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3.1 信號(hào)采集單元
信號(hào)采集包括溫度采集和濕度采集。DS18B20溫度傳感器采集溫室內(nèi)的環(huán)境溫度，并直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，DS18B20傳感器掛在單 片機(jī)的P0.7口線上；HS1101濕度傳感器采集溫室內(nèi)的環(huán)境濕度，利用其等效電容的變化與濕度的關(guān)系，組成多諧振蕩器，單片機(jī)檢測振蕩頻率計(jì)算出濕 度，HS1101傳感器組成振蕩電路，其輸出連接在單片機(jī)的P2.X口上，溫、濕度檢測接口電路如圖2所示。
3.2 核心控制單元
本系統(tǒng)采用STC89C54RD+單片機(jī)作為下位機(jī)內(nèi)核，它是一種低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含有16 KB可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和1 280 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、32個(gè)I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)6向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，指令代碼完 全兼容傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機(jī)，具有ISP在系統(tǒng)編程功能，利于在線調(diào)試和產(chǎn)品開發(fā)。溫室內(nèi)的溫度通過DS18B20采集送入單片機(jī)的P0.7口； 濕度轉(zhuǎn)換為頻率送入單片機(jī)的P2.X口，采集的環(huán)境參數(shù)交替在顯示器上顯示。同時(shí)，采集的環(huán)境參數(shù)通過P3.0和P3.1引腳至接口芯片MAX1483輸 送至上位機(jī)進(jìn)行處理，并等待上位機(jī)發(fā)送的控制命令，控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)的下位機(jī)與上位機(jī)之間的串口通信采用符合RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)的 MAX485芯片，其抗干擾能力強(qiáng)，共模抑制比高，當(dāng)以100 kb/s的速率傳輸時(shí)，可傳送的距離為1.2 km，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，很好地解決了溫室分布零散和集中管理的矛盾，非常適合溫室規(guī)模擴(kuò)大時(shí)測控系統(tǒng)的擴(kuò)展，其硬件電路如圖3所示。
3.3 環(huán)境控制執(zhí)行單元
系統(tǒng)自動(dòng)檢測溫室內(nèi)的溫度和濕度，控制執(zhí)行單元驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)、加熱器、噴淋水泵、遮陽幕簾等設(shè)備，是智能控制系 統(tǒng)的執(zhí)行者。控制系統(tǒng)啟動(dòng)后檢測溫室內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)加熱循環(huán)水升溫。本系統(tǒng)在植物底部和溫室上方安裝熱水管道進(jìn)行加溫，管道內(nèi)水溫控 制在60～80℃，底部加溫對植物的健康成長十分有益；上方管道加溫使溫室加熱均勻，有利于植物生長。當(dāng)溫室的溫度高于設(shè)定值時(shí)，開啟通風(fēng)機(jī)降溫；若濕度 低于某設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)噴霧水泵增濕，反之，啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)去濕。
系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，單片機(jī)的P1口輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，為避免電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾，采用光電耦合器隔離單片機(jī)I/O口與驅(qū)動(dòng)電路。
4 溫室控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，C語言編寫。考慮到溫室多參數(shù)控制的復(fù)雜性，本系統(tǒng)采用優(yōu)先調(diào)節(jié)原則，即在溫室環(huán)境溫度、濕度等要素中選擇1個(gè)作為主要的控制 要素，然后再對其他要素進(jìn)行控制，這樣做的目的是減小系統(tǒng)控制復(fù)雜度。控制過程中考慮到檢測和控制需要經(jīng)過一段時(shí)間的延時(shí)，如溫室噴霧后的一段時(shí)間內(nèi)，空 氣水霧影響空氣濕度正常檢測的問題等[5]。
軟件設(shè)計(jì)中的程序模塊主要包括主程序、溫度采集子程序以及顯示子程序等。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，系統(tǒng)正常運(yùn)行前首先進(jìn)行初始化，設(shè)定溫室內(nèi)植物生長所 需的溫度和濕度參數(shù)。然后檢測溫室內(nèi)的主要參數(shù)——溫度，調(diào)用溫度采集子程序，與設(shè)定值比較判斷并進(jìn)行相應(yīng)的處理，若溫度合適，再檢測其濕度參數(shù)。
溫度采集子程序流程圖如圖5所示[6]，溫度采集使用的是一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其工作過程嚴(yán)格遵循單總線協(xié)議。主機(jī)首先發(fā)一個(gè)復(fù)位脈沖， 使所有掛在總線上的DS18B20芯片復(fù)位，接著發(fā)送ROM操作命令啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并延時(shí)等待。工作中系統(tǒng)對DS18B20的操作以ROM命令和存儲(chǔ)器命令 形式出現(xiàn)，其中ROM操作命令均為8位長，命令代碼分別為：讀ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳過ROM(CCH)、搜索ROM(F0H)和告 警搜索(ECH)命令。存儲(chǔ)器操作命令為：寫暫存存儲(chǔ)器(4EH)、讀暫存存儲(chǔ)器(BEH)、復(fù)制暫存存儲(chǔ)器(48H)、溫度變換(44H)、重新調(diào)出 EERAM(B8H)和讀電源供電方式(B4H)命令等。單片機(jī)采集溫度時(shí)，需要先發(fā)1個(gè)保持480 μs～960 μs的低電平復(fù)位脈沖，然后釋放總線，等待DS18B20的應(yīng)答信號(hào)。DS18B20在接收到復(fù)位脈沖后等待15～60 μs發(fā)出應(yīng)答脈沖，應(yīng)答脈沖保持60～240 μs。單片機(jī)從發(fā)送完復(fù)位脈沖到再次控制總線至少需要等待480 μs才能進(jìn)行讀寫操作。
利用DS18B20溫度傳感器檢測溫度，實(shí)現(xiàn)單總線掛接多個(gè)傳感器對多點(diǎn)或多室溫度進(jìn)行檢測，但實(shí)際應(yīng)用中單總線上傳感器多于8個(gè)時(shí)，系統(tǒng)程序運(yùn)行不正常，而線纜過長也造成測溫?cái)?shù)據(jù)錯(cuò)誤，在現(xiàn)場布線中使用屏蔽電纜減少環(huán)境干擾。
植物溫室智能控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，對環(huán)境的溫度和濕度等參數(shù)進(jìn)行檢測及控制，集監(jiān)、控、管于一體的溫室智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對植 物生長環(huán)境的智能化控制，改變了傳統(tǒng)溫室依靠人工操作的缺點(diǎn)，且基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化、節(jié)能化、網(wǎng)絡(luò)化，是現(xiàn)代溫室智能控制的發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
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