彭雪峰

（佳木斯大學應用技術學院，黑龍江佳木斯154007）

設施栽培技術主要是指利用普通的大棚或溫室大棚來生產(chǎn)蔬菜、水果等農(nóng)作物的技術。隨著設施栽培技術的普及，溫室大棚數(shù)量不斷增多，對于蔬菜大棚來說，最重要的一個管理因素是溫度控制。溫度太低，蔬菜就會被凍死或則停止生長，所以要將溫度始終控制在適合蔬菜生長的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計，工人依據(jù)讀取的溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。如果僅靠人工控制既耗人力，又容易發(fā)生差錯。溫室大棚的溫度控制成為一個難題。現(xiàn)在，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提高，對于數(shù)量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。因此，研究并設計了一種基于單片機的自動溫度測量、澆水和加熱管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件是由TP03型熱電偶溫度傳感器、AD7812轉(zhuǎn)換器、Intel80C51BH單片機和指令執(zhí)行電路組成。先是用TP03型熱電偶來采集溫度信號，通過AD7812轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再利用Intel80C51BH單片機對數(shù)據(jù)進行處理和分析并發(fā)出執(zhí)行指令，最后由執(zhí)行電路來執(zhí)行。

1.1 溫度采集及放大電路設計

本設計的溫度采集及放大電路如圖1所示。這里測溫傳感器采用K型鎳鉻-鎳鋁或鎳鉻-鎳硅TP03熱電偶，測溫范圍為-50～1 300℃[1]。K型熱電偶產(chǎn)生的溫差熱電動勢e（mV）與溫差ΔT成正比，見表1[2]。

圖1 由熱電偶TP03構成的測溫及放大電路Fig.1 Temperature measurement and amplifying circuit composed of thermocouple TP03

表1 K型熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢e與溫差ΔT之間的關系Tab.1 Relationship between the thermal EMF generated by K-type thermocouple and the temperature difference

由于所使用的K型熱電偶具有如下的電壓溫度系數(shù)，即

因此在電路中采用了硅晶體二極管D1（IN4148），并利用其導通壓降的負溫度系數(shù)，即

經(jīng)分壓后去補償由K型熱電偶的正溫度系數(shù)，從而實現(xiàn)溫度自動補償。輸入信號取自由R1、R2、R3和R44個電阻組成的測溫電橋，IN-輸入標準比較電壓，IN+輸入測溫電壓。R5、R6、R7、R8構成差動運算電路，其中RP1是用來校準比較溫度值，可設計為-20℃所對應的電阻值。

Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25 μV），所以OP07在這里不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2 nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300 V/mV）的特點。在這里Op07起到放大溫度電壓信號的作用，放大倍數(shù)設計為2倍。輸出電壓UT=2（U+-U-）。這樣在測量溫度在-20～+50℃時，輸出電壓可控制在5 V以內(nèi)，代表溫度的電壓UT由Op07的輸出端6腳輸出。RP2是用于調(diào)零，如果測量溫度精度不高時，RP2可以省略，Op07的1、8管腳空置。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設計

經(jīng)過放大電路輸出的電壓必須要經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路才能被單片機處理，本設計中采用AD7812作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7812是一種串行口的10位8通道逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。由于它是數(shù)據(jù)串行輸出，所以用這種A/D轉(zhuǎn)換器能節(jié)省單片機輸入引腳，而且它有8個輸入通道可以同時采集8路模擬電壓，這都可以用來進一步系統(tǒng)功能開發(fā)，它還具有軟件轉(zhuǎn)換啟動與軟件關斷特性。電路設計如圖2所示[6]。CREF接10 nF電容，傳送同步TFS與接收同步RFS與單片機P1.0口連接，數(shù)據(jù)輸出DOUT與單片機P1.1口連接，數(shù)據(jù)輸入DIN與單片機P1.2口連接，讀取時鐘SCLK與單片機P1.3口連接，轉(zhuǎn)換起動CONVST與單片機P1.4口連接。這樣就很容易由單片機來控制串行數(shù)據(jù)讀取[3]。

圖2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.2 A/D converter circuit

1.3 單片機處理器電路設計

Intel80C51BH單片機是美國Intel公司出產(chǎn)的實用性很強的8位單片機它有4 kROM和64 Keprom，21個特殊功能寄存器，很適合作為本設計處理器[4]。單片機處理電路如圖3所示。由單片機P1口的前5位來接收和控制來至AD7812信號，由P0口的前2位輸出執(zhí)行指令，其中P0.0用來執(zhí)行澆灌指令P0.1用來執(zhí)行加熱指令[5]。

圖3 80C51BH單片機控制電路Fig.3 80C51BH single chip control circuit

1.4 執(zhí)行電路設計

由于單片機發(fā)出的指令信號功率太小，所以不能直接啟動澆水水泵和加熱開關，所以用以下執(zhí)行驅(qū)動電路來實現(xiàn)動作，如圖4所示。

圖4 動作執(zhí)行電路Fig.4 Action implementation circuit

從實際出發(fā)，這里仍然采用運算放大器OP07來實現(xiàn)，電路設計成一個同相放大電路，放大倍數(shù)為3，電路中執(zhí)行指令信號經(jīng)由電阻R1在IN+腳輸入，由OUT腳輸出，控制開關繼電器KA完成任務。其中電阻R4是限流電阻，對繼電器有保護作用。加熱和噴霧的驅(qū)動電路設計成一樣，便于系統(tǒng)擴展與改進。

2 系統(tǒng)軟件設計

為了便于系統(tǒng)擴展，將系統(tǒng)按照模塊化進行設計。該系統(tǒng)由測溫電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行輸出4個模塊組成。具體流程是這樣的：先由測溫電路將溫度信號（-20～+50℃）轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大（0～5 V），由A/D轉(zhuǎn)換器電路將這模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能識別的數(shù)字信號，由單片機進行數(shù)據(jù)分析、處理和判斷。當條件符合時啟動電水泵或加熱電路，如圖5所示。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換器模塊

A/D轉(zhuǎn)換器在啟動之前要對其進行初始化，否則不能讀取正常的數(shù)據(jù)。初始化時將單片機的P1.4口置1，然后軟件啟動一次轉(zhuǎn)換過程即可。在轉(zhuǎn)換的過程中，由于任何模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的時間來完成，所以在讀取數(shù)據(jù)時要有一定的時間延遲，本設計為3 μs，以確保轉(zhuǎn)換操作順利完成[3]。

圖5 軟件系統(tǒng)設計流程Fig.5 Software design process

2.2 中央處理器模塊

這個模塊主要包括單片機對A/D轉(zhuǎn)換模塊的控制、對數(shù)據(jù)處理以及對澆水電路和加熱電路的控制3個部分。

對A/D轉(zhuǎn)換器的控制主要包括對A/D的模擬通道選取地址寫入、清零和控制模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟；數(shù)據(jù)處理部分主要是將讀取的與溫度相對應的數(shù)字信號與預先設定的標準值進行比較，當溫度低于標準值時啟動加熱電路。當一定時間內(nèi)溫度仍不能恢復正常值時，再啟動澆水電路，用加熱后的水對室內(nèi)進行噴霧作業(yè)使室內(nèi)溫度迅速提升。當室內(nèi)溫度符合要求時，作業(yè)停止。

3 結(jié)束語

本文主要設計了一種溫室和大棚的自動溫度管理系統(tǒng)。與已有的溫度管理系統(tǒng)相比，有很多優(yōu)點，系統(tǒng)測溫范圍寬，精確度高，采用模塊化設計思路，使用靈活，系統(tǒng)參數(shù)可以修改。系統(tǒng)可以擴展為多點測量，也可以加入濕度采集和通風設備，還可以加入聲光報警等。設計電路簡單實用，實現(xiàn)方便，成本低，適合廣泛推廣。

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