摘要：為實現(xiàn)蔬菜大棚溫濕度的智能控制，以AT89S52單片機為控制核心，35BYJ46步進(jìn)電機為控制對象，采用ULN2003A驅(qū)動芯片實現(xiàn)對步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速及定位控制，根據(jù)實時采集的溫濕度數(shù)據(jù)，通過控制卷簾門的開度及換氣扇的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)蔬菜大棚的溫濕度。同時，通過M35模塊（GPRS）和紅外模塊可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和近程控制。

關(guān)鍵詞：蔬菜大棚；步進(jìn)電機；AT89S52；溫濕度控制；智能控制器

中圖分類號：TP273；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3681-04

近年來隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是利用溫室大棚種植蔬菜已成為廣大農(nóng)民致富的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，如何對大棚蔬菜進(jìn)行智能控制以提高經(jīng)濟效益成為當(dāng)前亟須解決的問題。影響大棚蔬菜經(jīng)濟效益的主要因素是溫度和濕度，而這些都是通過卷簾門的打開程度進(jìn)行控制的。為了達(dá)到最合適的溫度和濕度，就要對光照強度和空氣流通進(jìn)行合理控制，要想達(dá)到最佳的控制狀態(tài)，關(guān)鍵是對步進(jìn)電機的控制。因此設(shè)計了以單片機為核心的智能步進(jìn)電機控制器。

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在正常運行的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、反轉(zhuǎn)、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的[1]。當(dāng)前用于步進(jìn)電機的芯片有MCS-51系列、TMC428系列、DSP系列以及一些驅(qū)動芯片，這些芯片在控制原理上基本相同[2-4]。這里應(yīng)用AT89S52單片機對大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機進(jìn)行智能控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、M35模塊（GPRS）、DS1302定時模塊、SHT11溫濕度模塊、ULN2003A驅(qū)動模塊、TC9012紅外模塊以及步進(jìn)電機等幾部分組成，其系統(tǒng)原理框圖如圖1。

系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為控制芯片，應(yīng)用ULN2003A實現(xiàn)對步進(jìn)電機的控制。ULN2003A（國產(chǎn)型號為5G1413）是七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列，為個集電極開路（OC）輸出的反向器，最大動電流可達(dá)到500 mA。選用四相八拍步進(jìn)電機35BYJ46作為控制對象。GPRS模塊使用M35，利用上位機軟件可以實現(xiàn)換氣扇轉(zhuǎn)速和卷簾門開閉遠(yuǎn)程無線控制。同時還可利用紅外模塊實現(xiàn)定時、溫濕度設(shè)定、步進(jìn)電機的開始、暫停、不同速度的運行和正反轉(zhuǎn)運行等近程控制，從而可實行工作方式的控制，顯示器實現(xiàn)實時顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)動速度、卷簾門處在狀態(tài)、設(shè)定時間、設(shè)定溫度、實時時間，從而實現(xiàn)了步進(jìn)電機控制的可視化，同時也實現(xiàn)了控制的準(zhǔn)確性。顯示電路采用74HC573來實現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。

1.2 ULN2003A驅(qū)動的功能特點

在大型儀器儀表系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到伺服電機、步進(jìn)電機、各種電磁閥、泵等驅(qū)動電壓高且功率較大的器件。ULN2000、ULN2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品就屬于這類可控大功率器件，這類器件功能強、應(yīng)用范圍廣[5]。ULN2003A由7對NPN達(dá)林頓管組成，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。單個達(dá)林頓對的集電極電流是500 mA，達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。ULN2003A芯片的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7 kΩ的基極電阻，也可以不用限流電阻而直接由AT89S52的P2口驅(qū)動。在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。信號脈沖通過P2口送出，可經(jīng)4.7 kΩ上拉電阻接到ULN2003A芯片的輸入端口。P2口分別對應(yīng)ULN2003A的1C、2C、3C、4C輸出端。在使用步進(jìn)電機對卷簾門控制時，對P2.0～P2.3口賦予不同的值來送出電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的脈沖信號；在使用步進(jìn)電機對換氣扇進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時，對延時函數(shù)進(jìn)行調(diào)整來控制P2.4～P2.7口輸出值的頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動速度。表1和表2分別為步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)時引腳輸入值。

1.3 SHT11溫濕度模塊

溫濕度的測量在倉儲管理、生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計信號調(diào)理電路并需要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡如人意。SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出它們強大的優(yōu)勢互補作用。

該傳感器采用獨特的CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點。溫濕度采集電路如圖2，芯片供電電壓3.3 V，在電源引腳VDD和GND之間安裝一個100 nF的電容，起到去耦濾波的作用，串行接口是兩線式的結(jié)構(gòu)，串行時鐘輸入SCK與單片機的P3.7相連，用于單片機與SHT11之間的通訊同步；串行數(shù)據(jù)DATA是一個三態(tài)門結(jié)構(gòu)，與單片機的P3.6相連，用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿改變狀態(tài)，并僅在SCK上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA需要保持穩(wěn)定，為了避免信號沖突，再安裝一個10 kΩ上拉電阻R1，使P3.6口輸出低電平。

1.4 硬件電路原理圖

根據(jù)控制系統(tǒng)原理框圖及對蔬菜大棚的控制要求，得到如圖3所示的電路原理圖，通過SHT11溫濕度模塊、DS1302定時模塊、ULN2003A驅(qū)動模塊和TC9012紅外模塊實現(xiàn)對大棚溫濕度的控制。其中ULN2003A為步進(jìn)電機驅(qū)動芯片，第一片ULN2003A驅(qū)動步進(jìn)電機1對卷簾門進(jìn)行控制，以控制卷簾門打開的程度；第二片ULN2003A驅(qū)動步進(jìn)電機2，實現(xiàn)對換氣扇轉(zhuǎn)速的控制，可控制換氣扇的轉(zhuǎn)速。定時模塊DS1302是為了當(dāng)早晨和晚上時控制系統(tǒng)對兩個步進(jìn)電機進(jìn)行控制，通過定時模塊DS1302來定時打開和關(guān)閉卷簾門和換氣扇。而SHT11模塊對大棚中溫濕度進(jìn)行實時測量，當(dāng)需要調(diào)整大棚里的溫濕度時，單片機就會對相關(guān)的步進(jìn)電機進(jìn)行控制，控制卷簾門的打開程度和換氣扇的轉(zhuǎn)速，從而來調(diào)節(jié)大棚中溫濕度。紅外模塊是一個進(jìn)行人機直接操作的媒介，通過紅外搖控器可以對定時時間、設(shè)定溫濕度進(jìn)行調(diào)整從而可以更好地滿足大棚蔬菜的生長條件。

此外，硬件系統(tǒng)中還加入了GPRS模塊M35，實現(xiàn)了對大棚中步進(jìn)電機的遠(yuǎn)程控制，可以通過上位機軟件或者是手機信息等方式，控制大棚中步進(jìn)電機的工作狀態(tài)；同時單片機在進(jìn)行動作后還可以通過M35模塊把調(diào)節(jié)后的一些信息傳給上位機或者是手機。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機智能控制器的工作方式有3種：紅外搖控控制、根據(jù)條件自動控制、GPRS遠(yuǎn)程控制。通常工作在根據(jù)條件自動控制方式下，溫濕度變化比較細(xì)微，因此在這里對相應(yīng)的步進(jìn)電機的控制也是比較細(xì)微的，可以通過微處理器發(fā)送一定頻率的脈沖，對卷簾門步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行精確控制，也可以通過微處理器發(fā)送改變后的頻率的脈沖，來對換氣扇的步進(jìn)電機進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。因為步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的角度是靠脈沖控制的，而轉(zhuǎn)動速度是靠頻率控制的。

在大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機智能控制系統(tǒng)中單片機主要作用是處理定時、接收紅外信號、采集外部溫濕度、產(chǎn)生脈沖序列、驅(qū)動顯示電路還有判斷執(zhí)行條件的功能，它們分別是通過單片機AT89S52的P3口、P2口、P0口實現(xiàn)的。對于不同的脈沖序列，卷簾門步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動角度不同，從而使卷簾門的打開和關(guān)閉程度不同；而不同的頻率脈沖又使換氣扇的步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動速度不同，從而達(dá)到調(diào)速目的。在軟件設(shè)計中采用多種條件并列進(jìn)行判斷的形式，這樣可以使各個執(zhí)行條件之間不會產(chǎn)生沖突，并且可以使軟件執(zhí)行起來更加穩(wěn)定。在這個設(shè)計中脈沖的產(chǎn)生是依靠中斷，為了不和紅外接收及發(fā)射中斷產(chǎn)生沖突，系統(tǒng)采用先進(jìn)行紅外中斷掃描判斷，過后采用中斷屏蔽把紅外中斷關(guān)閉，然后進(jìn)行脈沖中斷，當(dāng)執(zhí)行完這些以后，再打開紅外中斷。因為在這個智能系統(tǒng)中條件比較多，要先對各個條件進(jìn)行編號，在執(zhí)行過程中，如果多個條件同時要執(zhí)行時，系統(tǒng)會對其進(jìn)行一個前期優(yōu)先級判斷，對優(yōu)先級高的進(jìn)行執(zhí)行，數(shù)字大優(yōu)先級高（表3）。

在步進(jìn)電機程序設(shè)計時，采用延時函數(shù)來輸出控制脈沖，因為使用延時函數(shù)可能會對數(shù)碼管顯示電路造成影響，因此在這里可以用數(shù)碼管掃描來代替延時函數(shù)，具體程序為：

3 小結(jié)

以AT89S52單片機為控制核心，35BYJ46步進(jìn)電機為控制對象，根據(jù)實時采集的溫濕度數(shù)據(jù)，通過控制卷簾門的開度及換氣扇的轉(zhuǎn)速，實時調(diào)節(jié)蔬菜大棚的溫濕度。采用多種條件并行判斷的方法控制步進(jìn)電動機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，通過M35模塊（GPRS）和紅外模塊實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和近程控制。

基于AT89S52單片機的步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計，具有控制靈活、方便可靠等一系列優(yōu)點，在以后的一些智能系統(tǒng)中應(yīng)用會更加廣闊。

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