一種簡易溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2．3 時(shí)鐘模塊
時(shí)鐘模塊采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302芯片，它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2．5～5．5 V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信。
2．4 鍵盤及顯示模塊
鍵盤模塊用于實(shí)現(xiàn)溫室控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。該模塊設(shè)置了四個(gè)獨(dú)立按鍵，鍵0為參數(shù)設(shè)置鍵，用于選擇不同的參數(shù)設(shè)置。鍵1，鍵2分別為++鍵，和--鍵，用于對(duì)所設(shè)參數(shù)進(jìn)行遞增和遞減作用。鍵3為↑↓鍵，用于選擇上極限值和下極限值。顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示溫室控制環(huán)境中的參數(shù)。為降低溫室控制系統(tǒng)的硬件成本，該模塊選用了不帶字庫的HDG12864型的LCD液晶顯示器。為節(jié)省I／O口的使用數(shù)量，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用串行方式與單片機(jī)進(jìn)行連接。
2．5 通信模塊
通訊模塊用于下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，考慮到溫室不同的環(huán)境和不同用戶的需求，設(shè)計(jì)中采用RS232和RS485兩種總線方式來實(shí)現(xiàn)通訊，RS232串口通訊硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單，只需將測(cè)控系統(tǒng)的串行接口與PC機(jī)的COM口相連即可，但是RS232傳輸速率較低，傳輸?shù)木嚯x短，只適合短距離通訊。RS485總線采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通訊，與RS232相比，其最高傳輸速率提高到10Mbps，且傳輸距離往往可達(dá)到1 200 M以上，適合較遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)的通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制軟件采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)的整體功能分為不同的模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，完成之后進(jìn)行系統(tǒng)總的聯(lián)調(diào)。本系統(tǒng)程序均采用C語言來進(jìn)行編寫。整體上軟件程序主要完成信號(hào)采集運(yùn)算、實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示、通信、參數(shù)設(shè)定、聲光報(bào)警等功能，主要包括主程序，系統(tǒng)初始化子程序，溫室參數(shù)采集子程序，時(shí)鐘子程序，報(bào)警子程序，按鍵掃描子程序，LED顯示子程序，數(shù)據(jù)控制處理子程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序和串口中斷服務(wù)程序等模塊。主程序控制流程如圖5所示。

3．1 溫室參數(shù)采集子程序
溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前向通道中，輸入信號(hào)均含有種種噪聲和干擾，為了對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量與控制，在軟件設(shè)計(jì)中采用去極值平均濾波法來去除噪聲和干擾。對(duì)每個(gè)傳感器采用10次，去除最大值和最小值，對(duì)剩余8次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均，即得到有效的采樣值。
3．2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序
對(duì)由溫室控制系統(tǒng)所采集的各種數(shù)據(jù)信息的分析和處理是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，因此必須設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。在軟件設(shè)計(jì)中，每隔十分鐘就對(duì)溫室所采集到的溫室環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，在存儲(chǔ)器中分別占用1，1，2，2，1個(gè)字節(jié)。同時(shí)為了能夠清晰確定所采集數(shù)據(jù)的時(shí)刻，也對(duì)時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，這里只存儲(chǔ)日，時(shí)，分，在存儲(chǔ)器中各自占用1個(gè)字節(jié)。STC89C55單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM共有58個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可存儲(chǔ)512個(gè)字節(jié)。因此單片機(jī)可存儲(chǔ)大約58x512／10x24x(60／10)≈20天的數(shù)據(jù)。
3．3 數(shù)據(jù)控制處理子程序
由于溫室內(nèi)作物對(duì)于環(huán)境參數(shù)變化往往不是很敏感，而且從系統(tǒng)的成本和通用性來考慮，本系統(tǒng)采用簡單的閾值控制算法。即開始時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同作物所處的最適宜環(huán)境來預(yù)設(shè)參數(shù)的閾值(上下限值)，然后系統(tǒng)通過傳感器來對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)所采集到的環(huán)境參數(shù)不在閾值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變溫室的環(huán)境參數(shù)，直到參數(shù)回到閾值范圍內(nèi)。

4 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試
為了驗(yàn)證溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，在Proteus的ISIS7 Profession軟件環(huán)境下繪制出仿真電路原理圖。采用電流源來分別仿真一個(gè)光照度和一個(gè)CO2傳感器。由于Proteus自帶的元件庫中沒有STC系列單片機(jī)，在仿真過程中STC89C55BD+用AT89C55來代替，前者的性能優(yōu)于后者，一旦仿真電路能夠?qū)崿F(xiàn)，則實(shí)際電路更容易成功。將編寫的程序在Keil μVision3集成開發(fā)環(huán)境上編譯調(diào)試，生成相應(yīng)的HEX文件。通過相關(guān)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)Proteus和Keil的聯(lián)合仿真。對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，以溫度控制為例，將溫度闞值上下限分別設(shè)定為15℃和25℃，當(dāng)溫室溫度低于設(shè)定閾值下限時(shí)，蜂鳴器響，熱風(fēng)爐風(fēng)機(jī)開始工作。溫度高于閾值上限時(shí)，蜂鳴器響，天窗打開，濕簾風(fēng)機(jī)和濕簾水泵開始工作，而當(dāng)溫度處在閾值上下限之間范圍時(shí)，上述機(jī)構(gòu)都停止工作。當(dāng)用按鍵改變溫度的閾值上下限時(shí)，也具有相同的仿真結(jié)果。對(duì)系統(tǒng)仿真調(diào)試成功后，用PROTEL設(shè)計(jì)印制電路板，經(jīng)過元器件的焊接、電路板的硬件調(diào)試、溫室硬件系統(tǒng)的搭建和程序下載等環(huán)節(jié)，便可進(jìn)行溫室控制系統(tǒng)的整體調(diào)試。

5 結(jié)論
文中以STC89C55單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種低成本的簡易溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)溫室環(huán)境中的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)、采集。并可以根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)來調(diào)節(jié)和控制溫室環(huán)境，以滿足不同植物的生長需求。經(jīng)測(cè)試運(yùn)行證明該系統(tǒng)具有工作可靠，性能穩(wěn)定和操作簡單等特點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)采用高性能，低成本的元器件，造價(jià)低廉，符合廣大農(nóng)業(yè)用戶的消費(fèi)水平，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。