彭雪峰

（佳木斯大學應用技術學院，黑龍江佳木斯154007）

設施栽培技術主要是指利用普通的大棚或溫室大棚來生產蔬菜、水果等農作物的技術。隨著設施栽培技術的普及，溫室大棚數量不斷增多，對于蔬菜大棚來說，最重要的一個管理因素是溫度控制。溫度太低，蔬菜就會被凍死或則停止生長，所以要將溫度始終控制在適合蔬菜生長的范圍內。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內部懸掛溫度計，工人依據讀取的溫度值來調節(jié)大棚內的溫度。如果僅靠人工控制既耗人力，又容易發(fā)生差錯。溫室大棚的溫度控制成為一個難題?，F(xiàn)在，隨著農業(yè)產業(yè)規(guī)模的提高，對于數量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。因此，研究并設計了一種基于單片機的自動溫度測量、澆水和加熱管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件是由TP03型熱電偶溫度傳感器、AD7812轉換器、Intel80C51BH單片機和指令執(zhí)行電路組成。先是用TP03型熱電偶來采集溫度信號，通過AD7812轉換器將采集到的模擬信號轉換成數字信號，再利用Intel80C51BH單片機對數據進行處理和分析并發(fā)出執(zhí)行指令，最后由執(zhí)行電路來執(zhí)行。

1.1 溫度采集及放大電路設計

本設計的溫度采集及放大電路如圖1所示。這里測溫傳感器采用K型鎳鉻-鎳鋁或鎳鉻-鎳硅TP03熱電偶，測溫范圍為-50～1 300℃[1]。K型熱電偶產生的溫差熱電動勢e（mV）與溫差ΔT成正比，見表1[2]。

圖1 由熱電偶TP03構成的測溫及放大電路Fig.1 Temperature measurement and amplifying circuit composed of thermocouple TP03

表1 K型熱電偶產生的熱電動勢e與溫差ΔT之間的關系Tab.1 Relationship between the thermal EMF generated by K-type thermocouple and the temperature difference

由于所使用的K型熱電偶具有如下的電壓溫度系數，即

因此在電路中采用了硅晶體二極管D1（IN4148），并利用其導通壓降的負溫度系數，即

經分壓后去補償由K型熱電偶的正溫度系數，從而實現(xiàn)溫度自動補償。輸入信號取自由R1、R2、R3和R44個電阻組成的測溫電橋，IN-輸入標準比較電壓，IN+輸入測溫電壓。R5、R6、R7、R8構成差動運算電路，其中RP1是用來校準比較溫度值，可設計為-20℃所對應的電阻值。

Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A最大為25 μV），所以OP07在這里不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2 nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300 V/mV）的特點。在這里Op07起到放大溫度電壓信號的作用，放大倍數設計為2倍。輸出電壓UT=2（U+-U-）。這樣在測量溫度在-20～+50℃時，輸出電壓可控制在5 V以內，代表溫度的電壓UT由Op07的輸出端6腳輸出。RP2是用于調零，如果測量溫度精度不高時，RP2可以省略，Op07的1、8管腳空置。

1.2 A/D轉換電路設計

經過放大電路輸出的電壓必須要經過模/數轉換電路才能被單片機處理，本設計中采用AD7812作為模數轉換器。AD7812是一種串行口的10位8通道逐次逼近型A/D轉換器。由于它是數據串行輸出，所以用這種A/D轉換器能節(jié)省單片機輸入引腳，而且它有8個輸入通道可以同時采集8路模擬電壓，這都可以用來進一步系統(tǒng)功能開發(fā)，它還具有軟件轉換啟動與軟件關斷特性。電路設計如圖2所示[6]。CREF接10 nF電容，傳送同步TFS與接收同步RFS與單片機P1.0口連接，數據輸出DOUT與單片機P1.1口連接，數據輸入DIN與單片機P1.2口連接，讀取時鐘SCLK與單片機P1.3口連接，轉換起動CONVST與單片機P1.4口連接。這樣就很容易由單片機來控制串行數據讀取[3]。

圖2 模/數轉換電路Fig.2 A/D converter circuit

1.3 單片機處理器電路設計

Intel80C51BH單片機是美國Intel公司出產的實用性很強的8位單片機它有4 kROM和64 Keprom，21個特殊功能寄存器，很適合作為本設計處理器[4]。單片機處理電路如圖3所示。由單片機P1口的前5位來接收和控制來至AD7812信號，由P0口的前2位輸出執(zhí)行指令，其中P0.0用來執(zhí)行澆灌指令P0.1用來執(zhí)行加熱指令[5]。

圖3 80C51BH單片機控制電路Fig.3 80C51BH single chip control circuit

1.4 執(zhí)行電路設計

由于單片機發(fā)出的指令信號功率太小，所以不能直接啟動澆水水泵和加熱開關，所以用以下執(zhí)行驅動電路來實現(xiàn)動作，如圖4所示。

圖4 動作執(zhí)行電路Fig.4 Action implementation circuit

從實際出發(fā)，這里仍然采用運算放大器OP07來實現(xiàn)，電路設計成一個同相放大電路，放大倍數為3，電路中執(zhí)行指令信號經由電阻R1在IN+腳輸入，由OUT腳輸出，控制開關繼電器KA完成任務。其中電阻R4是限流電阻，對繼電器有保護作用。加熱和噴霧的驅動電路設計成一樣，便于系統(tǒng)擴展與改進。

2 系統(tǒng)軟件設計

為了便于系統(tǒng)擴展，將系統(tǒng)按照模塊化進行設計。該系統(tǒng)由測溫電路、A/D轉換器、數據處理和執(zhí)行輸出4個模塊組成。具體流程是這樣的：先由測溫電路將溫度信號（-20～+50℃）轉換成電壓信號并放大（0～5 V），由A/D轉換器電路將這模擬電壓信號轉換成單片機能識別的數字信號，由單片機進行數據分析、處理和判斷。當條件符合時啟動電水泵或加熱電路，如圖5所示。

2.1 A/D轉換器模塊

A/D轉換器在啟動之前要對其進行初始化，否則不能讀取正常的數據。初始化時將單片機的P1.4口置1，然后軟件啟動一次轉換過程即可。在轉換的過程中，由于任何模數轉換需要一定的時間來完成，所以在讀取數據時要有一定的時間延遲，本設計為3 μs，以確保轉換操作順利完成[3]。

圖5 軟件系統(tǒng)設計流程Fig.5 Software design process

2.2 中央處理器模塊

這個模塊主要包括單片機對A/D轉換模塊的控制、對數據處理以及對澆水電路和加熱電路的控制3個部分。

對A/D轉換器的控制主要包括對A/D的模擬通道選取地址寫入、清零和控制模數轉換步驟；數據處理部分主要是將讀取的與溫度相對應的數字信號與預先設定的標準值進行比較，當溫度低于標準值時啟動加熱電路。當一定時間內溫度仍不能恢復正常值時，再啟動澆水電路，用加熱后的水對室內進行噴霧作業(yè)使室內溫度迅速提升。當室內溫度符合要求時，作業(yè)停止。

3 結束語

本文主要設計了一種溫室和大棚的自動溫度管理系統(tǒng)。與已有的溫度管理系統(tǒng)相比，有很多優(yōu)點，系統(tǒng)測溫范圍寬，精確度高，采用模塊化設計思路，使用靈活，系統(tǒng)參數可以修改。系統(tǒng)可以擴展為多點測量，也可以加入濕度采集和通風設備，還可以加入聲光報警等。設計電路簡單實用，實現(xiàn)方便，成本低，適合廣泛推廣。

[1]孫余凱，吳鳴山，項綺明.傳感器應用電路300例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：76-77.

[2]金發(fā)慶.傳感器技術與應用[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006：18-24.

[3]劉翔.基于單片機的自動溫度測量報警系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2011（1）：125-127.

LIU Xiang.Design for auto temperature alarm system based on SCM[J].Electronic Design Engineering，2011（1）:125-127.

[4]張振榮，晉明武，王毅平.MCS-51單片機原理及實用技術[M].北京：人民郵電出版社，2000：5-150.

[5]朱宇光.單片機應用新技術教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000：312-354.

[6]張洪潤.單片機應用技術教程[M].北京：清華大學出版社，2000：98-105.