一種簡易溫室控制系統的設計

　　摘要：針對溫室大棚人工控制過程復雜，生產成本高和效率低下等問題。設計了一款基于STC89C55的低成本簡易溫室控制系統，該系統可對溫室內的溫度、濕度、光照度、和二氧化碳濃度等環境因子進行實時監控，并能按照預先設定的參數對溫室環境進行自動調節，以滿足不同農作物的生長要求。詳細闡述了系統軟硬件的實現方法。經仿真和實際應用表明：該系統具有探作簡單，運行可靠和造價低廉等特點，能滿足溫室控制的需求，具有良好的應用前景和推廣價值。
　　
　　關鍵詞：智能溫室；控制系統；單片機；環境因子
　　
　　溫室是一種可以改變植物生長環境，為植物生長創造更好條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。隨著社會經濟的發展，各種園藝溫室和農作物溫室的數量在不斷的增加，目前這些溫室環境的控制大部分仍靠人工經驗來進行手動控制，這種控制方式生產效率低下，單位產品的生產成本偏高，嚴重影響了農業生產的效益，阻礙了農業生產的發展。因此采用智能溫室控制代替手工控制是現代溫室發展的一個必然趨勢，而當今國內常見的智能溫室系統都是采用工控機或者PLC方案，其控制成本高，性價比低，較大部分用戶經濟能力承受不起。為此本文在綜合考慮系統的測量精度、生產效率以及成本等多方面因素之后，設計了一種基于STC89E55RD+單片機的低成本簡易溫室控制系統。其成本較工控機要低，運行可靠，便于大批量推廣。
　　
　　1、總體設計
　　
　　本系統整體原理框圖如圖1所示，系統采用STC89E55RD+單片機作為控制核心，通過各種傳感器將溫室內的溫度，濕度，光照度和二氧化碳濃度等環境因子轉換成相應的電信號，經調理電路后送入到單片機，實現對環境因子的采集，存儲與顯示。采集后的信號與預先設定的數值進行比較，當溫室內環境因子參數超出預先設定的值時，啟動相應的執行機構對其進行控制且系統發出聲光報警，直至環境參數調節至目標范圍內。溫室控制系統還包括各種人機界面和數據傳輸接口，以實現了人機交換方式和實時參數的設定。此外，控制器同時也可與上位機進行通信，接收上位機指令并把采集的數據傳給上位機，上位機可對數據進行集中管理。　　
　　2、系統硬件設計
　　
　　2.1信號采集模塊
　　
　　2．1．1模擬量采集模塊
　　
　　模擬量采集模塊要完成對溫室現場溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照度的測量與采集。
　　
　　溫度傳感器選用數字化集成溫度傳感器DS18B20，該傳感器將現場溫度直接采用“一線總線”的數字方式進行傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，適合惡劣環境的現場溫度測量。濕度傳感器選用瑞士Scnsirion公司生產的智能數字濕度傳感器SHT11，該傳感器將濕度傳感器、信號放大調理、A／D轉換和加熱器等功能全部集成于一芯片中，可給出全校準相對濕度值輸出；并帶有兩線制的串行接口和內部基準電壓，使系統的接口設計變得簡單快捷。圖2為溫度和濕度采集電路原理圖。　　
　　考慮到溫室傳感器的輸出信號需要遠距離傳輸，因此二氧化碳傳感器和光照度傳感器都選用電流型輸出的傳感器，光照度傳感器選用TBQ-6型光照度傳感器。二氧化碳傳感器選用VC1008T-KS型CO2傳感器。光照度和CO2采集模塊電路原理圖如圖3所示。這兩種傳感器的輸出信號都為4～20Ma的電流信號，其信號處理通道如下：4～20Ma的電流信號先通過250Ω高精度取樣電阻（精度為0．1％），將電流信號轉化為1～5V的電壓信號，通過四選一的多路模擬開關ADG509以差分的方式將信號輸送到儀表放大器AD620，AD620將差分信號轉換為單端信號輸出，這種以差分方式輸入電壓信號，極大地減少了外間因素給A／D數據采集帶來的信號干擾，提高了信號的輸入阻抗，通過負反饋運算電路將輸入的電壓信號轉化為MAX187所允許的輸入電壓范圍0～4．096V。在MAX187數字信號輸出端與單片機的I／O口上加入6N137光電隔離器，把數字量信號和模擬量信號進行相互隔離，起到抑制交叉串擾作用。　　
　　2．1．2數字量采集模塊
　　
　　數字量采集模塊主要是對溫室控制系統中需要交流電機正反轉的執行設備的的運動狀態進行采集，包括遮陽網，天窗，側窗等。執行設備的運動狀態通過讀取行程開關的狀態來獲得。將強電柜中的行程開關串聯在24V電源上，通過開關光耦和分壓電阻構成回路，將行程開關的狀態映射到開關光耦的狀態上，然后通過總線收發器讀入到單片機。
　　
　　2．2開關量輸出模塊
　　
　　開關量輸出模塊用于控制溫室控制系統中執行設備的運動。其單元電路圖如圖4所示，單片機將要輸出的開關量鎖存到74HC573中，通過開關光耦與輸出通道進行隔離，避免信號之間的相互干擾，信號經三極管的放大后驅動12V的小型繼電器，從而控制執行設備執行相應動作。　　
　　2．3時鐘模塊
　　
　　時鐘模塊采用DALLAS公司生產的DS1302芯片，它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，同時具有閏年補償功能，工作電壓為2．5～5．5V。采用三線接口與CPU進行同步通信。
　　
　　2．4鍵盤及顯示模塊
　　
　　鍵盤模塊用于實現溫室控制系統參數的設置。該模塊設置了四個獨立按鍵，鍵0為參數設置鍵，用于選擇不同的參數設置。鍵1，鍵2分別為++鍵，和--鍵，用于對所設參數進行遞增和遞減作用。鍵3為↑↓鍵，用于選擇上極限值和下極限值。顯示模塊用于實時顯示溫室控制環境中的參數。為降低溫室控制系統的硬件成本，該模塊選用了不帶字庫的HDG12864型的LCD液晶顯示器。為節省I／O口的使用數量，在本系統設計中選用串行方式與單片機進行連接。
　　
　　2．5通信模塊
　　
　　通訊模塊用于下位機與上位機之間的數據通訊，考慮到溫室不同的環境和不同用戶的需求，設計中采用RS232和RS485兩種總線方式來實現通訊，RS232串口通訊硬件電路實現簡單，只需將測控系統的串行接口與PC機的COM口相連即可，但是RS232傳輸速率較低，傳輸的距離短，只適合短距離通訊。RS485總線采用平衡發送和差分接收方式來實現通訊，與RS232相比，其zui高傳輸速率提高到10Mbps，且傳輸距離往往可達到1200M以上，適合較遠距離節點的通訊。
　　
　　3、系統軟件設計
　　
　　系統控制軟件采用模塊化的程序設計思想，將系統的整體功能分為不同的模塊，各個模塊單獨設計、編程、調試，完成之后進行系統總的聯調。本系統程序均采用C語言來進行編寫。整體上軟件程序主要完成信號采集運算、實時監控、顯示、通信、參數設定、聲光報警等功能，主要包括主程序，系統初始化子程序，溫室參數采集子程序，時鐘子程序，報警子程序，按鍵掃描子程序，LED顯示子程序，數據控制處理子程序，數據存儲子程序和串口中斷服務程序等模塊。主程序控制流程如圖5所示。　　
　　3．1溫室參數采集子程序
　　
　　溫室數據采集系統的前向通道中，輸入信號均含有種種噪聲和干擾，為了對溫室環境參數進行準確的測量與控制，在軟件設計中采用去極值平均濾波法來去除噪聲和干擾。對每個傳感器采用10次，去除zui大值和zui小值，對剩余8次采樣數據進行求平均，即得到有效的采樣值。
　　
　　3．2數據存儲子程序
　　
　　對由溫室控制系統所采集的各種數據信息的分析和處理是一個重要的環節，因此必須設計數據存儲程序。在軟件設計中，每隔十分鐘就對溫室所采集到的溫室環境參數（溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度）及執行機構的狀態進行存儲，在存儲器中分別占用1，1，2，2，1個字節。同時為了能夠清晰確定所采集數據的時刻，也對時間進行存儲，這里只存儲日，時，分，在存儲器中各自占用1個字節。STC89C55單片機內部的EEPROM共有58個扇區，每個扇區可存儲512個字節。因此單片機可存儲大約58x512／10x24x（60／10）≈20天的數據。
　　
　　3．3數據控制處理子程序
　　
　　由于溫室內作物對于環境參數變化往往不是很敏感，而且從系統的成本和通用性來考慮，本系統采用簡單的閾值控制算法。即開始時系統會根據不同作物所處的zui適宜環境來預設參數的閾值（上下限值），然后系統通過傳感器來對環境參數進行數據采集，當所采集到的環境參數不在閾值范圍內時，系統就會控制相應的執行機構來改變溫室的環境參數，直到參數回到閾值范圍內。
　　
　　4、系統的仿真與調試
　　
　　為了驗證溫室控制系統設計的可行性，在Proteus的ISIS7Profession軟件環境下繪制出仿真電路原理圖。采用電流源來分別仿真一個光照度和一個CO2傳感器。由于Proteus自帶的元件庫中沒有STC系列單片機，在仿真過程中STC89C55BD+用AT89C55來代替，前者的性能優于后者，一旦仿真電路能夠實現，則實際電路更容易成功。將編寫的程序在KeilμVision3集成開發環境上編譯調試，生成相應的HEX文件。通過相關設置，實現Proteus和Keil的聯合仿真。對系統的功能進行測試，以溫度控制為例，將溫度闞值上下限分別設定為15℃和25℃，當溫室溫度低于設定閾值下*，蜂鳴器響，熱風爐風機開始工作。溫度高于閾值上*，蜂鳴器響，天窗打開，濕簾風機和濕簾水泵開始工作，而當溫度處在閾值上下限之間范圍時，上述機構都停止工作。當用按鍵改變溫度的閾值上下*，也具有相同的仿真結果。對系統仿真調試成功后，用PRO設計印制電路板，經過元器件的焊接、電路板的硬件調試、溫室硬件系統的搭建和程序下載等環節，便可進行溫室控制系統的整體調試。
　　
　　5、結論
　　
　　文中以STC89C55單片機為核心，設計了一種低成本的簡易溫室控制系統，該系統可以對溫室環境中的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等各項參數進行實時準確的檢測、采集。并可以根據預設的參數來調節和控制溫室環境，以滿足不同植物的生長需求。經測試運行證明該系統具有工作可靠，性能穩定和操作簡單等特點，同時系統采用高性能，低成本的元器件，造價低廉，符合廣大農業用戶的消費水平，具有良好的推廣應用價值。