基于单片机的封闭空间温、湿度控制系统
2015-03-05新疆大学电气工程学院尹纯亚杨建庭
新疆大学电气工程学院 梁 露 文 龙 江 川 尹纯亚 何 山 杨建庭
基于单片机的封闭空间温、湿度控制系统
新疆大学电气工程学院 梁 露 文 龙 江 川 尹纯亚 何 山 杨建庭
【摘要】封闭空间的温、湿度自动控制是影响工农业发展的重要因素。以蔬菜大棚为例，研究把AT89C51单片机作为主控制器，以温度传感器DS18B20和集成湿度传感器IH3605为主要器件的封闭空间温、湿度控制系统。该设计可为生物生长提供合适的环境，满足作物高产的要求。设计充分考虑了性价比因素，选用了价低、性能稳定的器件，最终通过单片机实现了对空间温、湿度的控制要求。
【关键词】AT89C51单片机；传感器；温、湿度控制；输出显示
1 引言
人们对生活品质的要求越来越高，培植性状优良的作物，成为研究的热点。食用菌、蔬菜花卉、生物实验室和畜禽棚圈等场所，对温、湿度要求颇为严格，基于单片机的封闭空间温、湿度控制系统可较好地解决此类问题。目前常规的温、湿度控制设计，对温湿度测量，较多采用热敏电阻和湿敏电容（属传统的模拟式传感器），还需设计信号调制电路，并经由较复杂的校准和标定，测量精度难保证，且成本较高。本文设计的温、湿度控制系统，可给生物提供稳定适宜的温、湿度环境，满足生产的需求。系统充分考虑了经济性和稳定性，最终选用C51单片机来实现对温、湿度的控制。
大量科学实验和实践过程证明,环境指标的调控对作物增产的作用显著，只有在适宜的生长环境下作物才能充分发挥高产潜力。本系统所要完成的任务：（1）通过传感器实时、准确地测量和显示环境温、湿度值；（2）在温度不满足要求时进行相应的调节和控制；（3）通过采集温、湿度值，准确判断设定值与采样值间的差别，及时启动报警装置。
2 系统设计要求
2.1 系统的功能要求
系统实现的功能：（1）温室大棚温、湿度指标的实时采集，由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示。（2）实现温湿度越限及时报警，并启动控制系统调节温度。以大棚辣椒为例，生长温度最高为350C，本系统要求当温度高于260C时，电机转动排风降温，温度高于350C，喇叭实时报警，电机全速转动排风，控制温度；湿度低于65%时，实时报警，打开增湿装置（水幕），实现湿度控制。
2.2 系统的组成
以单片机为核心器件，温湿度传感器为测量元件，采用温湿度测量、通信和控制技术，组成智能温湿度测控系统（如图1所示），包括：温湿度测量电路，显示电路，报警电路，温湿度控制电路。选用的主要元件：单片机、温度传感器、集成湿度传感器、降温装置（风扇）、升温装置（加热器）、増湿装置（水幕）、报警装置（蜂鸣器）等。
图1 温度控制系统组成
2.3 系统的工作原理
系统以单片机AT89C51为核心，采用C语言编程，核心是温、湿度控制，由单片机AT89C51、风扇、加湿加热设备、报警装置组成。AT89C51为中央控制器，负责中央运算和控制，协调系统各模块工作。
温度模块：由DS18B20温度传感器采集数据，AT89C51单片机进行数据处理，数码管显示温度，延时程序控制步进电机转速。当室温低于26℃时，电机和喇叭均不工作；当室温介于26℃和35℃之间时，温度传感器将产生的数字信号传输给单片机，单片机通过I/O端口输出信号给数码管显示，同时驱动变频器。变频器控制电机开始运转；当室温高于35℃时，单片机经过判断启动蜂鸣器报警，控制变频器加大输出频率，使电机加速运转，实现加速降温的目的。当室温低于作物适宜生长下限时，温度传感器还可经单片机启动加热装置，对室温进行提升。
湿度模块：当湿度小于65%时，IH3605集成湿度传感器从I/O端口将信号传给单片机，由延时程序控制增湿装置工作，增加湿度，同时控制蜂鸣器工作发出警报；当湿度增加为80%时，传感器将信号传给单片机，控制增湿装置停止工作。
图3 仿真连接图
3 系统的硬件组成
3.1 AT89C51单片机
单片机AT89C51系统带有4K字节闪存器，128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，1个全双工串行通信口，1个5向量两级中断，时钟电路及片内振荡器，具有较低的电压、高性能的8通道微处理系统的优点。闪存可擦除，对输入系统的数据，采用高精度的工业化存储系统，完成单片机数据的系统嵌入。
3.2 测温控制电路
DSl8B20传感器是支持“单总线”接口方式的数字式温度传感器，可直接读取被测环境的温度值。它有TO-92、TSOC、SOIC多种封装形式，可适应不同的环境需求。其温度测量范围是-55—1250C，精度为0.50C，可通过对封闭空间温度总线的数字化控制，提高系统抗干扰能力。
传统系统通过将模拟信号远距离采样并A/D转换测温，须采取措施解决由长线传输、多点测量切换及放大电路零漂等造成的误差补偿，才可获得较高测温精度。DS18B20数字温度传感器测量温度，全数字化的输出信号，便于单片机处理及控制，省去了传统测温A/D转换等许多外围电路。
DS18B20集成温度控制电路封装如图2，GND为接地端，DQ是数据的输入和输出引脚，可采用与DQ相连的方式为外界供电；VD为可选引脚，当电路工作在寄生电源状态时，须接地。读取或写入DS18B20仅需一根总线，需外接一个约4.7的上拉电阻，当总线闲置时，其状态为高电平。DS18B20是温度-电流传感器，抗干扰能力较强。
图2 DS18B20控制电路
温度控制系统还包括风扇和加热装置。温度传感器将测量到的温度信号转变为数字信号后，经变频器变频，可满足电机和加热装置的启动要求，控制温度。
3.3 湿度的测量及控制电路
系统采用IH3605集成湿度传感器，内部集成了调理信号电路，多层的独特结构可抵抗尘埃、湿气、油、脏物和其他物质的侵蚀，具有线性度好、精度高、输出电压范围大及互换性强等优点，测湿系统无需信号放大和调整，可直接进行A/D转换。
湿度控制系统除湿度传感器外，还包括水幕等设备。
4 实验仿真与实物调试
4.1 软件仿真
图3为单片机与温度传感器DS18B20、显示器等的连接图。传感器通过变频器控制电机转动，限于篇幅，此处只给出温度控制电路。
通过软件仿真，证明设计可按要求控制封闭空间温度，实验调试验证了系统的正确性。
4.2 实物调试
在软件的调试过程中，遇到了很多问题，如数码管有共阴极和共阳极之分，不同类型的数码管，电路图连线不同，连线错误将导致无法显示温度值；步进电机要由ULN2003A晶体管驱动，不能直接由P1驱动；使用Keil C51导出文件，需要导出.hex文件再下载到单片机内，才能驱动单片机运行所编程序。
经不断改进，调试结果如图4和图5所示，电机运行状况符合程序要求：在26℃以下，电机和喇叭不工作，温度显示随室温同步变化；室温在26℃～35℃之间时，电机开始工作，喇叭不工作；室温在35℃以上时，步进电机转速加快，喇叭开始工作。
5 程序设计
由C语言编写系统软件控制程序，易于模块化，生成的代码质量高、可读性好、可移植性强。
5.1 温度程序总流程
图6为温度程序总体流程图。
图4 温度显示调试
图5 电路调试
图6 温度程序总流程图
单片机初始化，调用温度模块进行数据采集，经转换程序，将十六进制数转换成十进制数，查表输出数码管显示，根据判断语句调整电机转速，控制喇叭运行。
运用主函数调用各个模块，用get_temperature命令调用温度传感器，调用数码管显示程序display(temp)进行实时室温显示，if判断语句对检测的室温进行大小对比，根据返回值确定是否驱动电机和蜂鸣器。
void main()
{
ds_change();
......
......
{get_temperature();
display(temp);
......
......
if(get_temperature()>260&&get_temperature()<350)
......
......
P1=table2[i];
......
......
beep=1;
}}
湿度控制系统同理。
5.2 数码管显示程序
数码管通电，延时等待，DS18b20采集的数据在单片机进行转换，查表输入相应地址数据，延时等待，输入显示数据。
数码管由八段组成（A,B,C,D,E,F,G,DP），即八个发光二极管，因发光二极管的导通方向一定（导通电压一般取1.7V），所以八个发光二极管的公共端分两种：分别接地的共阴极数码管或接+5V的共阳极数码管，其中每段均有截止和导通发光两种状态，分别对应0、1两种状态。本系统选用共阴极数码管。即位选为低电平（0），选中数码管。
5.3 步进电机、喇叭驱动程序设计
步进电机驱动由单片机进行调用，P1口接步进电机，采用的为两相四线步进电机，延时程序delay(n)控制电机转速。
void delay(int z)
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=115;y>0;y--)
......
...... }
在不同温度时，通过控制delay(n)的n值来进行转速控制。
单片机对喇叭的驱动，在if语句进行判断后，满足条件，则单片机驱动P2^3口，输出高电平，驱动喇叭工作。
6 结束语
通过基于AT89C51单片机的控制系统，对温、湿度指标进行监测和调控，全部过程由单片机系统自动完成,能对作物所需的特定温、湿度进行调控，满足生长需要。设计具有较大的灵活性，可通过软件设置修改参数，达到对各温度段的控制，以满足不同生物的生长要求，适用于畜禽圈舍、食用菌栽培、蔬菜花卉生产和微生物培养等场合。系统的控制精度高、成本低，也为下一步在此基础上开发功能更强大和复杂的系统,提供了极大的拓展空间。
参考文献
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[6]李朝青,刘艳玲.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2013.
梁露（1993—），女，辽宁朝阳人，大学本科，现就读于新疆大学电气工程学院。
何山（1974—），江苏金坛人，博士，副教授，主要研究方向：洁净能源发电技术。
通讯作者：
作者简介：
基金项目：自治区级大学生创新创业训练计划项目（201510755214）、高等学校博士学科点专项科研基金联合资助项目（20136501120003）、新疆大学电机学精品课程建设项目资助。
