黃麗輝

摘 要：大棚葡萄種植需要嚴(yán)格控制棚內(nèi)的溫度。本文主要就基于單片機(jī)的葡萄大棚溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)，可以根據(jù)葡萄不同生長(zhǎng)期對(duì)溫度的要求對(duì)棚內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：葡萄 ?大棚 ?單片機(jī) ?溫控系統(tǒng)

葡萄對(duì)溫度非常敏感，對(duì)大棚葡萄種植來(lái)說(shuō)，棚內(nèi)的溫度調(diào)控是實(shí)現(xiàn)優(yōu)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于葡萄在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)溫度的要求不同，種植管理人員必須對(duì)大棚溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)溫度的自動(dòng)控制、降低人工成本，筆者設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的葡萄大棚溫控系統(tǒng)。

一、溫控系統(tǒng)功能描述

根據(jù)種植人員的研究，大棚種植葡萄在不同生長(zhǎng)時(shí)期需要不同的溫度，甚至在同一生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)白天和夜間的溫度也有具體的要求。例如，在開(kāi)花期，對(duì)大棚內(nèi)的溫度要求是白天20℃～25℃，夜間16℃～18℃;在果實(shí)膨大期，對(duì)大棚內(nèi)的溫度要求是白天28℃～30℃，夜間20℃～22℃。本溫控系統(tǒng)既能根據(jù)葡萄的不同生長(zhǎng)時(shí)期調(diào)節(jié)溫度，還能在晝夜之間進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

溫度檢測(cè)模塊用于采集大棚內(nèi)的溫度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)，傳送給單片機(jī)。光照度檢測(cè)模塊用于采集大棚外的光照情況（以便判斷是白天還是夜間），經(jīng)處理后產(chǎn)生白天或夜間的開(kāi)關(guān)量，傳送給單片機(jī)。按鍵部分用于設(shè)置葡萄生長(zhǎng)所需的溫度范圍。數(shù)據(jù)顯示部分用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和棚內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度值。電機(jī)和加熱管均屬于溫度調(diào)節(jié)模塊，當(dāng)棚內(nèi)溫度超出預(yù)設(shè)的溫度范圍時(shí)，溫控裝置動(dòng)作，對(duì)大棚進(jìn)行升溫或降溫處理。

二、溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.硬件系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的核心控制器件采用應(yīng)用廣泛的STC89C52RC單片機(jī)，還包括數(shù)字式溫度傳感器、光敏電阻開(kāi)關(guān)電路、數(shù)碼管顯示電路、按鍵控制電路、繼電器及冷卻水泵、繼電器及加熱管等。

2.電路工作原理

電路原理圖見(jiàn)圖2，包括單片機(jī)電路、檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)顯示電路、按鍵控制電路、溫度調(diào)節(jié)電路。

（1）單片機(jī)電路。單片機(jī)電路以STC89C52RC單片機(jī)為核心元件，5V電源可由手機(jī)充電器提供。C1、C2、X1構(gòu)成時(shí)鐘電路。C3、R1和與C3并聯(lián)的按鍵共同構(gòu)成按鍵復(fù)位電路。

（2）按鍵控制電路。按鍵控制電路由3個(gè)獨(dú)立按鍵組成，用于人機(jī)操作。其中，KEY1用于選擇白天、夜間和高溫、低溫，4個(gè)狀態(tài)循環(huán)出現(xiàn)。KEY2用于設(shè)置溫升，每按一次，溫度升高1℃。KEY3用于設(shè)置溫降，每按一次，溫度降低1℃。

（3）檢測(cè)電路。檢測(cè)電路包括溫度檢測(cè)電路和光照度檢測(cè)電路。溫度檢測(cè)電路由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和R2組成，DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一種單總線數(shù)字式溫度傳感器。其主要特性是使用一個(gè)端口引腳和一條地線與單片機(jī)接口，一條總線就可以發(fā)送或接收信息，數(shù)據(jù)以串行方式傳送;每個(gè)DS18B20都有一個(gè)唯一的ROM序列號(hào)，所以可以將多個(gè)DS18B20關(guān)聯(lián)接在一根單總線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布測(cè)溫應(yīng)用;測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量分辨率為9位～12位，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms;用戶可以設(shè)置報(bào)警溫度上下限值;不需要其他外圍元件即可測(cè)溫。

光照度檢測(cè)電路由光敏電阻LDR和由555定時(shí)器組成的開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成。隨著光照度增大，LDR的阻值下降。當(dāng)外界光照度為15LUX時(shí)，RLDR=12.5kΩ，RV1上的壓降=5*5/（5+12.5）=1.43V，低于1/3Vcc，則555定時(shí)器的3腳輸出1，系統(tǒng)判定此時(shí)外界為夜間。當(dāng)外界光照度為90LUX時(shí)，RLDR=RLDR=2.5Ω，RV1上的壓降=5*5/（5+2.5）=3.34V，高于2/3Vcc，則555定時(shí)器的3腳輸出0，系統(tǒng)判定此時(shí)外界為白天。

（4）數(shù)據(jù)顯示電路。數(shù)據(jù)顯示電路由數(shù)碼顯示器和片選電路組成。該電路既能顯示大棚內(nèi)的溫度，又能顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當(dāng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)不動(dòng)作時(shí)顯示1，當(dāng)加熱系統(tǒng)工作時(shí)（即棚內(nèi)正在升溫）顯示0，當(dāng)冷卻系統(tǒng)工作時(shí)顯示2（即棚內(nèi)正在降溫）。當(dāng)按鍵控制電路工作時(shí)，數(shù)據(jù)顯示電路實(shí)時(shí)顯示按鍵輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

（5）溫度調(diào)節(jié)電路。溫度調(diào)節(jié)電路包括加熱和冷卻電路。單片機(jī)P2.0、P2.1輸出信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)繼電器，控制繼電器的通斷，用以控制溫度調(diào)節(jié)執(zhí)行元件工作與否。當(dāng)OUT1或OUT2為低電平時(shí)，繼電器RL2或RL3吸合，加熱裝置或冷卻電機(jī)動(dòng)作，否則繼電器斷開(kāi)，溫度調(diào)節(jié)裝置不動(dòng)作。

三、溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1.總體設(shè)計(jì)思路

葡萄大棚溫控系統(tǒng)軟件運(yùn)用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，由主函數(shù)main（）、顯示函數(shù)display（）、溫度采集函數(shù)ReadTemperature（）、鍵盤輸入函數(shù)zi_keyscan（）、自動(dòng)溫控函數(shù)zi_dong（）。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

程序初始將單片機(jī)各個(gè)參數(shù)初始化，應(yīng)用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20采集大棚內(nèi)的溫度，同時(shí)在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前溫度。應(yīng)用光敏電阻電路檢測(cè)光照度，判斷當(dāng)前是白天還是黑夜。然后，將當(dāng)前溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，如果高于設(shè)定溫度就進(jìn)入模式2，數(shù)碼管最左一位顯示“2”，同時(shí)啟動(dòng)冷卻泵;如果低于設(shè)定溫度就進(jìn)入模式0，數(shù)碼管最左一位顯示“0”，啟動(dòng)加熱管;否則一直處于模式1，數(shù)碼管最左一位顯示“1”，溫度調(diào)節(jié)裝置不工作。

2.子程序設(shè)計(jì)思路

（1）溫度檢測(cè)電路。采用DS18B20進(jìn)行溫度采集，單片機(jī)通過(guò)單總線（P2.2）對(duì)DS18B20進(jìn)行操作。操作過(guò)程如下：初始化、寫操作、讀操作、存儲(chǔ)器操作命令、數(shù)據(jù)處理。DS18B20初始化主要是對(duì)單總線進(jìn)行復(fù)位。

寫操作是將控制指令寫入寄存器。DS18B20的指令有：讀ROM（33H），匹配ROM（55H），跳過(guò)ROM（CCH），搜索ROM（F0H），報(bào)警搜索（ECH），穩(wěn)定轉(zhuǎn)換（44H），度暫存器（BEH），寫暫存器（4EH），復(fù)制暫存器（48H），重調(diào)E2PROM（B8H），讀供電方式（B4H）?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹本設(shè)計(jì)用到的指令。

CCH——跳過(guò)ROM指令。每片DS18B20對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的ROM系列號(hào)，因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)只使用一片DS18B20，因此采用跳過(guò)ROM（0XCC）忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發(fā)溫度變換命令。

44H——溫度轉(zhuǎn)換指令。啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時(shí)最長(zhǎng)為750ms（9位93.75ms）。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)的RAM中。

BEH——讀暫存器指令。讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)。

子程序清單略。

（2）按鍵設(shè)置子程序。按鍵設(shè)置子程序采用3個(gè)按鍵，進(jìn)行4個(gè)數(shù)值的設(shè)置，分別為白天上限、下限溫度和夜間上限、下限溫度，由按鍵掃描子程序zi_keyscan（）子程序提供軟件支持。按下一次設(shè)置鍵K1，進(jìn)入白天的溫度上限設(shè)置，此時(shí)按下“加”鍵K2溫度值加1，按下“減”鍵K3溫度值減1。第二次按下K1，進(jìn)入白天溫度下限設(shè)置狀態(tài)，加減設(shè)置同上。同理，第三次按下K1可設(shè)置夜間的溫度上限，第四次按下K1可設(shè)置夜間的溫度下限。第五次按下K1，退出溫度設(shè)置狀態(tài)，恢復(fù)到溫度顯示狀態(tài)。

子程序清單略。

（3）自動(dòng)溫度控制子程序。根據(jù)大棚外的光照強(qiáng)弱，通過(guò)光敏電阻開(kāi)關(guān)電路傳送一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)到單片機(jī)的P2.3，當(dāng)輸入信號(hào)為“0”時(shí)進(jìn)入白天模式，程序調(diào)取白天溫度的上、下限;當(dāng)輸入為“1”時(shí)進(jìn)入夜間模式，程序調(diào)取夜間溫度的上、下限。然后與當(dāng)前大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行比較，如果棚內(nèi)溫度低于設(shè)定的最低溫度，則進(jìn)入模式0，啟動(dòng)加熱管進(jìn)行升溫;如果棚內(nèi)溫度在設(shè)定溫度的上、下限之間，則進(jìn)入模式1，維持現(xiàn)狀，溫度調(diào)節(jié)裝置不工作;如果棚內(nèi)溫度高于設(shè)定的最高溫度時(shí)，則進(jìn)入模式2，啟動(dòng)冷卻泵進(jìn)行降溫。

子程序清單略。

（作者單位：福州第一技師學(xué)院）