崔玉祥 趙慧芳 趙亮

摘要：卷簾機(jī)的日常操作是日光溫室冬季保溫的主要工作之一。試驗(yàn)基于STM8S003F3單片機(jī)的最小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制器。利用單片機(jī)自帶的定時(shí)器和EEPROM，依據(jù)定時(shí)原理設(shè)計(jì)了控制程序，實(shí)現(xiàn)了卷簾機(jī)的半自動(dòng)操作。通過(guò)無(wú)線通信，使控制器具備遙控操作功能。該控制器成本低廉、原理簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，減輕了勞動(dòng)力負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞：日光溫室;卷簾機(jī);控制器;遙控

中圖分類號(hào)：S625.1 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）17-0161-05

Abstract： The daily operation of curtain rolling machine is one of the main work of winter heat preservation in chinese solar greenhouse. A controller based on the minimum system of STM8S003F3 microcontroller was designed. With timer and EEPROM， the control program was designed according to the timing principle， and the semi-automatic operation of the curtain rolling machine was realized. Through wireless communication， the controller had remote control operation function. The controller has the advantages of low cost， simple principle and reliable operation， and reduces the labor burden.

Key words： chinese solar greenhouse; rolling shutter; controller; remote controller

日光溫室又稱暖棚，是中國(guó)北方設(shè)施種植區(qū)域比較常見的溫室類型，在不采取另外供熱的情況下，依靠太陽(yáng)光自然輻射的能量使室內(nèi)保持一定的溫度，以滿足作物的生長(zhǎng)需要[1]。同時(shí)，保溫被的大面積推廣應(yīng)用，使得日光溫室的保溫能力進(jìn)一步提高，設(shè)施產(chǎn)量進(jìn)一步增加。保溫被的卷放作業(yè)現(xiàn)在大都通過(guò)卷簾機(jī)來(lái)完成。卷簾機(jī)的廣泛應(yīng)用不僅提高了日光溫室卷放保溫被的工作效率，節(jié)省了勞動(dòng)力投入，而且在很大程度上減輕了人力負(fù)擔(dān)。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)日光溫室卷簾機(jī)控制技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，如基于溫光耦合的溫室卷簾機(jī)控制設(shè)備、基于ZigBee的溫室卷簾機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)、卷簾機(jī)溫光自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究等[2-9]。通過(guò)分析現(xiàn)有的日光溫室卷簾機(jī)控制系統(tǒng)[10-15]，研究總結(jié)出當(dāng)前日光溫室卷簾機(jī)控制系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題[16-18]：控制技術(shù)高級(jí)，對(duì)傳感器的依賴過(guò)高，不適于機(jī)械誤差大的日光溫室卷簾機(jī);成本過(guò)高，與目前應(yīng)用較多的倒順開關(guān)相比，種植戶難以接受。

綜上所述，設(shè)計(jì)與當(dāng)前日光溫室卷簾機(jī)械相適應(yīng)、低成本的控制器才能解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。本研究采用微控制器技術(shù)、315 MHz無(wú)線通信、定時(shí)器原理技術(shù)等設(shè)計(jì)了卷簾機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)日光溫室卷簾機(jī)的半自動(dòng)、遙控、定時(shí)和低成本控制。

1 控制器總體方案

控制器的設(shè)計(jì)框如圖1所示?？刂破鞑捎媚K化設(shè)計(jì)，分為核心控制板、繼電器模塊板、遙控收發(fā)模塊板、按鍵輸入數(shù)碼管輸出板和交流變直流模塊。核心控制板是整個(gè)控制器的核心，以STM8S003F3為主控制器，主要負(fù)責(zé)控制器的邏輯運(yùn)算和定時(shí)功能。繼電器模塊板是控制器的執(zhí)行官，將主控制器的輸出指令轉(zhuǎn)為對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際操作。遙控接收模塊負(fù)責(zé)接收遙控器發(fā)射的信號(hào)，將遙控器發(fā)來(lái)的操作信號(hào)轉(zhuǎn)換為主控制器可讀的電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遙控對(duì)卷簾機(jī)控制器的遠(yuǎn)距離操作。按鍵輸入數(shù)碼管輸出板是實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)控制器進(jìn)行操作和設(shè)定的媒介，由按鍵、數(shù)碼管和控制芯片構(gòu)成。交流變直流模塊為整個(gè)控制器提供穩(wěn)定的直流電源，該模塊將交流電變換為需要的直流電輸出。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制板電路

核心控制器主控芯片選用ST公司的8位微控制器STM8S003F3，芯片自帶128字節(jié)的片上EEPROM和多個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，斷電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不丟失，為該設(shè)計(jì)應(yīng)用中存儲(chǔ)定時(shí)數(shù)據(jù)提供了方便。核心控制板電路如圖2所示。U1為直流穩(wěn)壓芯片，將直流12 V電壓變成恒定的5 V。U2為微控制器STM8S003F3P，只需晶振和上電復(fù)位電路即可工作，為了降低成本，甚至晶振電路也可不接，而用芯片內(nèi)部的16 MHz的RC振蕩器，J1、J2、J3是主控制板同遙控接收電路、按鍵輸入和顯示輸出電路、繼電器模塊電路的接口。

2.2 遙控接收模塊電路

遙控接收模塊電路主要由遙控解碼芯片SC2272和高頻接收芯片SC480R及外圍電路構(gòu)成，電路如圖3所示。SC2272的A7～A0為地址設(shè)定引腳，每個(gè)引腳均分別可置為“0” “1”或“f”，通過(guò)將遙控和接收器設(shè)置成相同的地址編碼可保證一一對(duì)應(yīng)，8個(gè)引腳總共可設(shè)置6 561個(gè)地址，基本上保證一個(gè)示范園區(qū)或一個(gè)自然村內(nèi)不會(huì)重復(fù)編碼。當(dāng)SC2272確認(rèn)接收到有效信號(hào)時(shí)，引腳VT輸出高電平，引腳D0～D4其中一個(gè)輸出高電平，代表相應(yīng)的鍵按下。芯片SC480R及外圍電路將天線高頻信號(hào)從引腳ANT輸入，經(jīng)內(nèi)部解調(diào)電路變換成數(shù)字信號(hào)從引腳D0輸出，送給SC2272的數(shù)據(jù)輸入引腳Din。圖3中4.897 MHz的晶振將電路工作頻率設(shè)定在315 MHz。

2.3 按鍵輸入數(shù)碼管輸出電路板

按鍵輸入數(shù)碼管輸出板以16位數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片CH453為核心，板上設(shè)計(jì)有6個(gè)輸入按鍵和一個(gè)四位時(shí)鐘顯示數(shù)碼管，CH453通過(guò)2線串行接口與核心控制板交換數(shù)據(jù)。電路如圖4所示。SW1至SW6表示6個(gè)輸入按鍵，U2表示四位時(shí)鐘顯示數(shù)碼管（共陰極）。CH453對(duì)數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，由D1至D4，順序驅(qū)動(dòng)4個(gè)數(shù)碼管。CH453內(nèi)部有16個(gè)8位的數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)寄存器中的位6至位0分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的段碼S6～S0，該控制器只用內(nèi)部前4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。CH453在鍵盤掃描期間，D7對(duì)應(yīng)列掃描輸出，S0～S5用于掃描輸入，有鍵按下時(shí)CH453內(nèi)部會(huì)形成不同的鍵碼值。CH453通過(guò)引腳SCL（時(shí)鐘線）和SDA（數(shù)據(jù)線）與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，引腳INT用于按鍵產(chǎn)生時(shí)向單片機(jī)發(fā)出中斷，請(qǐng)求讀取鍵碼值。

2.4 繼電器模塊板

繼電器模塊板是控制器的執(zhí)行官，將主控制器輸出的邏輯電平轉(zhuǎn)換為控制電動(dòng)機(jī)啟停的開關(guān)信號(hào)，并且起到電氣隔離作用，將直流電與交流電進(jìn)行隔離。電路如圖5所示。PD1為單片機(jī)的I/O引腳，當(dāng)PD1輸出為1時(shí)，Q1導(dǎo)通，繼電器K1線圈通電，觸點(diǎn)K1吸合，外接的接觸器吸合，卷簾機(jī)電機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)PD1輸出為0時(shí)，Q1不導(dǎo)通，繼電器觸點(diǎn)K1斷開，卷簾機(jī)電機(jī)不啟動(dòng)。在PD1由1變?yōu)?的過(guò)程中，K1線圈兩端會(huì)產(chǎn)生高達(dá)150 V的反電動(dòng)勢(shì)， D2和K1線圈構(gòu)成的回路保障反電動(dòng)勢(shì)不損壞K1線圈。R3保障在控制器上電瞬間Q1不導(dǎo)通，卷簾機(jī)電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。J1為與主控制板的接口電路，J2為與接觸器的連接口。

2.5 交流變直流模塊

交流變直流模塊是控制器的電源，為控制器的所有直流用電器件提供直流電源。由于電動(dòng)機(jī)采用380 V交流電，選用YHT4S開關(guān)電源模塊，該模塊輸入電源范圍為85～500 V，輸出直流12 V，輸出功率為10 W。模塊整體用導(dǎo)熱樹脂灌封，具備防潮、防塵、防燃、防震功能，可直接焊接在電路板上，其實(shí)物外形如圖6所示。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)模塊和功能，程序流程如圖7所示。

3.1 手動(dòng)操作控制程序

手動(dòng)模式下，操作者手動(dòng)按下控制器箱體（遙控器）上的卷簾、放簾或停止鍵，卷簾機(jī)才會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。在保溫被運(yùn)行到相應(yīng)的位置時(shí)，必須手動(dòng)按下停止鍵，卷簾機(jī)才會(huì)停止。在卷簾或放簾的同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，并將計(jì)時(shí)時(shí)間顯示在數(shù)碼管上。

3.2 定時(shí)停止控制程序

根據(jù)手動(dòng)操作時(shí)卷簾從最上端運(yùn)行到最下端時(shí)數(shù)碼管上顯示的時(shí)間，可以設(shè)置放簾時(shí)間，卷簾的時(shí)間設(shè)置方法相同。自動(dòng)模式下，操作者手動(dòng)按下控制器箱體（遙控器）上的卷簾或放簾鍵，控制器會(huì)讀取設(shè)定的計(jì)時(shí)時(shí)間并進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，當(dāng)數(shù)碼管上的時(shí)間減為0時(shí)，卷簾機(jī)自動(dòng)停止。

4 試驗(yàn)

為了對(duì)卷簾機(jī)控制器的可靠性及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，2018年10月23日在太原市小店區(qū)西溫莊村太原市德春園農(nóng)業(yè)科技有限公司的日光溫室進(jìn)行了試驗(yàn)。該公司示范園內(nèi)共有日光溫室56座，每座日光溫室長(zhǎng)75 m、跨度8 m、高4.5 m，卷簾機(jī)為前置卷軸上推式，設(shè)置在溫室的中間，隨機(jī)選取了10個(gè)溫室安裝控制器進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 可靠性試驗(yàn)

為檢驗(yàn)控制器工作的可靠性，在手動(dòng)、自動(dòng)模式下，分別通過(guò)按鍵和遙控操控卷簾機(jī)進(jìn)行工作，各操作5次，觀察卷簾機(jī)是否響應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)作，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，控制器工作可靠，只是在遙控遠(yuǎn)距離（100 m）操作時(shí)會(huì)有操作不靈的現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，操作者為了觀察卷簾機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況，距離控制器一般也不會(huì)超過(guò)100 m。

4.2 停止位置試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)自動(dòng)模式下，卷簾機(jī)停止位置的精確性，每個(gè)控制器卷、放保溫被各進(jìn)行5次，記錄停止位置與設(shè)定位置的誤差，各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出，卷簾機(jī)每次停止位置都比設(shè)定的位置早，這是因?yàn)樵O(shè)定的時(shí)間比實(shí)際記錄的時(shí)間少3 s所致，這樣做主要是為了防止卷簾機(jī)卷翻發(fā)生事故。表2 停止位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的日光溫室卷簾機(jī)控制器工作穩(wěn)定可靠、成本低廉，該控制器的應(yīng)用基本上解決了卷放保溫被作業(yè)過(guò)程中耗時(shí)費(fèi)力、易卷翻的問(wèn)題，為日光溫室的冬季保溫提供了技術(shù)支撐?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器操作可靠性高，對(duì)提升日光溫室的自動(dòng)化作業(yè)水平具有重大意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔玉祥，趙 亮，趙慧芳，等.日光溫室卷簾機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2019 （4）：50-51.

[2] 裴 雪，范奧華，劉煥宇，等.基于溫光耦合的溫室卷簾機(jī)控制設(shè)備開發(fā)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018（4）：83-86.

[3] 谷 彤，王 颯，佀東方，等.防人身傷害溫室卷簾機(jī)智能控制器研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（2）：110-113.

[4] 張 杰，盧博友， 張海輝，等.基于ZigBee的溫室卷簾機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013 （5）：77-80.

[5] 石建業(yè)，羅有中，王嬌敏，等.日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)信息， 2017（8）：77-79.

[6] 朱瑜紅.基于STC單片機(jī)的溫室定時(shí)自動(dòng)卷簾控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2015，43（12）：485-487.

[7] 楊 蕊，趙慧芳，潘大豐，等.基于單片機(jī)的溫室卷被控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備， 2017（8）：35-38.

[8] 袁永偉，馬躍進(jìn)，弋景剛，等.日光溫室無(wú)縫卷簾機(jī)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（6）：140-144.

[9] 帕合爾鼎·阿布來(lái)提，吳樂(lè)天，楊會(huì)民，等.JLL-1.5型卷簾機(jī)溫光自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（4）：65-68，72.

[10] 陳春玲，王 瀧，許童羽，等.北方日光溫室群環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，46（1）：85-90.

[11] 張國(guó)祥，傅澤田，李鑫星，等.改進(jìn)型日光溫室后置固定式卷簾裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（12）：299-308.

[12] 郭 鵬，馬建輝.農(nóng)業(yè)溫室大棚智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（4）：71-73，90.

[13] 羅瑞雪.基于WiFi的溫室環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表，2017 （6）：86-88.

[14] 楊學(xué)坤，諸 剛，蔣 曉，等.日光溫室智能控制器的研制與示范[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（3）：95-98.

[15] 張亞新，曹萬(wàn)蒼.日光溫室大棚自動(dòng)卷簾控制系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012（5）：97-100.

[16] 董文君.大棚卷簾機(jī)推廣使用問(wèn)題分析[J].農(nóng)村機(jī)電， 2015，32（1）：133，158.

[17] 王開德，李鵬輝.移動(dòng)式溫室大棚卷簾機(jī)控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（25）：8837-8839.

[18] 張國(guó)祥，傅澤田，張領(lǐng)先，等.中國(guó)日光溫室機(jī)械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2017，33（增刊1）：1-10.