設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫度動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的溫度動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)，用AT89C51單片機(jī)作為測(cè)控核心部件，數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度采集模塊。溫度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)送給單片機(jī)處理，單片機(jī)通過對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，進(jìn)而控制外圍繼電器電路工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。
關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；溫度；動(dòng)態(tài)測(cè)控；設(shè)計(jì)

    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(chǎng)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(guó)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(duì)環(huán)境的不同需要，由微型計(jì)算機(jī)對(duì)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(guó)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(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中的各項(xiàng)環(huán)境因素進(jìn)行檢測(cè)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(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與自動(dòng)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(gè)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(duì)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)溫度的實(shí)時(shí)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(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)與控制不僅具有控制方便、系統(tǒng)電路簡(jiǎn)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(duì)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(jià)比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(guó)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(cè)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(gè)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(duì)于外部電源，轉(zhuǎn)換時(shí)間要延長(zhǎng))，占用單片機(jī)資源少；每一個(gè)DS18B20在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào)，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(cè)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(shí)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(gè)步驟：
    1)每一次讀寫之前都必須要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，即初始化時(shí)序；
    2)復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，進(jìn)行寫時(shí)序；
    3)最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作，即讀時(shí)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(zhǎng)需要，設(shè)定不同的最適生長(zhǎng)的溫度值范圍，由小鍵盤和驅(qū)動(dòng)電路組成。對(duì)小鍵盤的操作一是檢測(cè)是否有按鍵被按下；二是識(shí)別被按下的是哪一個(gè)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(shí)，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(dòng)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(gè)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(cè)試信息發(fā)送到P2．0、P2．1、P2．2引腳驅(qū)動(dòng)顯示電路工作，顯示實(shí)時(shí)檢測(cè)到的溫度值；通過P1．1、P1．2引腳驅(qū)動(dòng)繼電器電路工作，當(dāng)檢測(cè)剄的溫度低于系統(tǒng)設(shè)置的最小溫度值時(shí)，通過P1．1口控制繼電器電路工作啟動(dòng)加熱設(shè)備為環(huán)境升溫；當(dāng)檢測(cè)到的溫度高于系統(tǒng)設(shè)置的最大溫度值時(shí)，通過P1．2口控制繼電器電路工作啟動(dòng)降溫設(shè)備為環(huán)境降溫；與此同時(shí)，通過P2．5口驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示。
    按鍵s1用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，按下一次，系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)系統(tǒng)加1操作，按鍵s3被按下時(shí)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(duì)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(shí)，系統(tǒng)通過繼電器啟動(dòng)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)境溫度的檢測(cè)和控制。具有電路簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一套較為實(shí)用的溫度動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)。