梁成功 陳梓豪 魏 敏 胡亮亮 張麗紅

(1．晉中學(xué)院物理與電子工程系，山西 晉中 030600；2．山西省交控?cái)?shù)字交通科技有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

溫室大棚快速發(fā)展，規(guī)模迅速擴(kuò)大，但是傳統(tǒng)的溫室大棚控制系統(tǒng)卻沒(méi)有相應(yīng)的更新?lián)Q代，目前應(yīng)用到溫室大棚的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用由模擬溫度傳感器、多路模擬開(kāi)關(guān)以及A/D 轉(zhuǎn)換器等組成的傳輸系統(tǒng)。這類傳輸系統(tǒng)成本高、易受外界干擾、損耗大且測(cè)量誤差大，無(wú)法有效控制溫度。 單片機(jī)因其優(yōu)良的性價(jià)比和可控性備受青睞。該文基于AT89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能溫室大棚控制系統(tǒng)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化、智能化生產(chǎn)，與目前常見(jiàn)的其他智能溫室大棚相比，其具有成本低廉、功能多樣以及可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高大棚種植的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)預(yù)期所要實(shí)現(xiàn)的功能，按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，初步確立智能溫室大棚系統(tǒng)由核心AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)溫度采集與控制功能的溫度采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、大棚增溫?zé)裟K、實(shí)現(xiàn)陰歷顯示與定時(shí)灌溉功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、獨(dú)立鍵盤(pán)模塊以及蜂鳴器模塊組成，系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)具體運(yùn)行流程如圖2所示，先初始化，刷新時(shí)間，刷新溫度顯示；執(zhí)行主循環(huán)，進(jìn)行按鍵檢測(cè)，如果有按鍵按下，就執(zhí)行按鍵功能，如果沒(méi)有按鍵按下，就每200 ms監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)1次，判斷此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)處于陽(yáng)歷模式還是陰歷模式，如果陽(yáng)歷模式，就刷新時(shí)間、日期，如果為陰歷模式，就刷新陰歷[2]；設(shè)定溫度閾值，同時(shí)每秒檢測(cè)溫度1次，如果溫度高于33 ℃ （設(shè)定閾值），就開(kāi)啟降溫系統(tǒng)對(duì)大棚降溫，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到-90 °方向，代表遮陽(yáng)網(wǎng)開(kāi)啟。如果溫度為25 ℃～33 ℃，就表示溫度適宜植物生長(zhǎng)，降溫系統(tǒng)轉(zhuǎn)為關(guān)閉狀態(tài)，舵機(jī)保持不動(dòng)。如果溫度低于25 ℃，就打開(kāi)增溫補(bǔ)光燈，給予植物充分的光照和溫度，同時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到+90 °方向，代表遮陽(yáng)網(wǎng)關(guān)閉。最后對(duì)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)定時(shí)灌溉系統(tǒng)處于開(kāi)啟狀態(tài)且時(shí)間達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)啟水泵，均勻澆灌植物，同時(shí)，還可以通過(guò)軟件及土壤濕度科學(xué)設(shè)置灌溉時(shí)長(zhǎng)。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2 單片機(jī)最小系統(tǒng)與擴(kuò)展模塊線路設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的必要的電源、時(shí)鐘以及復(fù)位等部件，能使單片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。將最小系統(tǒng)作為智能溫室大棚系統(tǒng)的核心部分，將其引腳外接不同的模塊，使單片機(jī)具備溫度監(jiān)測(cè)與控制、智能灌溉以及陰陽(yáng)歷轉(zhuǎn)換等功能。 選用AT89C52單片機(jī)為核心，在XTAL1與XTAL2引腳外接11.059 2 MHz的晶振，使單片機(jī)有合理的運(yùn)行速度。 RST引腳接復(fù)位電路，高電平復(fù)位[3]。

AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3所示，在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)P0.0～P0.7引腳接液晶顯示屏LCD1602的D0～D7引腳，作為數(shù)據(jù)傳輸引腳；P2.0引腳接蜂鳴器引腳，作為溫度閾值報(bào)警、定時(shí)灌溉驅(qū)動(dòng)提示音引腳；P2.5引腳接LCD1602的RS引腳（寄存器選擇引腳），高電平時(shí)為數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)為指令寄存器；P2.6引腳接LCD1602的RW引腳（讀/寫(xiě)控制引腳），因?yàn)橹恍枰獙?xiě)入數(shù)據(jù)，所以可以只接低電平；P2.7引腳接LCD1602的E引腳，為使能端口，高電平有效；單片機(jī)對(duì)E引腳、RS引腳以及RW引腳輸入控制信號(hào)，便能與LCD1602建立數(shù)據(jù)通信，將時(shí)間、日期以及溫度等信息傳輸?shù)揭壕э@示屏上顯示；P3.0～P3.3引腳接獨(dú)立鍵盤(pán)的K1～K4引腳，具備時(shí)間調(diào)整、陰陽(yáng)歷界面切換、設(shè)定灌溉時(shí)間以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)功能；P3.7引腳接溫度傳感器DS18B20的WD引腳，單片機(jī)通過(guò)P3.7引腳可以讀取DS18B20的溫度數(shù)據(jù)；P1.0～P1.2引腳接時(shí)鐘芯片的SCLK串行時(shí)鐘引腳、I/O串行數(shù)據(jù)引腳與RST復(fù)位引腳；P1.3引腳和P1.5引腳接ULN2003A的4B口和6B口，當(dāng)單片機(jī)對(duì)這2個(gè)端口輸入高電平時(shí)，便可以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)LCD1也與P1.5引腳相連，當(dāng)P1.5引腳輸入高電平時(shí)，LCD1被點(diǎn)亮，代表定時(shí)灌溉系統(tǒng)開(kāi)啟；P1.4引腳接舵機(jī)SG90的DJ引腳，通過(guò)DJ引腳向舵機(jī)發(fā)送不同占空比的脈沖信號(hào)，可以使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到不同方向[4]；P1.7引腳接大棚增溫?zé)鬖ED2，當(dāng)P1.7引腳輸入低電平時(shí)，大棚增溫?zé)舯稽c(diǎn)亮。

3 溫度采集與控制功能設(shè)計(jì)

溫度采集與控制功能由單片機(jī)最小系統(tǒng)與溫度采集模塊、舵機(jī)模塊、電機(jī)模塊以及大棚增溫?zé)裟K協(xié)作實(shí)現(xiàn)。其中，溫度采集模塊采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，如圖4所示，DS18B20采用單總線設(shè)計(jì)，其DQ端與單片機(jī)P3.7引腳直接相連，單片機(jī)通過(guò)這一條總線便可以完成對(duì)DS18B20的復(fù)位操作、存在檢測(cè)以及讀寫(xiě)等操作，從而完成溫度采集工作[5]。

圖4 溫度采集與控制電路設(shè)計(jì)圖

先啟動(dòng)DS18B20溫度轉(zhuǎn)換，執(zhí)行總線復(fù)位，單片機(jī)通過(guò)拉低總線499.45 μs來(lái)發(fā)送復(fù)位脈沖，掛接在總線上的溫度傳感器將會(huì)被復(fù)位，之后單片機(jī)釋放總線進(jìn)入接收模式，總線被拉至高電平。當(dāng)DS18B20檢測(cè)到總線上升沿信號(hào)后，等待83.45 μs，將總線拉低發(fā)送一個(gè)存在脈沖，向主設(shè)備表明溫度傳感器在總線上，并且做好通信準(zhǔn)備。 接著，總線控制器產(chǎn)生讀寫(xiě)時(shí)序，通過(guò)向總線發(fā)送由0與1組成的序列碼，完成忽略ROM指令操作以及溫度轉(zhuǎn)換指令操作，從而讀取溫度值。總線控制器產(chǎn)生寫(xiě)0時(shí)序，將總線拉低最少1.00 μs，保持低電平76.95 μs，然后釋放總線；產(chǎn)生寫(xiě)1時(shí)序，在產(chǎn)生寫(xiě)時(shí)序的15.00 μs內(nèi)將總線拉高，再保持60.00 μs以上，以保證ds18b20采樣；同理，產(chǎn)生一個(gè)讀時(shí)序，必須先將總線拉低至少1.00 μs，在讀信號(hào)開(kāi)始后的15.00 μs內(nèi)完成將總線拉高或者保持低電平的操作，同時(shí)將數(shù)據(jù)保持60.00 μs以上，保證總線控制器完成總線數(shù)據(jù)采樣工作[6]。

完成溫度采集工作后，根據(jù)所獲取的溫度數(shù)據(jù)，設(shè)置溫度閾值（33 ℃），并通過(guò)判斷溫度是否超過(guò)相應(yīng)的閾值范圍，執(zhí)行相應(yīng)的增溫、降溫操作。

當(dāng)溫度高于33 ℃時(shí)，單片機(jī)通過(guò)P1.3引腳向ULN2003A中的4B口輸入高電平信號(hào)（圖5（a）電機(jī)），則4B口對(duì)應(yīng)的輸出口4C口會(huì)得到一個(gè)低電平信號(hào)，此時(shí)COM口為高電平，4C口為低電平，電機(jī)小電風(fēng)扇啟動(dòng)，開(kāi)始對(duì)大棚降溫，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)P1.4引腳及DJ端口向舵機(jī)輸入占空比為1∶39的脈沖信號(hào)（圖5（a）舵機(jī)），舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到-90 °方向，代表遮陽(yáng)網(wǎng)開(kāi)啟。

當(dāng)溫度為25 ℃～33 ℃時(shí)，就表示溫度適宜植物生長(zhǎng)，單片機(jī)通過(guò)P1.3引腳向ULN2003A中的4B口輸入低電平信號(hào)（圖5（b）電機(jī)），則4B口對(duì)應(yīng)的輸出口4C口會(huì)得到一個(gè)高電平信號(hào)，此時(shí)COM口為高電平，4C口為高電平，降溫電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)單片機(jī)停止向P1.4口輸入脈沖信號(hào)（圖5（b）舵機(jī)），舵機(jī)保持不動(dòng)。

當(dāng)溫度低于25 ℃時(shí)，單片機(jī)向P1.7口輸入高電平信號(hào)，開(kāi)啟增溫補(bǔ)光燈，給予植物充分的光照與溫度，向P1.4引腳輸入占空比為5∶35的脈沖信號(hào)（圖5（c）舵機(jī)），舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到+90 °方向，表示遮陽(yáng)網(wǎng)關(guān)閉，同時(shí)單片機(jī)向P1.3引腳輸入一個(gè)正脈沖信號(hào)（圖5（c）電機(jī)），確保電機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)[7]。

圖5 電路波形圖

4 陰歷顯示與定時(shí)灌溉功能設(shè)計(jì)

陰歷顯示通過(guò)單片機(jī)向SCLK端輸入低電平，向RST端輸入高電平，進(jìn)行初始化，對(duì)I/O口輸入寫(xiě)控制指令，當(dāng)下一個(gè)SCLK時(shí)鐘脈沖的上升沿來(lái)臨時(shí)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入DS1302；對(duì)I/O口輸入讀控制指令，當(dāng)下一個(gè)SCLK時(shí)鐘脈沖的上升沿來(lái)臨時(shí)，將數(shù)據(jù)讀出DS1302，這樣通過(guò)SCLK與I/O口的配合將精確的時(shí)刻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。單片機(jī)接收到時(shí)鐘數(shù)據(jù)與從天文臺(tái)得到的陰歷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，就可以得到當(dāng)年的春節(jié)日期，以計(jì)算公歷日離春節(jié)的天數(shù)，以后只要根據(jù)大小月和閏月信息，減一月天數(shù)，調(diào)整一月農(nóng)歷月份，即可推算公歷日所對(duì)應(yīng)的農(nóng)歷日期[8]。

在得到時(shí)間數(shù)據(jù)后，通過(guò)if語(yǔ)句判斷時(shí)間與所設(shè)定時(shí)間是否相等，如果相等，那么單片機(jī)通過(guò)P1.5口輸入高電平，LED1被點(diǎn)亮，同時(shí)ULN2003A中6C口位置的電機(jī)啟動(dòng)，蜂鳴器發(fā)出滴滴提示音，代表定時(shí)灌溉功能開(kāi)啟（圖5（d）蜂鳴器與定時(shí)灌溉）；再通過(guò)if語(yǔ)句判斷時(shí)間與所設(shè)定時(shí)間加灑水時(shí)長(zhǎng)是否相等，如果相等，就給P1.5口輸入低電平，LED1與電機(jī)均關(guān)閉，系統(tǒng)通過(guò)2個(gè)if語(yǔ)句便完成了定時(shí)灌溉功能的設(shè)計(jì)。

圖6 陰歷顯示與定時(shí)灌溉功能設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)語(yǔ)

該文基于AT89C52智能溫室大棚溫度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，采用模塊式設(shè)計(jì)與軟硬件結(jié)合的方法，將單片機(jī)與溫度采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等8個(gè)外部擴(kuò)展模塊連接，在硬件上，采用數(shù)字式溫度采集，將溫度誤差縮小至±0.5 ℃；同時(shí)，設(shè)計(jì)了升溫補(bǔ)光、電機(jī)降溫等溫控功能，使溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物即使在外界環(huán)境溫度大幅度變化的情況下，仍可以正常生長(zhǎng)。在軟件上，通過(guò)應(yīng)用流程代碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)模塊的調(diào)用以及各個(gè)模塊功能的相互配合，不但全面、實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確地完成了對(duì)溫室大棚溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，而且額外增添了符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)氣的陰歷顯示功能與定時(shí)灌溉功能，從而實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能化生產(chǎn)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的方法，電路可移植性強(qiáng)，可以根據(jù)不同環(huán)境的需求增添外部擴(kuò)展模塊，例如可以加入藍(lán)牙模塊，與手機(jī)相連，操作更便捷，管理更精準(zhǔn)；也可以加入濕度檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)土壤濕度，更有效、科學(xué)地管理灌溉時(shí)長(zhǎng)。綜上所述，基于AT89C52的智能溫室大棚系統(tǒng)比傳統(tǒng)智能控制系統(tǒng)更智能化、人性化，性價(jià)比更高，更符合市場(chǎng)需求。