0 引言
植物的生長都是在一定的環(huán)境中進行的,在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響,其中影響最大的是溫度和濕度。若晝夜的溫度和濕度變化很大,其對植物生長極為不利。因此必須對溫度和濕度進行監(jiān)測和控制,使其適合植物的生長,以提高其產量和質量。
本系統(tǒng)就是針對大棚內溫度、濕度,研究單片機" title="單片機">單片機控制的溫室大棚自動控制,綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經濟性要求多方面因素之后,設計一種基于計算機自動控制的大棚溫濕度控制" title="溫濕度控制">溫濕度控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)實現的蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的目標功能如下:
(1)系統(tǒng)能對大棚環(huán)境溫濕度進行采集和顯示(現場觀溫、濕度,軟件記錄)。
(2)能通過上位機端遠程設定蔬菜的生長期適宜溫濕度。由主控機統(tǒng)一設置系統(tǒng)時間和溫度濕度修正值。
(3)當大棚的環(huán)境溫濕度參數超過設定的上下限值時控制相應的系統(tǒng)啟動。
(4)可實時顯示當前溫度、時間、報警閾值等信息,并可查詢各時間段的溫濕度情況,并加以控制。
1 系統(tǒng)各組成模塊
本系統(tǒng)通過溫度傳感器DS18B20采集溫度,HM1500LF采集濕度,經過含有單片機的檢測系統(tǒng)的進一步分析處理,通過通信線路將信息上行到PC機,在PC機上可對溫濕度信號進行任何分析、處理。用戶可以通過下位機中的鍵盤輸入溫濕度的上下限值和預置值,也可以通過上位機進行輸入,從而實現上位機對大棚內作物生長的遠程控制。如果環(huán)境的實時參數超越上下限值,系統(tǒng)自動啟動執(zhí)行機構調節(jié)大棚內溫度和濕度狀態(tài),直到溫濕度狀態(tài)處于上下限值內為止。如果有預置初值,且與當前狀態(tài)不相等時,系統(tǒng)也會啟動執(zhí)行機構實時動態(tài)調節(jié)溫濕度狀態(tài),直到所處的平衡狀態(tài)與預置值相等為止。
上位機即PC機使用DELPHI軟件編寫的一個數據庫管理系統(tǒng),可直接設置溫度的上下限值和讀取下位機的數據,并對下位機內的控制設備進行操作,調節(jié)大棚內溫濕度狀態(tài)。形成作物生長的走勢圖,從而通過生長走勢圖得出適合各種作物生長的最佳環(huán)境參數條件,為今后的溫室種植提供參考。
上下位機之間通過符合串行總線RS 232標準的通信通道以事先約定的協(xié)議進行通信。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
2 總體電路及工作過程說明
使用智能溫度傳感器DS18B20進行組網來測量各個采集點的溫度,HM1500LF來采集濕度,單片機AT89S52作為該系統(tǒng)的處理核心,單片機根據溫濕度傳感器檢測到的數據,把各個測量點的溫濕度存儲并顯示在LCD液晶顯示器上,同時顯示在PC機上。
3 數據采集模塊
本模塊主要采用DS18B20采集溫度,HM1500LF采集濕度,由單片機AT89S52作總的控制并顯示與傳輸。具體原理圖如圖2所示。
3.1 溫度傳感器DS18B20
DS18B20是Dallas公司生產的一線式數字溫度傳感器,采用的是單總線數據傳輸方式,數據的輸入、輸出都通過同一條線,因此對時序有很高的要求,為了保證時序,需要做精確的延時,較短的延時可以通過用_nop_()來實現,根據DS18B20的讀寫時序,用到的延時有15μs,45μs,90μs,270μs,540μs等,因這些延時為15μs的整數倍,因此可編寫一個Delay15(n)函數,用該函數進行大約15μs×n的延時,非常方便。程序如下:
有了比較精確的延時保證,就可以對DS18B20進行初始化、數據寫、數據讀。根據時序圖,不難寫出相應的函數。
3.2 濕度傳感器HM1500LF
濕度傳感器HM1500LF是法國Humirel公司生產的一種低價位的線性電壓輸出濕度傳感器,HM1500LF的測濕元件選用濕敏電容,利用電容量與相對濕度的函數關系即可測量濕度。DS2450是美國Dallas公司最新推出的一種符合單總線協(xié)議的可組網集成A/D芯片,四個濕度傳感器分別接到一片DS2450的四個模擬電壓輸入通道A,B,C,D上,電路采用+5 V電源供電,必須在上電完畢后向地址1CH寫入40H,使模擬電路永久地保持在工作狀態(tài)。利用該電路濕度檢測信號在測量現場就被直接轉換為數字信號,因此HM1500LF和DS2450組合在一起,就構成一個單總線數字濕度傳感器模塊。
4 單片機軟件
整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現的,當硬件基本定型后,軟件的相應子程序模塊就大體定下來了。單片機程序組成如圖3所示。
4.1 系統(tǒng)的主程序設計
主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序,在程序運行的過程中必須先經過初始化,流程圖如圖4所示。系統(tǒng)在初始化完成后就進入溫度測量程序,實時地測量當前的溫度并通過顯示電路在LCD上顯示。程序中以中斷的方式來重新設定溫度的上下限。根據硬件設計完成對溫度的控制。系統(tǒng)軟件設計的總體流程圖如圖4所示。
4.2 DS18B20的子程序模塊
DS18B20子程序調用要經過三個步驟:初始化、ROM操作指令、DS18B20功能指令。
DS18B20的每一次操作都必須滿足以上步驟,若是缺少步驟或是順序混亂,器件將不會返回值。例如這樣的順序:發(fā)起ROM搜索指令[F0h]和報警搜索指令[ECh]之后,總線控制器必須返回初始化。
4.3 LCD液晶顯示子程序模塊
液晶的使用首先要復位,其分為內部RESET電路復位和指令程序進行初始化。內部電路復位對電源的要求要滿足如表1,圖5所示的條件才能復位,否則只能用程序進行復位。
4.4 串口通信子程序
單片機和通用微機進行通信時,首先要設置串行口的波特率為9 600 b/s,1位停止位,無奇偶校驗。串口通信程序可以采用查詢和中斷的方式,由于單片機發(fā)送子程序的查詢和中斷方式的資源占用是一樣的,故發(fā)送采用查詢,接收子程序采用中斷。
4.5 PC機的上層軟件
上位機軟件采用Borland Delphi編寫。Delphi是Borland公司研制的新一代可視化開發(fā)工具,具有良好的數據庫訪問能力,是一個非常強大靈活的應用程序開發(fā)組件的集合。
上位機軟件主要由實時監(jiān)測模塊、大棚信息模塊、智能控制模塊、環(huán)境參數設置模塊、作物長勢記錄模塊和直接控制模塊6大模塊組成,用戶可以通過界面內作物生長的走勢圖得出最適合作物生長的環(huán)境條件。上位機軟件控制界面友好,操作簡單明了,十分適合用戶操作。如圖6所示。
5 結語
本文結合溫濕度測控多點、遠程、高精度等要求設計了一個具有較高精度,能夠實現遠距離通信的多點溫濕度控制系統(tǒng),以滿足大棚溫室溫濕度控制需要。相對于其他的溫度控制系統(tǒng),本設計注意了對大棚溫濕度控制系統(tǒng)性能的提高,注重溫濕度控制的遠程化,合理考慮系統(tǒng)的制作成本和使用的方便性。本系統(tǒng)控制界面友好、操作簡單,數據顯示采用表格或圖形的形式,使用戶更方便地查看,同時下位機監(jiān)測點可根據需要再擴展,系統(tǒng)性價比較高,有較好的實用性。