馮媛碩， 宋吉江

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091)

隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量要求顯著提高，對植被的要求也越來越嚴格.如何種植出品種優(yōu)良的植物，一直是人們研究的話題.而基于單片機的溫濕度控制系統(tǒng)對解決這些問題有著非常重大的意義.現(xiàn)代社會越來越多的實驗都要求在嚴格的環(huán)境條件下完成，而溫度和濕度是最基本的環(huán)境條件，也是影響較大的因素.一般溫濕度控制系統(tǒng)中的溫濕度測量均采用熱敏電阻與濕敏電容，這種傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都需要設計信號調(diào)理電路并經(jīng)過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性等方面也存在一定問題[1-2].

環(huán)境的監(jiān)測與控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等行業(yè)有著廣泛的應用.AT89C51單片機是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度檢測控制系統(tǒng)的實例也很多.使用AT89C51單片機能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度全程的自動檢測與控制，而且AT89C51單片機易于學習、掌握，性價比高.使用AT89C51型單片機設計溫濕度檢測控制系統(tǒng)，可以及時、精確的反映室內(nèi)的溫度以及濕度的變化.完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內(nèi)保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此[3].將此系統(tǒng)應用到溫室大棚當中無疑為植物的生活提供了更加適宜的環(huán)境.

本系統(tǒng)所要完成的任務是：(1)人性化的設計.根據(jù)植物的生活需求，把溫濕度值控制在一定的范圍內(nèi)；(2)能夠?qū)崟r、準確的顯示采樣溫度值與濕度值；(3)通過采集溫度及濕度值，準確的判斷標準值與當前值之間的差異，及時的啟動報警裝置進行報警，并采取相應的控制方案.

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)要完成的設計功能是：(1)實現(xiàn)對溫室大棚溫濕度參數(shù)的實時采集，測量空間的溫度和濕度，由單片機對采集的溫濕度值進行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、顯示，實現(xiàn)溫濕度的智能檢測[4]；(2)實現(xiàn)超越數(shù)據(jù)的及時報警，并啟動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室的目的；(3)現(xiàn)場檢測設備應具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力.測溫范圍：0℃～60℃；測溫精度：±0.5℃；測濕范圍：0～100%RH；測濕精度：±2.5%RH.

1.2 系統(tǒng)的組成和工作原理

1.2.1 系統(tǒng)的組成

以單片機為控制核心，采用溫濕度測量、通信技術、控制技術等技術、以溫濕度傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能溫濕度測量控制系統(tǒng).可分為溫濕度測量電路，顯示電路，聲光報警電路，溫濕度控制電路(圖1).選用的主要器件有：AT89C51單片機、溫濕度傳感器AM2301、1602LCD顯示模塊、降溫裝置風扇、升溫裝置加熱器、増濕裝置噴霧器、除潮裝置除潮器、紅綠LED燈、報警裝置蜂鳴器等.

1.2.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、報警都要通過單片機.數(shù)據(jù)采集通過單總線的智能數(shù)字溫濕度傳感器AM2301完成；通過單片機把采集的數(shù)據(jù)顯示在1602LCD上；當采集的數(shù)據(jù)超出給定范圍時，有蜂鳴器實時報警，并顯示紅燈提示，并進行相應的控制處理.在整個系統(tǒng)中采用了AM2301單總線技術，單片機采用C語言編程.

本系統(tǒng)的核心為溫濕度控制系統(tǒng)，由AT89C51單片機、風扇、加熱設備、加濕設備、排潮設備、報警模塊組成.AT89C51作為中央控制裝置，負責中心運算和控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個模塊的工作[5].系統(tǒng)其他模塊工作原理在后文詳細介紹.

圖1 系統(tǒng)的組成

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 AT89C51單片機

AT89C51設計和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設置省電模式.空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位.按照實際需要，同時也考慮到設計成本與整個系統(tǒng)的精巧性，本系統(tǒng)中選用價格較低、工作穩(wěn)定的AT89C51單片機作為整個系統(tǒng)的控制器(圖2).

圖2 AT89C51單片機的片內(nèi)硬件組成結(jié)構(gòu)

2.2 時鐘電路

AT89C51單片機各功能部件的運行都以時鐘信號為準，有條不紊、一拍一拍地工作.因此時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性.AT89C51單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為XTAL2.這兩個引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自己振蕩器.外部時鐘方式時外部時鐘電源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空(圖3).

圖3 時鐘電路

2.3 復位電路

復位是單片機的初始化操作，只需給AT89C51的復位引腳RST加上大于2個機器周期(即24個時鐘振蕩周期)的高電平就可使AT89C51復位.復位電路通常采用自動復位和按鈕復位兩種方式.上電復位是通過外部復位電路給電容C充電加至RST引腳一個短的高電平信號，次信號隨著VCC對電容C的充電過程而逐漸回落，即RST引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容C的充電時間.因此為保證系統(tǒng)能可靠地復位，EST引腳上的高電平必須維持足夠長的時間.復位電路如圖4所示.

圖4 復位電路

2.4 傳感器設計

使用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器.它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性.傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接[6].因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點.校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù).單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷.超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20m以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則.產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝.連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供.對于接口電路的設計，連接線長度短于20m時用5kΩ上拉電阻,大于20m時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻(圖5).

圖5 AM2301典型接口電路

2.5 光聲報警系統(tǒng)設計

采用紅綠LED燈作為光報警提示，當系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)符合給定的要求時，現(xiàn)場始終綠燈顯示；當系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)不符合給定的要求時，現(xiàn)場轉(zhuǎn)化為紅燈報警提示；本系統(tǒng)采用蜂鳴器作為聲報警提示，當系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)符合給定的要求時，現(xiàn)場沒有蜂鳴器報警提示；當系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)不符合給定的要求時，現(xiàn)場蜂鳴器報警提示(圖6).

圖6 光聲報警系統(tǒng)電路圖

2.6 溫濕度控制系統(tǒng)

溫濕度控制系統(tǒng)主要組成有：AT89C51單片機、風扇、加熱設備、加濕設備、排潮設備、報警模塊.當系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)不符合給定的要求時，系統(tǒng)啟動溫濕度控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒溫恒濕的目的[7-8].其中：風扇負責系統(tǒng)的降溫工作；加熱設備負責系統(tǒng)的加熱工作；噴霧設備負責系統(tǒng)的加濕工作；排潮設備負責系統(tǒng)的去濕工作[4].報警模塊(雙色燈)：負責系統(tǒng)的報警功能.如果當前的溫度超過用戶設定的界限時系統(tǒng)將自動報警，雙色燈在單片機的控制下有規(guī)律的切換，同時報警模塊發(fā)出報警聲，通知用戶采取相應的措施，電路圖如圖7所示.

圖7 溫濕度控制系統(tǒng)電路圖

2.7 液晶顯示模塊設計

液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形.液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點.在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預.每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài).相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多.

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)設計過程：系統(tǒng)初始化模塊，溫濕度檢測模塊，顯示模塊，報警模塊，溫濕度判斷控制模塊.系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)流程圖

3.1 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊負責完成溫度和濕度的測量及模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的全過程，這也是它為什么重要的原因.數(shù)字式溫濕度傳感器AM2301直接把檢測到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送給單片機，在經(jīng)過單片機的處理，把溫濕度值顯示在液晶屏上[8].溫濕度傳感器的精確度值直接影響到整個系統(tǒng)的檢測與控制，所以系統(tǒng)采用數(shù)字式溫濕度傳感器AM2301采集溫室內(nèi)的溫濕度.

(1)系統(tǒng)主程序設計.系統(tǒng)上電，AT89C51首先完成對串口及 LCD1602的初始化工作，然后開始讀取 AM2301的溫濕度數(shù)據(jù).對讀取的數(shù)據(jù)進行校驗，如果錯誤(不在范圍內(nèi))則重新讀取，如果數(shù)據(jù)正確則將讀取的溫濕度數(shù)據(jù)存入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，然后對該數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將結(jié)果存入數(shù)據(jù)顯示寄存區(qū).將待顯示數(shù)據(jù)送 LCD1602顯示，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，然后重新進行下一輪溫濕度數(shù)據(jù)讀取與顯示.

(2)AM2301溫濕度讀取程序設計.通過單總線訪問AM2301.首先主機發(fā)開始信號，然后主機等待接收 AM2301響應信號.當 AM2301發(fā)出響應信號后，主機則連續(xù)接收AM2301送出的 40位數(shù)據(jù)，對 40位數(shù)據(jù)校驗正確后則存入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存區(qū).

3.2 溫濕度判斷控制模塊

溫濕度判斷控制模塊是系統(tǒng)的核心模塊之一，所謂判斷控制模塊，就是對當前溫室內(nèi)的實際溫濕度與給定的溫濕度范圍進行比較，先進行判斷，然后再進行控制，控制模塊是決定系統(tǒng)將要進行什么工作的.如溫度高于上限時需要降溫，低于下限時需要升溫，如濕度高于上限時需要降濕，低于下限時需要増濕，同時還要啟動警報等[9-10].溫濕度判斷控制系統(tǒng)程序整體設計流程圖如圖9所示.

圖9 溫濕度判斷控制系統(tǒng)程序整體思路

4 結(jié)束語

基于AM2301的溫濕度控制系統(tǒng),經(jīng)實驗驗證，溫濕度偏差小，精度更高，設計運行穩(wěn)定.LCD顯示數(shù)字讀數(shù)方面，便于掌握環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù).

目前國內(nèi)外的溫濕度檢測使用的溫濕度檢測元件種類繁多、應用范圍也較廣泛，加之單片機和大規(guī)模集成電路技術的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，人們對自己的生活環(huán)境越來越嚴格.特別在溫室大棚中，對溫濕度要求更為嚴格.基于單片機的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)設計，對環(huán)境的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)做了詳細的設計與實現(xiàn).采用高性能的控制芯片AT89C51，高精度數(shù)字溫濕度傳感器AM2301.向模塊化、高速化、智能化的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)靠近.將此系統(tǒng)應用到溫室大棚當中無疑為植物的生活提供了更加適宜的環(huán)境，符合植物的生活環(huán)境要求，具有良好的發(fā)展前景.

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