基于單片機(jī)的人工氣候箱的設(shè)計(jì)

摘 要：為了解決自然環(huán)境中溫度、濕度、光照等影響作物生長發(fā)育的因素難以控制的難題，人工氣候箱應(yīng)運(yùn)而生。人工氣候箱通過計(jì)算機(jī)人為地模擬自然環(huán)境，從而得到不同農(nóng)作物的最優(yōu)生長條件。本文以8031單片機(jī)為控制核心，配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、I/O口、溫度傳感器、濕度傳單器以及鍵盤和顯示電路等并完成軟件設(shè)計(jì)，從而完成顯示、打印、報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞：人工氣候箱;農(nóng)作物;單片機(jī);溫度;濕度

在自然環(huán)境中，影響農(nóng)作物生長發(fā)育的三大主要因素是溫度、濕度、光照，但是自然環(huán)境中，這三個(gè)因素又難以控制，為了探索各種農(nóng)作物的生長發(fā)育規(guī)律，培育新品種，就需要局部的理想的人工氣候環(huán)境。人工氣候箱就是使用計(jì)算機(jī)模擬自然環(huán)境，適用于是生物遺傳工程、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域，是生產(chǎn)和科研理想的試驗(yàn)設(shè)備。

一、總體設(shè)計(jì)方案

1.功能要求與技術(shù)指標(biāo)：

（1）溫度。自然環(huán)境中一天24小時(shí)的溫度是隨著時(shí)間變化而變化的。實(shí)驗(yàn)證明，一天中14時(shí)對(duì)應(yīng)最高溫度Tmax，0時(shí)即凌晨對(duì)應(yīng)最低溫度Tmin。最高溫度Tmax和最低溫度Tmin一年四季不同。Tmax和Tmin溫度范圍為[﹣10℃～50℃]，誤差為±1℃。在這里溫度分為實(shí)時(shí)溫度即人工氣候箱的實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，設(shè)定溫度即實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置的溫度。

（2）濕度。給出濕度設(shè)定值，誤差不超過±10%。

（3）光照。采用人工燈源模擬自然光照，根據(jù)要求，設(shè)定光照時(shí)間，光照大小模擬自然光照規(guī)律。

（4）溫度、濕度報(bào)警。為了精確控制，防范事故，當(dāng)溫度、濕度超過一定的范圍，要求有聲光報(bào)警功能并切斷電源，停止人工氣候箱的工作。

（5）顯示。顯示實(shí)時(shí)溫度、濕度，和設(shè)定的溫度、濕度，實(shí)時(shí)時(shí)間等、

（6）打印。打印的內(nèi)容同樣要包括實(shí)時(shí)溫度、濕度，和設(shè)定的溫度、濕度，實(shí)時(shí)時(shí)間等、

2.實(shí)現(xiàn)措施：

（1）實(shí)時(shí)時(shí)鐘。溫度、濕度、光照都與時(shí)間有關(guān)，本設(shè)計(jì)中需要設(shè)定實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并由時(shí)鐘程序完成，時(shí)鐘包括年、月、日、時(shí)、分、秒。

（2）溫度控制。實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度差值超過±0.5℃，進(jìn)行加熱或者冷卻處理，從而控制實(shí)時(shí)溫度跟隨設(shè)定溫度的變化。

（3）光照控制。采用2組，每組設(shè)有4個(gè)人工光源，通過各個(gè)光源的開、關(guān)配合，模擬自然光的變化規(guī)律。

（4）濕度控制。當(dāng)實(shí)時(shí)濕度和設(shè)定濕度誤差大于±10%，執(zhí)行加濕或除濕操作。

（5）溫度、濕度報(bào)警。當(dāng)溫度、濕度超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，聲光報(bào)警并切斷電源，保護(hù)人工氣候箱設(shè)備。

（6）鍵盤和操作鍵。

二、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

市面上的單片機(jī)系列和品種很多，本文綜合功能要求和技術(shù)指標(biāo)，選擇MCS-51系列中的8031為控制核心，配置相應(yīng)的外部擴(kuò)展和傳感器電路，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的實(shí)時(shí)采集，A/D轉(zhuǎn)換、顯示、打印等功能。

1.信號(hào)采集。本設(shè)計(jì)中有溫度、濕度兩個(gè)模擬信號(hào)需要采集。通過溫度、濕度傳感器將溫度、濕度轉(zhuǎn)化成連續(xù)的模擬量，其中溫度傳感器的輸出量比較小，需通過放大電路放大后，送入A/D轉(zhuǎn)換器，濕度傳感器的輸出直接送入A/D轉(zhuǎn)換器。采樣電路如圖1所示。

圖1中的溫度傳感器采用熱敏電阻，熱敏電阻器的電阻值對(duì)溫度很敏感，不同的溫度下，電阻值不同。熱敏電阻的最基本特性是其阻值隨溫度的變化有極為顯著的變化。熱敏電阻的作用是將溫度變化變成電阻大小變化，熱敏電阻和另外的三個(gè)電阻組成橋式電路，將電阻變化變成電壓變化，再經(jīng)放大電路的處理，送至A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，送至單片機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理、顯示、運(yùn)算、控制等。

2.鍵盤及顯示電路。單片機(jī)主機(jī)8031通過擴(kuò)展，配備6位LED顯示、4×4鍵盤。

三、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)分為兩部分1.監(jiān)控程序。監(jiān)控程序包括鍵盤顯示程序、時(shí)鐘程序等。其中時(shí)鐘程序可以模塊化處理，采用已有的固有程序。2.主程序。主程序要完成的功能有設(shè)定溫度計(jì)算、溫度采樣、濕度采樣等。主程序軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

四、結(jié)語

本文中設(shè)計(jì)的人工氣候箱，基本滿足了功能要求和技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于研究農(nóng)作物生長發(fā)育最佳條件，提供了有效的工具。本設(shè)計(jì)中的人工氣候箱，完成了模擬自然環(huán)境，制造實(shí)驗(yàn)、科研、生產(chǎn)所需的理想人工氣候，對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大。

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作者簡介：李夢(mèng)瑤（1985-07-）女，漢族，河南理工大學(xué)碩士，控制理論與控制工程 助教。