黎運(yùn)宇，孔德榮

（廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程系，廣西崇左532200）

基于單片機(jī)AT89S52的蔬菜塑料大棚恒溫控制系統(tǒng)

黎運(yùn)宇，孔德榮

（廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程系，廣西崇左532200）

基于AT89S52單片機(jī)和ds18b20數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)蔬菜塑料大棚的恒溫控制系統(tǒng)。蔬菜大棚恒溫控制系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊，溫度采集測(cè)試模塊，按鍵溫度設(shè)置模塊，溫度顯示模塊，電源模塊和溫度顯示模塊。系統(tǒng)控制程序主要由單片機(jī)的主控程序，鍵盤輸入的溫度設(shè)置程序，繼電器控制程序組成。

蔬菜大棚；恒溫控制；單片機(jī)；溫度傳感器

現(xiàn)代的溫室蔬菜大棚蔬菜生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)就是對(duì)蔬菜的生長環(huán)境的一些重要數(shù)據(jù)的采集和控制。中國幅員遼闊，氣候變化多樣，利用塑料大棚恒溫對(duì)進(jìn)行蔬菜的栽培種植，對(duì)緩解季節(jié)性蔬菜的供求矛盾有重要作用，并且可以從中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。目前，蔬菜溫室大棚的種植雖然也安裝有鍋爐、電加熱各種加熱的設(shè)備，但是進(jìn)行加熱主要還是靠種植者的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的，這樣加熱沒有達(dá)到度溫度的準(zhǔn)確控制，沒有達(dá)到蔬菜生長的最適合溫度。為了達(dá)到對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度比較精確地控制，設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制的主要核心，利用數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）對(duì)溫室蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集并且通過加熱器對(duì)溫度進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。

一、系統(tǒng)概述

設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是由單片機(jī)AT89S52、繼電器、按鍵系統(tǒng)、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LED顯示器和一些小的電器元器件組成的電路。通過對(duì)單片機(jī)輸入程序從而達(dá)到控制加熱器對(duì)外部空氣進(jìn)行加熱，調(diào)節(jié)溫度保持在一定的范圍內(nèi)，以滿足蔬菜對(duì)氣溫的要求。

（一）溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

制作蔬菜塑料大棚保溫控制系統(tǒng)，為了方便在proteus軟件中進(jìn)行仿真，選用AT89S52單片機(jī)，輔以4個(gè)LED組成顯示模塊用于顯示溫度，數(shù)字溫度傳感器DS18B20模塊用于采集外部的溫度并反饋給單片機(jī)，3個(gè)按鍵組成的按鍵輸入模塊用于設(shè)置控制溫度的最高上限和最低下限，繼電器模塊用于控制電源的接通或斷開，控制加熱器工作或停止，從而構(gòu)成蔬菜塑料大棚保溫控制系統(tǒng)[1]57-70。設(shè)計(jì)的蔬菜大棚很穩(wěn)控制系統(tǒng)是以AT89S52單片機(jī)為核心，輔以數(shù)字溫度傳感器DS18B20模塊、溫度顯示模塊和按鍵輸入模塊等設(shè)備，可以對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且顯示和控制[2]152-166。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可根據(jù)大棚內(nèi)蔬菜對(duì)氣溫的要求來設(shè)置溫度，從而適應(yīng)各種的蔬菜所需要的不同溫度需求。如圖1所示為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的框架圖。

使用按鍵模塊對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的最高溫度和最低溫度進(jìn)行設(shè)置；溫度采集模塊數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，并對(duì)溫度傳感器DS18B20采集到的溫度進(jìn)行數(shù)字化處理，在溫度顯示模塊中實(shí)時(shí)顯示出來；單片機(jī)控制模塊通過開關(guān)器件對(duì)加熱器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，達(dá)到對(duì)溫度的調(diào)控。

（二）溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)把大棚內(nèi)的溫度控制在適合棚內(nèi)蔬菜的生長溫度范圍內(nèi)，使蔬菜得到比較好的生長環(huán)境。

1.數(shù)字溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的優(yōu)點(diǎn)，用它組成的一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，可以在一根通信線上掛多個(gè)數(shù)字溫度計(jì)。DS18B20具有的特點(diǎn)是（1）只需一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信，內(nèi)部的每個(gè)器件上有唯一的序列號(hào)；（2）使用中不需要外部元器件便能實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，測(cè)量溫度范圍在-55℃到+125℃之間；（3）數(shù)字溫度計(jì)可以從9位到12位選擇分辨率用戶且能實(shí)現(xiàn)溫度上、下限告警設(shè)置。

2.AT89S52單片機(jī)

單片機(jī)具有體積小，耗電量低，價(jià)格便宜和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適用于監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，智能儀器等方面。使用其單片機(jī)是為了構(gòu)成一個(gè)具有收集、判斷、存儲(chǔ)、計(jì)算、顯示和控制等功能的智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)[3]90-108。52系列單片機(jī)能夠兼容的圍芯片較多，是一種低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)的典型產(chǎn)品，并且AT89S52單片機(jī)具有較高的性價(jià)比，此保溫控制系統(tǒng)采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為保溫系統(tǒng)的控制器。

3.加熱器

系統(tǒng)選擇的加熱器是常見的吹風(fēng)機(jī)作為加熱器使用。吹風(fēng)機(jī)作為加熱器可以使得熱量在大棚內(nèi)可以得到很好擴(kuò)散，可使得大棚內(nèi)的溫度升高的時(shí)候比較均衡。選擇使用吹風(fēng)機(jī)作系統(tǒng)的加熱器，吹風(fēng)機(jī)的出氣口溫度比較高，不可以靠近種植物。

（三）系統(tǒng)的工作原理

恒溫控制系統(tǒng)的工作原理是：通過鍵盤K1、K2、K3對(duì)系統(tǒng)輸入需要的最高和最低溫度值，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)外界的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)并通過顯示模塊LED實(shí)時(shí)顯示出來，當(dāng)數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)試外界溫度小于設(shè)置的最低溫度的時(shí)候就會(huì)反饋到單片機(jī)，單片機(jī)就對(duì)繼電器輸出通電的指令，使得加熱器通電對(duì)大棚內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，當(dāng)數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)試到外界的溫度到輸入的最高溫度的時(shí)候反饋回到單片機(jī)，單片機(jī)又對(duì)繼電器輸出斷電的指令，加熱器停止進(jìn)行加熱[4]155-172。不斷反復(fù)循環(huán)，從而達(dá)到對(duì)蔬菜大棚恒溫的控制。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）溫度環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)

保溫控制系統(tǒng)單片機(jī)，LED顯示模塊，溫度傳感器模塊，按鍵模塊以及繼電器模塊構(gòu)成[5]。系統(tǒng)通過鍵盤模塊設(shè)定控制溫度的最高上限值和最低下限值，由數(shù)字溫度傳感器測(cè)量外界大棚內(nèi)的溫度并反饋回單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)溫度傳感器測(cè)試到的溫度來控制繼電器開關(guān)的接通和斷開，控制加熱器工作狀態(tài)。

（二）電路圖設(shè)計(jì)

蔬菜大棚恒溫控制系統(tǒng)的電路圖如圖2所示，圖中除了加熱器外包含了單片機(jī)控制模塊，溫度采集測(cè)試模塊，按鍵溫度設(shè)置模塊，溫度顯示模塊，電源模塊和溫度顯示模塊。其中電源模塊中有2種電路板供電的方式：第一種是USB線直接供電，用USB線接到手機(jī)充電器上就可以直接給系統(tǒng)電路板供電，充電器的輸入電壓為220V，而輸出電壓為5-10V；第二種就是USB旁邊設(shè)置2根電源針，這2根針就是外接電源接線柱，但外接電源必須經(jīng)過變壓器把電壓降為5-10V之間，這樣才能使系統(tǒng)的功能可以正常使用[6]82-90。

1.控制系統(tǒng)主電路圖

恒溫控制系統(tǒng)的主電路圖為AT89S52單片機(jī)的電路圖。單片機(jī)的電源引腳是40電源接口，引腳20是接地接口；引腳10連接的是數(shù)字溫度傳感器DS18B20；引腳35、36、37分別連接的是鍵盤設(shè)置模塊電路的K1、K2、K3按鍵的電路線；引腳21連接的是繼電器的電路，使得單片機(jī)可以對(duì)繼電器輸出繼電器通電和斷電的指令；引腳24、25、26、27、32、33、34、35、36、37、38、39這些引腳是連接控制顯示器模塊連路的接口，單片機(jī)引腳9、31控制溫度傳感器DS18B20和繼電器電源的電路接口。

2.控制系統(tǒng)其他部分的電路圖

繼電器部分的電路由一個(gè)10K的電阻，一個(gè)PNP型的三極管，11.0592MH的晶振和一個(gè)220V的零線插線板構(gòu)成。選擇11.0592MH晶振的原因是為了得到精確的通信波特率，串口通信的可靠性高，11.0592MH的晶振具有因?yàn)樗軌驕?zhǔn)確地劃分成時(shí)鐘頻率，能夠及時(shí)接收單機(jī)的指令，并且可以和單片機(jī)只同步[7]105-125，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行比較精確的調(diào)控。

鍵盤控制模塊電路由K1、K2、K3這個(gè)3個(gè)按鍵構(gòu)成的。通過K1、K2、K3這個(gè)3個(gè)按鍵的組合可以對(duì)系統(tǒng)輸入溫度的最高上限和最低下限，大棚內(nèi)的溫度則保持在這個(gè)溫度最高上限和最低下限值之間。

溫度采集模塊電路由一個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20元器件構(gòu)成。它的功能是測(cè)量大棚內(nèi)的溫度并反饋給單片機(jī)，使得單片機(jī)可以根據(jù)溫度的變化給繼電器輸出通電或斷電的指令。

顯示模塊電路由4個(gè)LED模塊構(gòu)成。這個(gè)顯示模塊可以顯示數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集到的實(shí)時(shí)溫度，還可以通過K1、K2、K3按鍵的不同組合的按法顯示出設(shè)置溫度的最高上限和最低下限值。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)的I/O分布

圖3為溫度控制系統(tǒng)的工作I/O分布圖。通過對(duì)系統(tǒng)的一些主要程序的設(shè)置和輸入，可使系統(tǒng)能夠很好地對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行智能的溫度控制。工作流程如下：

圖3 系統(tǒng)的I/O分布圖

當(dāng)系統(tǒng)的電源模塊接通電源后，電路開始工作，如果不需要重新設(shè)置溫度的最高上限和最低下限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)是之前最后一次設(shè)置的值，如果需要重新設(shè)置溫度的最高上限和最低下限值的話就只要通過鍵盤輸入就可以了。顯示模塊會(huì)顯示出大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)溫度小于最低溫度值的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)控制繼電器通電給加熱器通電進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度大于最高溫度值的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)控制繼電器斷電使得加熱器停止加熱。如此反復(fù)循環(huán)，使得蔬菜大棚內(nèi)的溫度在一定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到了蔬菜大棚保溫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

（二）系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)的主程序包含了單片機(jī)的主控程序，鍵盤的設(shè)置輸入程序，繼電器的通電與斷電的程序。

1.鍵盤輸入設(shè)置程序

鍵盤輸入設(shè)置程序的主要作用就是實(shí)現(xiàn)通過K1鍵的按下的次數(shù)的不同和K2、K3鍵的組合來完成溫度最高上限和最低下限值的設(shè)置，從而達(dá)到符合蔬菜大棚內(nèi)種植的蔬菜對(duì)溫度的要求。

2.繼電器控制程序

繼電器控制程序的作用是繼電器的開關(guān)根據(jù)鍵盤模塊設(shè)置的最高溫度上限和最低溫度下限值來控制加熱器電路的導(dǎo)通與斷開。當(dāng)數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)試到外界的溫度大于鍵盤設(shè)置的最高溫度上限值的時(shí)候單片機(jī)就會(huì)控制繼電器內(nèi)的開關(guān)斷開，從而使得加熱器斷電停止加熱；當(dāng)DS18B20測(cè)試到外界的溫度小于鍵盤設(shè)置的最低溫度下限值的時(shí)候單片機(jī)就會(huì)控制繼電器內(nèi)的開關(guān)導(dǎo)通，從而使得加熱器開始工作加熱。

3.溫度控制程序

溫度控制程序是數(shù)字溫度傳感器DS18B20的控制程序。程序控制數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)試蔬菜大棚內(nèi)的溫度并傳遞反饋到單片機(jī)內(nèi)，DS18B20反饋回單片機(jī)的延遲時(shí)間是1微秒，單片機(jī)又DS18B20測(cè)試到的溫度輸出到顯示模塊LED上，這樣就可以達(dá)到溫度的實(shí)時(shí)測(cè)試和顯示。

結(jié)語

基于單片機(jī)AT89S52的蔬菜大棚保溫控制系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)速度快，可以根據(jù)自己的需要來設(shè)定所需要的溫度范圍值，能夠適應(yīng)不同蔬菜種植生長過程中對(duì)不同溫度的要求。系統(tǒng)采用的數(shù)字溫度傳感器DS18B2因其的溫度感應(yīng)性能好，用它來組成一個(gè)測(cè)溫模塊，線路簡(jiǎn)單，用一根通信線就能實(shí)現(xiàn)反饋數(shù)據(jù)功能，應(yīng)用中不用外接任何別的元器件即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。整機(jī)線路簡(jiǎn)單，體積小，成本低，具有非常優(yōu)越的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]張徐亮，張雅麗，朱萬經(jīng)．集成電路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2]金鳳蓮．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]吳瓊偉，謝龍漢．電路設(shè)計(jì)與制板[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]劉祖剛．模擬電子電路原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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[6]王冬霞.集成門電路應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版，2013.

[7]張憲，張大鵬.電子電路實(shí)用手冊(cè)——識(shí)讀、制作、應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

責(zé)任編輯：李凡生

Study on a Constant-temperature Control System for a Vegetable Greenhouse Based on the Single-chip Microcomputer(AT89S52)

LI Yun-yu,KONG De-rong
(Department of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guangxi Chongzuo,532200)

Based on the single-chip microcomputer(AT89S52)and digital temperature sensor(DS18B20)，this paper designs a constant-temperature control system for a Vegetable greenhouse,whose system concludes mange modules,such as single-chip microcomputer control module,temperature acquisition test module,key temperature setting module,temperature display module, power module,and temperature display module.The System control program is composed of master control program of MCU,the temperature of the keyboard input setup,relay control program.

vegetable greenhouse,constant-temperature controlling,single-chip microcomputer,temperature sensor

TP29

A

1674-8891（2016）03-0017-03

2016-03-10

2016年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目一般項(xiàng)目（編號(hào)：KY2016YB515）。

黎運(yùn)宇（1974—），男，土家族，湖南張家界人，廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程系講師，研究方向：機(jī)械電子工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械化?？椎聵s（1989—），男，廣西象州縣人，北京電旗通訊技術(shù)服務(wù)股份公司南寧項(xiàng)目部技術(shù)員。