基于單片機的葡萄大棚溫控系統(tǒng)設計

黃麗輝

摘 要：大棚葡萄種植需要嚴格控制棚內(nèi)的溫度。本文主要就基于單片機的葡萄大棚溫控系統(tǒng)設計進行闡述。本系統(tǒng)以單片機為核心設計，可以根據(jù)葡萄不同生長期對溫度的要求對棚內(nèi)溫度進行實時的自動控制。

關鍵詞：葡萄 ?大棚 ?單片機 ?溫控系統(tǒng)

葡萄對溫度非常敏感，對大棚葡萄種植來說，棚內(nèi)的溫度調(diào)控是實現(xiàn)優(yōu)產(chǎn)高產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)。由于葡萄在不同生長時期對溫度的要求不同，種植管理人員必須對大棚溫度進行實時的控制和調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)大棚內(nèi)溫度的自動控制、降低人工成本，筆者設計了基于單片機的葡萄大棚溫控系統(tǒng)。

一、溫控系統(tǒng)功能描述

根據(jù)種植人員的研究，大棚種植葡萄在不同生長時期需要不同的溫度，甚至在同一生長時期對白天和夜間的溫度也有具體的要求。例如，在開花期，對大棚內(nèi)的溫度要求是白天20℃～25℃，夜間16℃～18℃;在果實膨大期，對大棚內(nèi)的溫度要求是白天28℃～30℃，夜間20℃～22℃。本溫控系統(tǒng)既能根據(jù)葡萄的不同生長時期調(diào)節(jié)溫度，還能在晝夜之間進行溫度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

溫度檢測模塊用于采集大棚內(nèi)的溫度并轉化為數(shù)字電信號，傳送給單片機。光照度檢測模塊用于采集大棚外的光照情況（以便判斷是白天還是夜間），經(jīng)處理后產(chǎn)生白天或夜間的開關量，傳送給單片機。按鍵部分用于設置葡萄生長所需的溫度范圍。數(shù)據(jù)顯示部分用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和棚內(nèi)的實時溫度值。電機和加熱管均屬于溫度調(diào)節(jié)模塊，當棚內(nèi)溫度超出預設的溫度范圍時，溫控裝置動作，對大棚進行升溫或降溫處理。

二、溫控系統(tǒng)的硬件設計

1.硬件系統(tǒng)構成

系統(tǒng)的核心控制器件采用應用廣泛的STC89C52RC單片機，還包括數(shù)字式溫度傳感器、光敏電阻開關電路、數(shù)碼管顯示電路、按鍵控制電路、繼電器及冷卻水泵、繼電器及加熱管等。

2.電路工作原理

電路原理圖見圖2，包括單片機電路、檢測電路、數(shù)據(jù)顯示電路、按鍵控制電路、溫度調(diào)節(jié)電路。

（1）單片機電路。單片機電路以STC89C52RC單片機為核心元件，5V電源可由手機充電器提供。C1、C2、X1構成時鐘電路。C3、R1和與C3并聯(lián)的按鍵共同構成按鍵復位電路。

（2）按鍵控制電路。按鍵控制電路由3個獨立按鍵組成，用于人機操作。其中，KEY1用于選擇白天、夜間和高溫、低溫，4個狀態(tài)循環(huán)出現(xiàn)。KEY2用于設置溫升，每按一次，溫度升高1℃。KEY3用于設置溫降，每按一次，溫度降低1℃。

（3）檢測電路。檢測電路包括溫度檢測電路和光照度檢測電路。溫度檢測電路由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和R2組成，DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一種單總線數(shù)字式溫度傳感器。其主要特性是使用一個端口引腳和一條地線與單片機接口，一條總線就可以發(fā)送或接收信息，數(shù)據(jù)以串行方式傳送;每個DS18B20都有一個唯一的ROM序列號，所以可以將多個DS18B20關聯(lián)接在一根單總線上，實現(xiàn)多點分布測溫應用;測溫范圍為-55℃～+125℃，測量分辨率為9位～12位，最大轉換時間為750ms;用戶可以設置報警溫度上下限值;不需要其他外圍元件即可測溫。

光照度檢測電路由光敏電阻LDR和由555定時器組成的開關電路構成。隨著光照度增大，LDR的阻值下降。當外界光照度為15LUX時，RLDR=12.5kΩ，RV1上的壓降=5*5/（5+12.5）=1.43V，低于1/3Vcc，則555定時器的3腳輸出1，系統(tǒng)判定此時外界為夜間。當外界光照度為90LUX時，RLDR=RLDR=2.5Ω，RV1上的壓降=5*5/（5+2.5）=3.34V，高于2/3Vcc，則555定時器的3腳輸出0，系統(tǒng)判定此時外界為白天。

（4）數(shù)據(jù)顯示電路。數(shù)據(jù)顯示電路由數(shù)碼顯示器和片選電路組成。該電路既能顯示大棚內(nèi)的溫度，又能顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)不動作時顯示1，當加熱系統(tǒng)工作時（即棚內(nèi)正在升溫）顯示0，當冷卻系統(tǒng)工作時顯示2（即棚內(nèi)正在降溫）。當按鍵控制電路工作時，數(shù)據(jù)顯示電路實時顯示按鍵輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

（5）溫度調(diào)節(jié)電路。溫度調(diào)節(jié)電路包括加熱和冷卻電路。單片機P2.0、P2.1輸出信號通過驅動電路驅動繼電器，控制繼電器的通斷，用以控制溫度調(diào)節(jié)執(zhí)行元件工作與否。當OUT1或OUT2為低電平時，繼電器RL2或RL3吸合，加熱裝置或冷卻電機動作，否則繼電器斷開，溫度調(diào)節(jié)裝置不動作。

三、溫控系統(tǒng)的軟件設計

1.總體設計思路

葡萄大棚溫控系統(tǒng)軟件運用C語言進行程序設計，由主函數(shù)main（）、顯示函數(shù)display（）、溫度采集函數(shù)ReadTemperature（）、鍵盤輸入函數(shù)zi_keyscan（）、自動溫控函數(shù)zi_dong（）。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖3所示。

程序初始將單片機各個參數(shù)初始化，應用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20采集大棚內(nèi)的溫度，同時在數(shù)碼管上顯示當前溫度。應用光敏電阻電路檢測光照度，判斷當前是白天還是黑夜。然后，將當前溫度值與設定的溫度值進行比較，如果高于設定溫度就進入模式2，數(shù)碼管最左一位顯示“2”，同時啟動冷卻泵;如果低于設定溫度就進入模式0，數(shù)碼管最左一位顯示“0”，啟動加熱管;否則一直處于模式1，數(shù)碼管最左一位顯示“1”，溫度調(diào)節(jié)裝置不工作。

2.子程序設計思路

（1）溫度檢測電路。采用DS18B20進行溫度采集，單片機通過單總線（P2.2）對DS18B20進行操作。操作過程如下：初始化、寫操作、讀操作、存儲器操作命令、數(shù)據(jù)處理。DS18B20初始化主要是對單總線進行復位。

寫操作是將控制指令寫入寄存器。DS18B20的指令有：讀ROM（33H），匹配ROM（55H），跳過ROM（CCH），搜索ROM（F0H），報警搜索（ECH），穩(wěn)定轉換（44H），度暫存器（BEH），寫暫存器（4EH），復制暫存器（48H），重調(diào)E2PROM（B8H），讀供電方式（B4H）?，F(xiàn)簡要介紹本設計用到的指令。

CCH——跳過ROM指令。每片DS18B20對應一個唯一的ROM系列號，因為此次設計只使用一片DS18B20，因此采用跳過ROM（0XCC）忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發(fā)溫度變換命令。

44H——溫度轉換指令。啟動DS18B20進行溫度轉換，12位轉換時最長為750ms（9位93.75ms）。結果存入內(nèi)部9字節(jié)的RAM中。

BEH——讀暫存器指令。讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)。

子程序清單略。

（2）按鍵設置子程序。按鍵設置子程序采用3個按鍵，進行4個數(shù)值的設置，分別為白天上限、下限溫度和夜間上限、下限溫度，由按鍵掃描子程序zi_keyscan（）子程序提供軟件支持。按下一次設置鍵K1，進入白天的溫度上限設置，此時按下“加”鍵K2溫度值加1，按下“減”鍵K3溫度值減1。第二次按下K1，進入白天溫度下限設置狀態(tài)，加減設置同上。同理，第三次按下K1可設置夜間的溫度上限，第四次按下K1可設置夜間的溫度下限。第五次按下K1，退出溫度設置狀態(tài)，恢復到溫度顯示狀態(tài)。

子程序清單略。

（3）自動溫度控制子程序。根據(jù)大棚外的光照強弱，通過光敏電阻開關電路傳送一個開關信號到單片機的P2.3，當輸入信號為“0”時進入白天模式，程序調(diào)取白天溫度的上、下限;當輸入為“1”時進入夜間模式，程序調(diào)取夜間溫度的上、下限。然后與當前大棚內(nèi)的溫度進行比較，如果棚內(nèi)溫度低于設定的最低溫度，則進入模式0，啟動加熱管進行升溫;如果棚內(nèi)溫度在設定溫度的上、下限之間，則進入模式1，維持現(xiàn)狀，溫度調(diào)節(jié)裝置不工作;如果棚內(nèi)溫度高于設定的最高溫度時，則進入模式2，啟動冷卻泵進行降溫。

子程序清單略。

（作者單位：福州第一技師學院）