基于单片机的设施栽培温度智能管理系统设计

2011-03-26彭雪峰

电子设计工程 2011年14期

彭雪峰

（佳木斯大学应用技术学院，黑龙江佳木斯154007）

设施栽培技术主要是指利用普通的大棚或温室大棚来生产蔬菜、水果等农作物的技术。随着设施栽培技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温度控制。温度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。温室大棚的温度控制成为一个难题。现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。因此，研究并设计了一种基于单片机的自动温度测量、浇水和加热管理系统。

1 系统硬件设计

本系统硬件是由TP03型热电偶温度传感器、AD7812转换器、Intel80C51BH单片机和指令执行电路组成。先是用TP03型热电偶来采集温度信号，通过AD7812转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号，再利用Intel80C51BH单片机对数据进行处理和分析并发出执行指令，最后由执行电路来执行。

1.1 温度采集及放大电路设计

本设计的温度采集及放大电路如图1所示。这里测温传感器采用K型镍铬-镍铝或镍铬-镍硅TP03热电偶，测温范围为-50～1 300℃[1]。K型热电偶产生的温差热电动势e（mV）与温差ΔT成正比，见表1[2]。

图1 由热电偶TP03构成的测温及放大电路Fig.1 Temperature measurement and amplifying circuit composed of thermocouple TP03

表1 K型热电偶产生的热电动势e与温差ΔT之间的关系Tab.1 Relationship between the thermal EMF generated by K-type thermocouple and the temperature difference

由于所使用的K型热电偶具有如下的电压温度系数，即

因此在电路中采用了硅晶体二极管D1（IN4148），并利用其导通压降的负温度系数，即

经分压后去补偿由K型热电偶的正温度系数，从而实现温度自动补偿。输入信号取自由R1、R2、R3和R44个电阻组成的测温电桥，IN-输入标准比较电压，IN+输入测温电压。R5、R6、R7、R8构成差动运算电路，其中RP1是用来校准比较温度值，可设计为-20℃所对应的电阻值。

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25 μV），所以OP07在这里不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2 nA）和开环增益高（对于OP07A为300 V/mV）的特点。在这里Op07起到放大温度电压信号的作用，放大倍数设计为2倍。输出电压UT=2（U+-U-）。这样在测量温度在-20～+50℃时，输出电压可控制在5 V以内，代表温度的电压UT由Op07的输出端6脚输出。RP2是用于调零，如果测量温度精度不高时，RP2可以省略，Op07的1、8管脚空置。

1.2 A/D转换电路设计

经过放大电路输出的电压必须要经过模/数转换电路才能被单片机处理，本设计中采用AD7812作为模数转换器。AD7812是一种串行口的10位8通道逐次逼近型A/D转换器。由于它是数据串行输出，所以用这种A/D转换器能节省单片机输入引脚，而且它有8个输入通道可以同时采集8路模拟电压，这都可以用来进一步系统功能开发，它还具有软件转换启动与软件关断特性。电路设计如图2所示[6]。CREF接10 nF电容，传送同步TFS与接收同步RFS与单片机P1.0口连接，数据输出DOUT与单片机P1.1口连接，数据输入DIN与单片机P1.2口连接，读取时钟SCLK与单片机P1.3口连接，转换起动CONVST与单片机P1.4口连接。这样就很容易由单片机来控制串行数据读取[3]。

图2 模/数转换电路Fig.2 A/D converter circuit

1.3 单片机处理器电路设计

Intel80C51BH单片机是美国Intel公司出产的实用性很强的8位单片机它有4 kROM和64 Keprom，21个特殊功能寄存器，很适合作为本设计处理器[4]。单片机处理电路如图3所示。由单片机P1口的前5位来接收和控制来至AD7812信号，由P0口的前2位输出执行指令，其中P0.0用来执行浇灌指令P0.1用来执行加热指令[5]。

图3 80C51BH单片机控制电路Fig.3 80C51BH single chip control circuit

1.4 执行电路设计

由于单片机发出的指令信号功率太小，所以不能直接启动浇水水泵和加热开关，所以用以下执行驱动电路来实现动作，如图4所示。

图4 动作执行电路Fig.4 Action implementation circuit

从实际出发，这里仍然采用运算放大器OP07来实现，电路设计成一个同相放大电路，放大倍数为3，电路中执行指令信号经由电阻R1在IN+脚输入，由OUT脚输出，控制开关继电器KA完成任务。其中电阻R4是限流电阻，对继电器有保护作用。加热和喷雾的驱动电路设计成一样，便于系统扩展与改进。

2 系统软件设计

为了便于系统扩展，将系统按照模块化进行设计。该系统由测温电路、A/D转换器、数据处理和执行输出4个模块组成。具体流程是这样的：先由测温电路将温度信号（-20～+50℃）转换成电压信号并放大（0～5 V），由A/D转换器电路将这模拟电压信号转换成单片机能识别的数字信号，由单片机进行数据分析、处理和判断。当条件符合时启动电水泵或加热电路，如图5所示。

2.1 A/D转换器模块

A/D转换器在启动之前要对其进行初始化，否则不能读取正常的数据。初始化时将单片机的P1.4口置1，然后软件启动一次转换过程即可。在转换的过程中，由于任何模数转换需要一定的时间来完成，所以在读取数据时要有一定的时间延迟，本设计为3 μs，以确保转换操作顺利完成[3]。

图5 软件系统设计流程Fig.5 Software design process

2.2 中央处理器模块

这个模块主要包括单片机对A/D转换模块的控制、对数据处理以及对浇水电路和加热电路的控制3个部分。

对A/D转换器的控制主要包括对A/D的模拟通道选取地址写入、清零和控制模数转换步骤；数据处理部分主要是将读取的与温度相对应的数字信号与预先设定的标准值进行比较，当温度低于标准值时启动加热电路。当一定时间内温度仍不能恢复正常值时，再启动浇水电路，用加热后的水对室内进行喷雾作业使室内温度迅速提升。当室内温度符合要求时，作业停止。