按鍵處理，以及中斷控制、單片機通信等功能。此種設計有利于軟件后期的維護和升級。

5.2 溫度采集器軟件設計

溫度傳感器DS18B20程序設計如下。在程序續寫之前，進行DS18B20復位操作，目的是驗證DS18B20的存在。MCU將數據線下拉480～960 ms，釋放數據線后再等待60 μs。若MCU接收DS18B20發出的信號是低電平，那么表示復位成功。

5.3 通信TC35模塊的軟件設計

啟動TC35模塊程序，進行初始化操作。

使用鍵盤發送指令進行數據采集，并進行數據處理，將處理結果發送至電子計算機或者手機上，主程序再對其下達初始化操作的指令。上、下位機通信時可能會出現延遲的現象，因此在使用SMS短消息時，考慮工作效率和成本，將每條消息長度設置為106個字符。常用AT指令如表1所示。

表1 常用AT指令功能Tab.1 Common AT command function

根據AT指令進行相關功能的測試：由電子計算機通過TC35發短信，利用鍵盤發送AT指令進行下達檢驗，查看顯示的內容是否為對應功能區中設置的內容；再通過TC35由單片機發送短信，查看能否發送成功。通過以上步驟，實現了AT指令的測試，并利用TC35實現短消息的發送[9]。

5.4 溫度顯示設計

通過創建的項目文件，在文件中添加Picture控件，并將其添加到程序框中，利用下位機傳輸的溫度采集數據，建立表格實施對溫度實時數據的顯示，或者利用曲線展示出溫度的變化趨勢。

6 系統測試

6.1 系統硬件仿真測試

采用Proteus軟件進行仿真測試，基本工作流程是在Proteus軟件中利用仿真功能模塊繪制出單片機電路、復位電路、DS18B20溫度傳感器電路及控制電路等，并進行編程，此時運行仿真電路圖，可從顯示器中顯示出溫室大棚內的溫度值。

6.2 系統軟件測試

首先利用串口進行軟件的調試工作，然后進行串口初始化測試，同時對系統的運行狀態也是一種測試。然后再進行TCP網絡的連接，測試數據傳送效果。

6.3 實例分析

對系統進行調試檢測后，將該系統在某日光塑料大棚進行實際測試，該大棚晝夜溫差為15 ℃左右，所以需要人工控制保溫簾或打開風機來確保大棚內的溫度及光照適宜。首先將測試系統放置于大棚內合適位置，通過導線將3個DS18B20測試點連接好，安放在大棚中的不同位置，將大棚內換氣扇與系統電機控制模塊的輸出端相連接，通過繼電器控制大棚的外接加熱設備，通過功能按鍵將大棚內溫度閾值設置為24.3和6.3 ℃。當下午16∶00以后，大棚內溫度會有所下降，大棚內溫度及顯示溫度為24.0 ℃，系統顯示模塊為24.2 ℃，測溫狀態顯示“Low”，與人工測量溫度誤差為0.2 ℃。與此同時，模擬加熱設備開始加熱，保證大棚內溫度不低于設定閾值。當人體接觸傳感器DS18B20時，系統顯示溫度會超過閾值最高值，測溫狀態顯示“High”，此時報警裝置會發出報警信號，同時開啟風機進行降溫。

6.4 測試結果

通過對系統的硬件和軟件的測試，該系統在實際環境中運行穩定，誤差小，報警及時，調溫裝置開啟正常，受到大棚用戶青睞。測試結果表明，系統硬件和軟件設計均運行良好，實現了溫度值顯示目的，并可以利用鍵盤進行閾值的調整。測試單片機能實時準確地向上位機發送溫度數據，同時上位機也可以向單片機下達指令。隨后對系統進行反復調試，為了保證測試結果的準確性，對大棚的室內溫度進行了20次的采集測量，系統顯示的誤差均能控制在±0.4°范圍內，從而實現了系統對溫度的有效測控[10]。

7 結束語

以單片機為主控制器的大棚溫室溫度測控系統可實現溫室溫度的智能化測控。在明確研究目的和設計需求后，制定了適用的設計方案，通過對硬件系統和軟件系統的設計，實現了各模塊的設計需求，并以硬件和軟件相結合的形式進行了系統整體測試。通過對溫控系統的反復測試，驗證了系統的良好性能，各子程序和模塊均能正常運行，實現了溫度數據的實時顯示，達到了設計的目的。