摘  要： 基于STC89C54RD+單片機、數(shù)字溫度傳感器DS18B20和電容式濕度傳感器HS1101，設計一種智能溫室控制系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)溫室依靠人工操作的缺點，獲得在不同季節(jié)植物生長所需要的最佳環(huán)境，達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。
關鍵詞： 單片機；傳感器；環(huán)境參數(shù)；智能控制

    植物，尤其是稀有植物、珍貴花卉和苗木的生長都需要某種特定的溫度、濕度和光照度等條件，當環(huán)境條件不能滿足上述要求時，它們便停止生長，甚至腐爛、死亡。而要獲得植物生長所需的最佳條件，不能單獨靜態(tài)地考慮某一因素，而應從整體上綜合地研究環(huán)境參數(shù)控制問題。智能化溫室控制系統(tǒng)，即根據(jù)植物生長發(fā)育的需要，通過傳感器技術、微型計算機及單片機技術，自動測控溫室的環(huán)境參數(shù)，其中包括溫度、濕度、光照度等，使植物在不適宜生長發(fā)育的反季節(jié)中，獲得適宜的環(huán)境條件，達到早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的[1]。
1 環(huán)境參數(shù)對植物的影響
    影響植物生長的因素主要有溫度、濕度、土壤水分、光照度和CO2濃度等，研究發(fā)現(xiàn)溫度對植物的影響占40％，濕度占28％，它們對植物的生長起主要作用。因此，本系統(tǒng)主要研究溫度和濕度對植物的影響和智能化溫室中對環(huán)境溫濕度的調(diào)控。
1.1 溫度對植物的影響
    植物在生命周期中的一切生物化學作用都必須在一定的溫度條件下進行，不管濕度、光照、CO2濃度等其他環(huán)境條件如何適宜，植物總將在溫度降低至某一低溫或超過某一高溫時停止生長發(fā)育。溫度對植物的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是發(fā)育進程的快慢，包括出葉速度(葉齡)及開花日期等；二是生長量增長的快慢，包括株高、葉面積、節(jié)間長度、果實大小等。當然，溫度的影響要和光照強度相結合進行分析。當光合產(chǎn)物大于呼吸消耗時，植物體內(nèi)有機質(zhì)才會有積累。當溫度超過光合最適溫度后，光合強度減弱而呼吸強度增強，將減少物質(zhì)的積累，影響植物的生長。
1.2 濕度對植物的影響
    濕度主要指溫室內(nèi)空氣的相對濕度，其大小不僅影響著溫室內(nèi)植物蒸騰與地面蒸發(fā)量，而且直接影響著植物光合強度與病害情況。濕度與病原微生物的繁殖密切相關，因此濕度條件是引起植物病害的主要原因。
    研究發(fā)現(xiàn)，植物的生長和發(fā)育并不取決于某一時刻某個特定溫度與濕度，而主要取決于在一個時間段中的平均參數(shù)。這就要求控制系統(tǒng)不能設置一個固定的參數(shù)值，溫室中的溫度和濕度在最高和最低范圍內(nèi)進行變動，以求在一個較長的時間段內(nèi)達到理想的生長環(huán)境?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)室外的氣候，在使用最低能耗、最佳利用溫室中現(xiàn)有的設備情況下進行動態(tài)調(diào)節(jié)，保持在適宜植物生長的狀態(tài)。
2 溫室環(huán)境參數(shù)檢測
2.1 環(huán)境溫度檢測
    控制系統(tǒng)中需要采集溫室中多點溫度或溫室群的溫度，本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其結構簡單不需要外接電路，僅用一根I/O數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)。每只DS18B20有獨立的序列號，實現(xiàn)多個DS18B20傳感器掛接在一根數(shù)據(jù)線上分別檢測多點溫度[2]。
    單片機通過單線接口控制DS18B20溫度傳感器，檢測溫度先發(fā)啟動命令，當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的高、低字節(jié)中；讀取數(shù)據(jù)時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 ℃／LSB形式表示。暫存存儲器的高字節(jié)前5位的 “S”為符號位，當S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，把測得的溫度值與TH、TL做比較，若T>TH或T<TL，則將該器件內(nèi)的告警標志置位，并對主機發(fā)出告警命令。
    由于DS18B20轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實際的溫度值，所以要進行計算轉(zhuǎn)換。溫度高字節(jié)中的前5位用來保存溫度的正負(標志為S的bit11～bit15)，高字節(jié)(MS Byte)的后3位和低字節(jié)8位來保存溫度值(bit0～bit10)，其中低字節(jié)(LS Byte)的低4位保存溫度的小數(shù)位(bit0～bit3)。由于要求采用0.062 5的精度，小數(shù)部分的值，可以用后四位代表的實際數(shù)值乘以0.062 5，得到真正的溫度值，本系統(tǒng)保留一位小數(shù)，即檢測的溫度精確到0.1度。
2.2 環(huán)境濕度檢測
    本系統(tǒng)采用HS1101濕度傳感器采集環(huán)境的相對濕度，HS1101屬于電容式濕度傳感器，其工作機理是當基于電極間的感濕材料吸附環(huán)境中的水份時，其介電常數(shù)隨之變化，等效電容與環(huán)境中水蒸汽的關系表示為[3]：
    C=ε0×εμ×S/d
   其中ε0是真空介電常數(shù)、εμ是感濕材料的介電常數(shù)、S是電容式傳感器有效面積、d為感濕膜厚度。
HS1101濕度傳感器的線性輸出電壓與濕度的關系[4]：
    Vo=Vcc(0.00474×%RH+0.2354)
    在環(huán)境濕度檢測中，既可以利用HS1101濕度傳感器的等效電容與濕度的關系，組成振蕩器，將濕度與電容的關系轉(zhuǎn)化為濕度與頻率的關系，測量頻率達到檢測濕度的目的；也可以利用HS1101濕度傳感器的輸出電壓與濕度的關系，測量電壓實現(xiàn)濕度檢測。本系統(tǒng)利用HS1101的等效電容與濕度的關系，測出頻率實現(xiàn)濕度的測量。
3 溫室控制系統(tǒng)硬件設計
    智能化溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，要達到對溫室內(nèi)溫、濕度等環(huán)境參數(shù)的檢測與控制，系統(tǒng)必須包含三個部分：(1)信號采集輸入部分。包括溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的檢測；(2)信號轉(zhuǎn)換與處理部分。將采集的信號轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)據(jù)量，并由計算機進行相關處理；(3)輸出和控制部分。控制噴淋、遮陽、通風、加熱等環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)執(zhí)行系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)主要由上、下位機構成，上位機實現(xiàn)人機操作界面的控制，并實時接收下位機上傳的環(huán)境參數(shù)，結合植物生長所需要的最佳環(huán)境條件發(fā)送相應的控制命令給下位機。下位機主要功能是實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)采集，同時與上位機進行串行通信，根據(jù)上位機的命令對溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。  

3.1 信號采集單元
    信號采集包括溫度采集和濕度采集。DS18B20溫度傳感器采集溫室內(nèi)的環(huán)境溫度，并直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入單片機進行處理，DS18B20傳感器掛在單片機的P0.7口線上；HS1101濕度傳感器采集溫室內(nèi)的環(huán)境濕度，利用其等效電容的變化與濕度的關系，組成多諧振蕩器，單片機檢測振蕩頻率計算出濕度，HS1101傳感器組成振蕩電路，其輸出連接在單片機的P2.X口上，溫、濕度檢測接口電路如圖2所示。

3.2 核心控制單元
    本系統(tǒng)采用STC89C54RD+單片機作為下位機內(nèi)核，它是一種低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含有16 KB可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和1 280 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、32個I/O口線、3個16位定時/計數(shù)器、一個6向量兩級中斷結構、一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機，具有ISP在系統(tǒng)編程功能，利于在線調(diào)試和產(chǎn)品開發(fā)。溫室內(nèi)的溫度通過DS18B20采集送入單片機的P0.7口；濕度轉(zhuǎn)換為頻率送入單片機的P2.X口，采集的環(huán)境參數(shù)交替在顯示器上顯示。同時，采集的環(huán)境參數(shù)通過P3.0和P3.1引腳至接口芯片MAX1483輸送至上位機進行處理，并等待上位機發(fā)送的控制命令，控制相應的執(zhí)行機構。本系統(tǒng)的下位機與上位機之間的串口通信采用符合RS-485電氣標準的MAX485芯片，其抗干擾能力強，共模抑制比高，當以100 kb/s的速率傳輸時，可傳送的距離為1.2 km，能實現(xiàn)多點對多點的通信，很好地解決了溫室分布零散和集中管理的矛盾，非常適合溫室規(guī)模擴大時測控系統(tǒng)的擴展，其硬件電路如圖3所示。

3.3 環(huán)境控制執(zhí)行單元
    系統(tǒng)自動檢測溫室內(nèi)的溫度和濕度，控制執(zhí)行單元驅(qū)動通風機、加熱器、噴淋水泵、遮陽幕簾等設備，是智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行者?？刂葡到y(tǒng)啟動后檢測溫室內(nèi)的溫度，當溫度低于設定值時，啟動加熱循環(huán)水升溫。本系統(tǒng)在植物底部和溫室上方安裝熱水管道進行加溫，管道內(nèi)水溫控制在60～80℃，底部加溫對植物的健康成長十分有益；上方管道加溫使溫室加熱均勻，有利于植物生長。當溫室的溫度高于設定值時，開啟通風機降溫；若濕度低于某設定值時，啟動噴霧水泵增濕，反之，啟動通風機去濕。
    系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，單片機的P1口輸出控制信號，實現(xiàn)對溫室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，為避免電機產(chǎn)生的電磁干擾，采用光電耦合器隔離單片機I/O口與驅(qū)動電路。
4 溫室控制系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，C語言編寫?？紤]到溫室多參數(shù)控制的復雜性，本系統(tǒng)采用優(yōu)先調(diào)節(jié)原則，即在溫室環(huán)境溫度、濕度等要素中選擇1個作為主要的控制要素，然后再對其他要素進行控制，這樣做的目的是減小系統(tǒng)控制復雜度?？刂七^程中考慮到檢測和控制需要經(jīng)過一段時間的延時，如溫室噴霧后的一段時間內(nèi)，空氣水霧影響空氣濕度正常檢測的問題等[5]。
    軟件設計中的程序模塊主要包括主程序、溫度采集子程序以及顯示子程序等。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，系統(tǒng)正常運行前首先進行初始化，設定溫室內(nèi)植物生長所需的溫度和濕度參數(shù)。然后檢測溫室內(nèi)的主要參數(shù)——溫度，調(diào)用溫度采集子程序，與設定值比較判斷并進行相應的處理，若溫度合適，再檢測其濕度參數(shù)。

    溫度采集子程序流程圖如圖5所示[6]，溫度采集使用的是一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其工作過程嚴格遵循單總線協(xié)議。主機首先發(fā)一個復位脈沖，使所有掛在總線上的DS18B20芯片復位，接著發(fā)送ROM操作命令啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并延時等待。工作中系統(tǒng)對DS18B20的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現(xiàn)，其中ROM操作命令均為8位長，命令代碼分別為：讀ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳過ROM(CCH)、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。存儲器操作命令為：寫暫存存儲器(4EH)、讀暫存存儲器(BEH)、復制暫存存儲器(48H)、溫度變換(44H)、重新調(diào)出EERAM(B8H)和讀電源供電方式(B4H)命令等。單片機采集溫度時，需要先發(fā)1個保持480 μs～960 μs的低電平復位脈沖，然后釋放總線，等待DS18B20的應答信號。DS18B20在接收到復位脈沖后等待15～60 μs發(fā)出應答脈沖，應答脈沖保持60～240 μs。單片機從發(fā)送完復位脈沖到再次控制總線至少需要等待480 μs才能進行讀寫操作。
    利用DS18B20溫度傳感器檢測溫度，實現(xiàn)單總線掛接多個傳感器對多點或多室溫度進行檢測，但實際應用中單總線上傳感器多于8個時，系統(tǒng)程序運行不正常，而線纜過長也造成測溫數(shù)據(jù)錯誤，在現(xiàn)場布線中使用屏蔽電纜減少環(huán)境干擾。
    植物溫室智能控制系統(tǒng)采用先進的傳感器技術和單片機技術，對環(huán)境的溫度和濕度等參數(shù)進行檢測及控制，集監(jiān)、控、管于一體的溫室智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對植物生長環(huán)境的智能化控制，改變了傳統(tǒng)溫室依靠人工操作的缺點，且基于單片機的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化、節(jié)能化、網(wǎng)絡化，是現(xiàn)代溫室智能控制的發(fā)展方向。
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