基于DS18B20恒溫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王江紅 朱麗君 孫學(xué)用

摘要：基于DS18B20恒溫監(jiān)控系統(tǒng)在對(duì)國(guó)內(nèi)外蔬菜花卉溫室智能控制應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)影響蔬菜花卉溫室智能化控制的諸多因素，將傳感器監(jiān)測(cè)和單片機(jī)控制相結(jié)合，提出了基于DS18B20恒溫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)控制、鍵盤管理、實(shí)時(shí)顯示、溫度超限報(bào)警和數(shù)據(jù)輔助存儲(chǔ)等功能模塊組成。該系統(tǒng)設(shè)備已廣泛應(yīng)用于蔬菜花卉溫室中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：恒溫監(jiān)控系統(tǒng)；DS18B20溫度傳感器；單片機(jī)；蔬菜花卉溫室

中圖分類號(hào)：S625.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）08-1947-03

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，溫室正朝著智能化方向發(fā)展。我國(guó)農(nóng)業(yè)也逐漸地從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。因而蔬菜花卉溫室的建設(shè)自然也離不開現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)。國(guó)內(nèi)外大量的科學(xué)試驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)踐證明，環(huán)境的監(jiān)控對(duì)蔬菜花卉等植物的生長(zhǎng)有著非常重要的作用，植物只有在適宜的環(huán)境下才能生長(zhǎng)良好[1]。

蔬菜花卉溫室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控的一個(gè)主要方面是對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量和控制。用單片機(jī)監(jiān)控溫室的溫度，根據(jù)溫室溫度的變化自動(dòng)地調(diào)溫，確保溫室中的植物生長(zhǎng)在適宜的溫度下。

目前，國(guó)外現(xiàn)代化溫室的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)。溫室內(nèi)的各環(huán)境因素大多由計(jì)算機(jī)集中控制，檢測(cè)傳感器也較為齊全，如溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照度、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液濃度等，傳感器的檢測(cè)基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制，如無級(jí)調(diào)節(jié)的天窗通風(fēng)系統(tǒng)、濕簾與風(fēng)扇配套的降溫系統(tǒng)、由熱水鍋爐或熱風(fēng)機(jī)組成的加溫系統(tǒng)、可定時(shí)噴灌或滴灌的灌溉系統(tǒng)、CO2施肥系統(tǒng)以及適用于溫室作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械等。計(jì)算機(jī)對(duì)這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡(jiǎn)單的、獨(dú)立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制，而是基于環(huán)境模型上的監(jiān)督控制以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向著完全自動(dòng)化、無人化、智能化的方向發(fā)展[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)主要是完成一種集溫度測(cè)量、顯示、報(bào)警、控制于一體的單片機(jī)溫度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)。主要包括相關(guān)理論探討、硬件電路實(shí)現(xiàn)、軟件程序設(shè)計(jì)以及仿真過程等。其基本原理是通過AT89C51單片機(jī)依次查詢蔬菜花卉溫室內(nèi)多個(gè)DS18B20溫度傳感器的輸出信號(hào)，然后再對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，通過顯示模塊顯示出來后進(jìn)行觀測(cè)；并將采集到的溫度與理論初始值設(shè)定的溫度上下限進(jìn)行比較，如果參數(shù)值超過設(shè)定的上下限時(shí)，報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警并啟動(dòng)升降溫設(shè)備[3]。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 系統(tǒng)的電路框架

系統(tǒng)的電路框架如圖1所示。

2.2 溫控原理及實(shí)現(xiàn)

DS18B20 的測(cè)溫原理如圖2所示，不同溫度下，溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生不同的脈沖信號(hào)輸入到減法計(jì)數(shù)器，確定一個(gè)門周期。由于受溫度影響小，頻率幾乎恒定，在一個(gè)門周期內(nèi)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可完成溫度測(cè)量。測(cè)量前，首先將一個(gè)溫度基值對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器中，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加l，減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值將重新被裝入繼續(xù)計(jì)數(shù)，如此循環(huán)，直到另一減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器中數(shù)值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性溫差，在計(jì)數(shù)門未關(guān)閉的狀況下，重復(fù)修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，直至溫度寄存器的數(shù)值達(dá)到被測(cè)溫度值[4]。

2.3 實(shí)時(shí)顯示電路

實(shí)時(shí)顯示電路是由LED發(fā)光二極管組合構(gòu)成的。單片機(jī)與LED數(shù)碼顯示器有以硬件為主和以軟件為主的兩種接口方法，這里采用以軟件為主進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)阻排連接到數(shù)碼管，數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示，對(duì)于接口電路來說，需要有兩個(gè)輸出口，其中一個(gè)用于輸出顯示段碼，另一個(gè)用于輸出控制信號(hào)。這樣就可以逐個(gè)循環(huán)點(diǎn)亮每個(gè)數(shù)碼管，每位間隔約1 ms，就好像在同時(shí)顯示不同的字符一樣[5]。實(shí)際狀況如圖3所示。

2.4 實(shí)際硬件的實(shí)現(xiàn)與連接

硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與各外圍電路的連接及各子模塊之間的連接。主要由單片機(jī)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、DS18B20溫度傳感器、顯示電路、鍵盤管理、控制電路和報(bào)警電路等組成。實(shí)際硬件電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件包括主程序、鍵盤管理子程序、顯示子程序、溫度轉(zhuǎn)換子程序、溫度控制子程序、異常報(bào)警子程序、溫度報(bào)警范圍設(shè)定子程序以及有關(guān)DS18B20的初始化程序等。

主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及調(diào)用各種子程序和管理中斷服務(wù)程序。在主程序的設(shè)計(jì)中，首先對(duì)單片機(jī)的一些主要的端口進(jìn)行定義，在初始化完成之后，調(diào)用各個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)傳感器的初始化、數(shù)據(jù)讀寫、溫度轉(zhuǎn)換、溫度顯示、判斷報(bào)警、鍵盤管理等功能，主程序循環(huán)執(zhí)行各個(gè)模塊。主程序的流程如圖5所示。

4 小結(jié)

該系統(tǒng)以愛特梅爾公司的AT89C51單片機(jī)為核心進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集采用DS18B20溫度傳感器，在開發(fā)過程中使用了Protel仿真和Keil開發(fā)軟件，這些都大大縮短了軟件的開發(fā)周期。為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。該套系統(tǒng)設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶、可靠性高，適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)工作。目前該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于蔬菜花卉溫室中，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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