吳年祥，陳小林

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽六安237011）

如今，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大,溫度檢測并報(bào)警在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,要求也越來越高溫度[1]。溫度傳感器同時也被廣泛的應(yīng)用到大棚農(nóng)業(yè)技術(shù)、過熱保護(hù)中。考慮到熱敏電阻與后級的放大電路受環(huán)境的影響，在不同的環(huán)境下會出現(xiàn)的測溫的偏差而，MAX1669，TMP35/36，LM80 等傳感器的價(jià)格很高。在同等條件下，考慮到溫室大柵的測溫精度、分辨率等因素，本系統(tǒng)采用了電壓型溫度傳感器LM35D，作為溫室采集，它的量程為0至100℃，線性度為10mV/℃，精度達(dá)到+0.4℃，成本相對較低，輸出電壓型信號，便于單片機(jī)處理，合使系統(tǒng)電路簡化。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用電壓型溫度傳感器LM35D采集溫室大棚內(nèi)溫度，輸出產(chǎn)生10mv/℃的電壓信號，通過放大電路將信號進(jìn)一步放大，處理的信號傳送給A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過微控制器程序設(shè)定溫度上下限報(bào)警并通過實(shí)時顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

在溫度測量電路中，使用線性度為10mV/℃的LM35D電壓型溫度傳感器，信號通過放大電路放大十倍后送到A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端，然后將溫度數(shù)字信號傳送到微控制器STC89C52RC，利用單片機(jī)的軟件編程實(shí)現(xiàn)溫室大棚的50℃至10℃報(bào)警電路的控制，將擴(kuò)大500倍的信號縮小5倍，將最初的微弱溫度電壓信號放大了100倍。通過P1口將微控制器輸出的數(shù)字信號傳送給74LS138譯碼器，再經(jīng)過驅(qū)動器CD4511使七段數(shù)碼管實(shí)時顯示溫室大棚的室內(nèi)溫度。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器及放大電路設(shè)計(jì)。LM35D是被廣泛使用的精密集成溫度傳感器之一，它的攝氏溫度與輸出電壓成線性關(guān)系，LM35D不需額外接電路來校準(zhǔn)或微調(diào)可以達(dá)到±1/4℃的常用室溫精度，其額定工作溫度范圍在-55℃到+150℃，同時LM35D在-40℃到+110℃之間（其中-10℃用于改進(jìn)度），其靈敏度為10mV/℃[2]。若溫室大棚的溫度為20℃，經(jīng)LM35D采集大棚內(nèi)的溫度后得到的輸出電壓信號為0.2mV，需要將此微弱電壓信號通過整個軟硬件系統(tǒng)中至少放大百倍，然后將放大后信號送入集成驅(qū)動電路，即可顯示溫室大棚內(nèi)的室溫?？紤]到剛開始采集到的電壓信號太微弱，不利于微控制器處理,較容易產(chǎn)生信號誤差且不太穩(wěn)定，故在LM35D的輸出端經(jīng)過75KΩ電阻和1uF的電解電容組成的低通濾波器減少干擾信號對電路造成的干擾，使溫度傳感器采集到的輸入信號與后級電路匹配，使與采集到的溫度成比例的電壓信號更加穩(wěn)定。在如圖2所示的溫室大棚溫度測量系統(tǒng)電路中，取前置電阻為1K方便計(jì)算，R5用可變電阻使這個0.2mV微弱溫度電壓信號的放大倍數(shù)范圍在0到21內(nèi)可調(diào)，為了使將其放大倍數(shù)為10倍，將將R5調(diào)至9K，這樣經(jīng)同相比例運(yùn)算放大電路輸出就為放大十倍的電壓信號UO=1+R5/R6為2V，將結(jié)果送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804[3]。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)?？紤]到溫室大棚的溫度檢測精度，本系統(tǒng)選用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804是8位連續(xù)漸進(jìn)式的8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，LM35D溫度傳感器的測量范圍為0至100℃，若設(shè)定采集到溫室大棚內(nèi)最高溫度30℃，因LM35D傳感器的靈敏度為10mV/℃再經(jīng)過下一級運(yùn)算放大電路放大10倍，傳送到模數(shù)傳換器的6腳VI+的電壓為3V，再經(jīng)過下列電路處理過程放大150倍：模數(shù)傳換器ADC0804數(shù)據(jù)輸出與基準(zhǔn)電壓,輸入電壓關(guān)系為UDB1-DB7=VI+*(256/VREF*2)，如圖2所示將基準(zhǔn)電壓Vref調(diào)至2.5V，將輸入電壓VI+=3V代入以上公式，可得模數(shù)傳換器的輸出電壓為3V的50倍，即DB1-DB7輸出150倍的二進(jìn)制數(shù)將其結(jié)果送入微控制器端，利用軟件編程的方法將結(jié)果除以5便可達(dá)到測量溫室大棚內(nèi)30℃最初溫度，送入譯碼驅(qū)動電路使其顯示出最高溫度為30℃。溫度在0至100℃范圍內(nèi)，由于8位A/D轉(zhuǎn)換器AD0804的分辨率為1/28=0.4%，將最高溫度設(shè)為30℃時，可得它的測量精度為30/256=±0.11℃。在這個溫度處理電路當(dāng)中A/D轉(zhuǎn)換器起作模數(shù)轉(zhuǎn)換與放大作用，最終將結(jié)果從DB1-DB7提供出單片機(jī)P0，通過軟件編程除以5還原溫室大棚原始溫度，顯示溫度。

2.3 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。若溫室大棚內(nèi)的溫度超過設(shè)定的30℃溫度,通過軟件使微控制器STC89C52RC P2.5口輸出的微弱電壓信號,但這個信號不能驅(qū)動蜂鳴器使其報(bào)警,需要將這個信號進(jìn)行放大，才能提花足夠的電使其蜂鳴器工作?？烧{(diào)電阻R9可以調(diào)節(jié)些電路的電壓信號放大倍數(shù)，如圖3所示放大集成OP07的信號輸入端由單片機(jī)的P2.5控制。

2.4 譯碼、驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)顯示采用價(jià)格相對便宜的數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，基本LED的余輝和人眼的視覺暫留特性，只要多個LED數(shù)碼管的選通信號掃描速率足夠快，掃描次數(shù)大于25次/s，就感覺數(shù)碼管一直在點(diǎn)亮即無閃爍現(xiàn)象。動態(tài)掃描方式是將所有LED段選線a~g并聯(lián)在一起，由一個8位LED譯碼驅(qū)動器I/O口來控制，所有LED的片選信號線“接地”則由譯碼器的I/O口來控制。如圖4所示，單片機(jī)P1.0~P1.2分別與74LS138譯碼器A~C相連，譯碼器P1,P2,P3輸出低電平實(shí)現(xiàn)對共陰極數(shù)碼管的片選。單片機(jī)P1.4~P1.7分別與74LS48譯碼驅(qū)動器A~D相連，高電平輸出驅(qū)動數(shù)碼管顯示溫度。考慮溫室大棚室溫的精度為0.1℃，系統(tǒng)采用3個數(shù)碼管。系統(tǒng)采用LM35D作為溫度傳感器，測溫范圍在0至+100℃，利用軟件編程將顯示范圍調(diào)到最高溫度+30℃，設(shè)置上限報(bào)警溫度30℃，其中當(dāng)片選信號低電平到達(dá)L2時，小數(shù)點(diǎn)自動點(diǎn)亮。

三、軟件設(shè)計(jì)

3.1 總程序流程設(shè)計(jì) 總程序流程圖如圖5所示。

圖5 總程序流程

圖6 ADC0804工作流程圖

3.2 程序控制設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換器由STC89S52RC單片機(jī)控制/CS端啟動，具體控制流程圖如圖6所示。當(dāng)單片機(jī)發(fā)送/CS為低電平時,ADC0804通過DB0至DB7端口傳送P0至P7口轉(zhuǎn)換完成后的二進(jìn)制數(shù)字信號，通過軟件編程使信號縮小5倍，顯示溫室大棚內(nèi)的室溫。/CS為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的片選信號，/RD、/WR分別為讀、寫信號端口，與微控制器的、讀、寫端口相連。當(dāng)INTR端口為高電平時表示模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，將INTR信號傳送給控制器，單片機(jī)接收完成模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)會再給A/D轉(zhuǎn)換器一個響應(yīng)信號。

以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心的溫室大棚溫度測量檢測系統(tǒng)，運(yùn)用集成線性LM35D作為溫度檢測傳感器，AD0804作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，整個系統(tǒng)電路簡單便于數(shù)據(jù)采集和處理，而且可通過RS485線實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境下對溫度的遠(yuǎn)距離測量。系統(tǒng)設(shè)置檢測的溫度范圍是：0℃至30℃，使溫室溫度測量結(jié)果更為精確，檢測分辨率達(dá)到±0.1℃。由于單片機(jī)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的限制,對溫室大棚多點(diǎn)溫度、多參量的測量檢測系統(tǒng)的研究提供了良好的基礎(chǔ)。所以對更廣闊應(yīng)用前景的溫室大棚多點(diǎn)溫、多參數(shù)的測量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)有待后期進(jìn)一步的研究。

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[2]張玉峰.基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(3):152.

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