轉(zhuǎn)自電子設(shè)計(jì)，作者劉竹琴、白澤生
現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)是集生物技術(shù)、工程技術(shù)、環(huán)境技術(shù)為一體的一種高技術(shù)、高效益的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整，適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高土地資源利用率的有效途徑。目前，一些發(fā)達(dá)國家在設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)備和配套技術(shù)方面均已形成了完整的體系，其現(xiàn)代化溫室能根據(jù)作物對環(huán)境的不同需要，由微型計(jì)算機(jī)對設(shè)施內(nèi)的溫度、光照、濕度、空氣成分等環(huán)境因子進(jìn)行自動監(jiān)測和調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)溫室作物全天候、周期性的高效生產(chǎn)，并逐步向溫室管理的數(shù)字化、智能化發(fā)展。
我國特別是西北地區(qū)雖然地廣物豐，但由于土地的沙漠化比較嚴(yán)重，導(dǎo)致可利用的土地資源越來越少，因此土地資源的高效利用問題也越來越突出，加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)是解決問題的最有效途徑。對設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中的各項(xiàng)環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測和控制，是解決問題的關(guān)鍵。溫度是設(shè)施環(huán)境中最重要的因素，因而對設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與自動控制就顯得尤為重要。
1、系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案原理如圖1所示。分為6個模塊：微處理器模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、處理與控制模塊、電源模塊、顯示與報(bào)警模塊。以AT89C51單片機(jī)為核心，通過溫度傳感器DS18B20采集設(shè)施環(huán)境中的溫度值，系統(tǒng)對采樣值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較處理，根據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時顯示、控制、報(bào)警提示等功能。采用AT89C51單片機(jī)與數(shù)字溫度傳感器DS18B20組合實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的監(jiān)測與控制不僅具有控制方便、系統(tǒng)電路簡單、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且還可以提高溫度參數(shù)的控制精度。
2、各單元模塊選擇與設(shè)計(jì)
2．1 微處理器模塊
微處理器模塊的主要任務(wù)是完成對采集來的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度值范圍的比較處理。該模塊選用AT89C51單片機(jī)，該單片機(jī)性價比高，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛，外部I／O資源少但處理速度快，能夠滿足本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的控制功能的要求。
2．2 溫度采集模塊
溫度采集模塊主要完成對環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)送給處理器。該模塊選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。數(shù)字溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，能直接讀出被測溫度值，可利用串行方式與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，且僅占用一條數(shù)據(jù)線，僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信，因此從主機(jī)CPU到DS18B20僅需一條線連接，而且DS18B20的電源可由數(shù)據(jù)線本身提供（相對于外部電源，轉(zhuǎn)換時間要延長），占用單片機(jī)資源少；每一個DS18B20在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號，線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；是數(shù)字傳感器，送入單片機(jī)的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，無需A／D轉(zhuǎn)換，便于處理，大大加快了微處理器的運(yùn)算速度。DS18B20的測量范圍從-55～+125℃，增量為0．5℃（最高精度可達(dá)0．1℃），轉(zhuǎn)換速度小于1 s（典型值）。與單片機(jī)的連接方式如圖2所示。
由于該傳感器是單線通信，所以其通信時序就非常的重要。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：
1）每一次讀寫之前都必須要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，即初始化時序；
2）復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，進(jìn)行寫時序；
3）最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作，即讀時序。
2．3 數(shù)據(jù)輸入模塊
數(shù)據(jù)輸入模塊作為人機(jī)交換端口，目的是為了方便根據(jù)不同農(nóng)作物的生長需要，設(shè)定不同的最適生長的溫度值范圍，由小鍵盤和驅(qū)動電路組成。對小鍵盤的操作一是檢測是否有按鍵被按下；二是識別被按下的是哪一個鍵，并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。
2．4 控制模塊
控制模塊是根據(jù)微處理器的處理結(jié)果，控制顯示與報(bào)警等外圍模塊電路的工作。若采集到的環(huán)境溫度值低于標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍的最小值或者高于標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍的最大值時，該模塊能夠通過繼電器控制加熱或者降溫設(shè)備工作。從而達(dá)到控制溫度的目的。
繼電器電路如圖3所示，圖中P1．1引腳用于控制加熱繼電器。給P1．1低電平，三極管導(dǎo)通，電磁鐵觸頭放下開始工作。
2．5 顯示模塊
顯示模塊用于顯示溫度值，如圖4所示，由驅(qū)動電路和數(shù)碼管組成。顯示電路采用七段共陰數(shù)碼管掃描電路。節(jié)約了單片機(jī)的輸出端口，便于控制程序的編寫。
2．6 電源模塊
電源模塊為整個電路系統(tǒng)供電，因?yàn)锳T89C51單片機(jī)和溫度傳感器DS18B20都不需要太高的工作電壓，所以本系統(tǒng)采用統(tǒng)一供電模式，這樣就可以減少功耗，降低成本。
3、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
3．1 硬件設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)硬件電路圖如圖5所示。
溫度傳感器DS18B20采集到溫度數(shù)據(jù)后通過P1．0引腳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過軟件控制程序?qū)邮盏降臏囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行比較處理。將測試信息發(fā)送到P2．0、P2．1、P2．2引腳驅(qū)動顯示電路工作，顯示實(shí)時監(jiān)測到的溫度值；通過P1．1、P1．2引腳驅(qū)動繼電器電路工作，當(dāng)監(jiān)測到的溫度低于系統(tǒng)設(shè)置的最小溫度值時，通過P1．1口控制繼電器電路工作啟動加熱設(shè)備為環(huán)境升溫；當(dāng)監(jiān)測到的溫度高于系統(tǒng)設(shè)置的最大溫度值時，通過P1．2口控制繼電器電路工作啟動降溫設(shè)備為環(huán)境降溫；與此同時，通過P2．5口驅(qū)動報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示。
按鍵s1用于對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，按下一次，系統(tǒng)自動復(fù)位一次；按鍵s2、s3、s4用于設(shè)置最小溫度值和最大溫度值，按鍵s2被按下時系統(tǒng)加1操作，按鍵s3被按下時系統(tǒng)減1操作，按鍵s4為確認(rèn)鍵。
3．2 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)思想為：設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍后，溫度傳感器DS18B20對環(huán)境溫度進(jìn)行采樣，將采樣值與預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行比較，如果采樣值高于或低于預(yù)設(shè)溫度值時，系統(tǒng)通過繼電器啟動加熱或降溫電路工作。主程序流程圖如圖6所示。
4、 結(jié)論
本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)與數(shù)字溫度傳感器DS18B20組合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)等環(huán)境溫度監(jiān)測和控制。具有電路簡單、操作方便、價格低廉、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一套較為實(shí)用的溫度動態(tài)測控系統(tǒng)。
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