【文章內(nèi)容簡介】 及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達到預期的效果。本系統(tǒng)主要針對溫室大棚內(nèi)溫度、濕度，光照強度研制了單片機控制的溫室大棚自動控制系統(tǒng),綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經(jīng)濟性要求三個方面因素之后，最終確定以STC89C52單片機為控制核心，選用性價比比較高的傳感器，實現(xiàn)對溫濕度的精確測量與準確控制，同時又具有價格低等優(yōu)點，便于在我國推廣。、目的及思路本系統(tǒng)主要采用STC89c52單片機作為系統(tǒng)的控制核心，由溫室內(nèi)的空氣溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照度傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機，由單片機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)做出相應的控制，例如控制繼電器的開合，使換氣風扇、滴灌設(shè)備、遮陽幕等設(shè)備的啟動或停止，達到控制溫室各項參數(shù)的目的。同時在外接的LCD液晶上顯示實時參數(shù) ，便于觀察。外接的鍵盤可以設(shè)定系統(tǒng)控制的溫度值，以滿足不同條件下對溫度的不同要求。 在本系統(tǒng)中為了保證對溫度、濕度和光照度的檢測的實時性和準確性，采用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20來檢測溫度。采用濕度傳感器HS1101來檢測土壤濕度。采用光敏電阻檢測光照度。最后通過單片機STC89C52處理后顯示在1602液晶顯示屏上，并通過控制繼電器的開合控制相應的調(diào)節(jié)部件對植物的生長環(huán)境的各項參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以達到適合植物生長的環(huán)境條件。 本系統(tǒng)的基本功能有：檢測空氣溫度、土壤濕度、環(huán)境光照度。顯示以上各項參數(shù)并自動調(diào)節(jié)。單片機作為控制核心，要有被檢測信號輸入，由單片機處理。如何準確的確定外圍環(huán)境的各項參數(shù)就顯的非常重要。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)就無法實現(xiàn)要求的各項功能。工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動化的測量和控制，大部分主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各項參量，使系統(tǒng)工作在最佳的狀態(tài)下。測量土壤濕度的方法有很多種，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的土壤中吸收水分后引起的物理或化學的性質(zhì)的變化，間接的獲得土壤的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件分別是根據(jù)其高分子材料吸水后的介電常數(shù)、電阻率和體積發(fā)生的變化進行濕度的測量。方案一：采用HOS201濕敏傳感器[2]。HOS201濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ～1KHZ，測量范圍為0%～100%RH，工作溫度為0～50℃，阻抗在75%RH(25℃)時為1MΩ。這種傳感器主要用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻域內(nèi)檢測濕度。這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性度。 方案二：采用HS1100/ HS1101濕度傳感器[3]。HS1100/ HS1101濕度傳感器，在電路結(jié)構(gòu)上等效于一個電容器，其電容量隨著土壤濕度的增大而增大，不需要校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路。 綜合比較方案一和方案二，方案一雖然滿足精度和測量溫度的要求，但是只是限定于一定的范圍內(nèi)使用時具有良好的線性度。因此，我們選擇方案二作為本設(shè)計的濕度傳感器。20 40 60 80 100 相對濕度% 200 190 180 170 電容F圖21：HS1101濕度－電容響應曲線 濕度傳感器HS1101的特點：相對濕度在1%～100%RH范圍內(nèi)：電容量有16pf變到200pf，其誤差不大于177。2%RH,響應時間小于5S，℃。由此可以看出HS1101具有測量精度高，反應速度高的優(yōu)點，其濕度－電容響應曲線如圖21：HS1101的一些常用參數(shù)如表21：表21：HS1101常用參數(shù)參數(shù)符號參數(shù)值單位工作溫度Ta40～100℃儲存溫度Tstg40～125℃供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0～100%RH焊接時間@=260℃t10S 方案一：采用AD590溫度傳感器[4]。AD590溫度傳感器是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。AD590性能描述：測量范圍在50℃ +150℃，滿刻度范圍誤差為177?！?，當電源電壓在5—10V之間，穩(wěn)定度為1﹪時，誤差只有177?！?。AD590為電流型傳感器溫度每變化1℃其電流變化1uA在35℃和95℃ 。方案二：采用DS18B20溫度傳感器[5]。美國DALLAS公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20可實現(xiàn)室內(nèi)溫度信號的采集，有很多優(yōu)點：如直接輸出數(shù)字信號，故省去了后繼的信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，外圍電路簡單，成本低。單總線接口，只有一根信號線作為單總線與CPU連接，且每一只都有自己唯一的64位系列號存儲在其內(nèi)部的ROM存儲器中，故在一根信號線上可以掛接多個DS18820,便于多點測量且易于擴展。 綜合比較方案一和方案二，兩方案都可以滿足設(shè)計所要求的精度溫度要求，但方案一的后續(xù)電路復雜，需要經(jīng)過放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換等步驟，增加了設(shè)計的復雜度和成本，并需要占用單片機較多的I/O口。方案二的后續(xù)電路簡單，占用的I/O口數(shù)量少，為整體設(shè)計留出了足夠的I/O口資源。故我們采用方案二作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。DS18B20的溫度值格式如表22：表22 DS18B20的溫度值格式位7位6位5位4位3位2位1位0低字節(jié)2322212021222324位15位14位13位12位11位10位9位8高字節(jié)SSSSS262524DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位二進制形式提供，形式表達，其中S為符號位。例如＋125℃的數(shù)字輸出為07D0H （正溫度直接把16進制數(shù)轉(zhuǎn)成10進制即得到溫度值 ）。55℃的數(shù)字輸出為 FC90H。（負溫度 把得到的16進制數(shù) 取反后1再轉(zhuǎn)成10進制數(shù)）。數(shù)字輸出格式如表23：表23 DS18B20的數(shù)字輸出格式表溫度數(shù)字輸出(二進制)數(shù)字輸出(十六進制)+1250000 0111 1101 000007D0h+850000 0101 0101 00000550h+0000 0001 1001 00010191h+0000 0000 1010 001000A2h+0000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h1111 1111 1111 1000FFF8h1111 1111 0101 1110FF5Eh1111 1110 0110 1111FE6Fh551111 1100 1001 0000FC90h 方案一：采用光照度傳感器M124749，該光照度傳感器采用先進的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，用于實現(xiàn)對環(huán)境光照度的測量，輸出標準的電壓及電流信號，體積小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長，抗干擾能力強，量程可調(diào)。但價格昂貴，性價比不高，且不易購買。 方案二：采用光敏電阻。光敏電阻的工作原理是當有光線照射時，電阻內(nèi)原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的電子受到激發(fā)，成為自由電子，所以光線越強，產(chǎn)生的自由電子也就越多，電阻就會越小。光敏電阻的優(yōu)點有內(nèi)部的光電效應和電極無關(guān)（光電二極管才有關(guān)），即可以使用直流電源。靈敏度和半導體材料、以及入射光的波長有關(guān)，價格低廉，性價比高。 比較以上兩個方案，方案一雖然具有更好的設(shè)計精度和線性度，但性價比不如光敏電阻好。方案二具有較高的性價比且同時也能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，故采用光敏電阻作為光照度傳感器。3系統(tǒng)的總體設(shè)計 本設(shè)計的要求是以STC89C52為控制核心，以HS1101濕度傳感器、DS18B光敏電阻完成對溫室大棚內(nèi)的各項參數(shù)進行測量，并將數(shù)據(jù)輸入到單片機中，有單片機根據(jù)所編寫的程序，通過繼電器控制電路控制相應的設(shè)備達到自動調(diào)控溫室大棚內(nèi)各項參數(shù)的目的，同時將通過各種傳感器測的數(shù)據(jù)實時地顯示在液晶屏上。系統(tǒng)可通過按鍵人為地設(shè)定合適的參數(shù)，便于根據(jù)不同的植被的環(huán)境中使用。 硬件系統(tǒng)主要有信號采集、信號分析、信號處理三個部分組成。（1） 信號采集 由HS110DS18B光敏電阻組成。（2） 信號分析 由單片機 STC89C52基本系統(tǒng)組成。（3） 信號處理 由并行口 LCD液晶顯示屏和繼電器控制電路組成。硬件系統(tǒng)的原理方框圖如圖31：圖31 硬件系統(tǒng)的原理圖圖32 土壤濕度控制流程圖土壤濕度控制部分流程如圖32:單片機通過濕度傳感器檢測土壤的濕度，若土壤的濕度過低，單片機就打開滴灌設(shè)備的電磁閥一分鐘，對作物進行滴灌作業(yè)，增加土壤濕度，經(jīng)過一段時間，單片機再次檢測土壤濕度，如果濕度過高，就關(guān)閉滴灌設(shè)備的電磁閥，停止滴灌作業(yè)。如果開始檢測的土壤濕度在適宜的范圍，單片機則維持現(xiàn)有狀態(tài)不變?？諝鉁囟瓤刂屏鞒倘缦聢D33：圖33空氣溫度控制流程圖單片機通過溫度傳感器檢測溫室的空氣溫度，當空氣溫度過高時，就通過控制電路，打開排氣扇配合設(shè)置在溫室大棚頂部的噴霧設(shè)備的進行一段時間的溫室大棚的降溫作業(yè)，而當溫室溫度過低時，則通過單片機自動關(guān)閉降溫設(shè)備的工作，使溫度值達到適宜的范圍。 若一開始檢測的光照度在適宜范圍，單片機將維持現(xiàn)有狀態(tài)。光照度控制部分流程如下圖34：光照度的控制主要靠遮陽幕的開關(guān)，光照度過高時，系統(tǒng)通過關(guān)閉大棚頂部的遮陽幕，避免陽光直射作物，減小光照度，及減少強光對作物生長的影響。當光照度過低時，就打開遮陽幕，增加光照度。如果檢測的光照度在適宜范圍，單片機將維持現(xiàn)狀。圖34 光照度控制流程圖 STC89C52特點(1)它是MCS51系列單片機的派生產(chǎn)品，在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標準8052單片機完全兼容，DIP40封裝系列與8051兼容均為PintoPin，使用時容易掌握； (2)高速(最高時鐘頻率90 MHz)、低功耗、價格低、穩(wěn)定可靠、應用廣泛、通用性強，在系統(tǒng)/在應用可編程(ISP，IAP)，不占用戶資源。STC89C52[6]單片機管腳如圖35：圖35 STC89C52單片機管腳定義圖ADC0804[7]為8bit的一路A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍在0—5v，轉(zhuǎn)換速度小于100us，﹪，滿足設(shè)計的精度要求。HS1101濕度傳感器，在電路中等效于 一個電容器件，其電容量隨著所測的土壤濕度增大而增大，如何將電容的變化量準確的轉(zhuǎn)換成單片機易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏傳感器置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏傳感器置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)化為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被單片機所采集[3]。本系統(tǒng)采用的是測量555輸出的振蕩的方法，電路如圖41所示：圖41 濕度測量電路圖此電路為典型的555雙穩(wěn)態(tài)電路。HS1101/HS1100作為電容變量接在555的TRIG與THRES兩引腳上，引腳7用作電阻R20的短路。等量電容HS1101/HS1100通過R19與R20充電到門限電壓（），通過R19放電到觸發(fā)電平（），然后R20通過引腳7短路到地。傳感器由不同的電阻R20與R19充放電。電壓輸出典型參數(shù)（@VCC=5V，25℃）如表41表41 HS1101濕度傳感器電壓輸出典型參數(shù)（@VCC=5V，25℃）RH0102030405060708090100Vout 因為在本系統(tǒng)中采用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，所以后續(xù)電路簡單，只需將傳感器的數(shù)據(jù)輸入/輸出管腳直接接到單片機I/O口，通過單片機的控制DS18B20傳感器并實時讀取空氣溫度[1]。數(shù)字溫度傳感器的測量電路如圖42所示：圖42 溫度測量電路圖 系統(tǒng)采用價格低廉的光敏電阻測量光照度，因其沒有良好的線性度，所以只能大致的測量。根據(jù)光敏電阻在不同的光照下有不同的阻值，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機內(nèi)進行處理。其與ADC0804的連接電路如圖43：圖43 ADC0804與單片機的連接電路圖 系統(tǒng)采用了LCD1602液晶顯示屏[8]，LCD1602液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶?？梢燥@示2行每行16個字符，對比度可調(diào)、黃綠色背光。與單片機的鏈接電路如圖44：圖44 LCD1602與單片機的連接電路圖 為了確保系統(tǒng)中的電路溫度可靠工作，復位電路[9]是必不可少的部分 ，其第一功能就是低電平復位，低電平復位是在通電瞬間通過充電來實現(xiàn)的。手動復位是指通過接通一按鍵開關(guān)，使單片機進入復位狀態(tài)。系統(tǒng)上電運行后，如果需要復位，只需通過手動復位就可以實現(xiàn)。本系統(tǒng)使用的復位電路如圖45所示：圖45 復位電路圖本設(shè)計采用的鍵盤掃面電路采用簡單的低電平掃描方式，即采用開關(guān)的一端與單片機I/O口相連，另一端接地的方式，用單片機檢測I/O口是否是低電平來判斷鍵盤是否被按下[10]。這樣的方式可以方便鍵盤掃描部分的的編程。鍵盤電路如圖46：圖46 鍵盤電路圖 單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅(qū)動電流在mA級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機,，就要有一個環(huán)節(jié)來銜接,這個環(huán)節(jié)就是所謂的功率驅(qū)動。繼電器驅(qū)動就是一個典型的、簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)。在這里,繼電器驅(qū)動含有兩個意思：一是對繼電器進行驅(qū)動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件；還有就是繼電器去驅(qū)動其他負