温室温度测控电路在Proteus中的仿真实现

邵春声

(常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)



温室温度测控电路在Proteus中的仿真实现

邵春声

(常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)

摘要：利用Proteus软件对温室温度测控电路进行了设计和仿真。在设计电路中，AT89C52单片机控制DS18B20数字温度传感器实时检测温室温度，LCD1602液晶显示器上显示工作温度设定值和实时检测温度，并按照温度范围控制理论实时控制温室温度，以保证温室作物生长在适宜的温度范围中。该电路智能经济，稳定可靠，安装简单，测量精度高，抗干扰性强，具有较好的推广应用价值。

关键词：温室温度；测控电路；Proteus仿真

0引言

我国地大物博，是一个典型的农业大国，国情决定了需要大力发展农业科技，由传统农业向现代农业转型，而设施农业是现代农业的发展方向之一[1],温室又是设施农业的一个重要组成部分。温室又称暖房，能透光、保温，是用以栽培植物的人工设施。温室作物生产与大田作物生产的主要区别是温室中的小气候环境可以根据作物生长的需要进行实时控制[2]。现代化温室通过传感器技术、计算机技术和人工智能技术，能自动调控温室的环境，包括温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、通风等环境参数[3]，使温室作物获得比大田作物更优的环境条件，达到优产高产的目的。

在影响作物生长发育的各环境参数中，温度是最敏感的，也是最重要的环境参数之一。温室在线控制系统按照控制方法，可将系统分为基于单片机控制、基于PLC控制、基于网络技术控制、基于工控技术控制(IPC)和基于总线技术控制等几类。本文设计了基于单片机的温室温度测控电路，对温室温度进行实时检测，以作物生长发育的适宜温度为参考点进行温度调节，并最终在Proteus中进行实时仿真验证。

图2　温室温度测控电路仿真截图

1整体方案设计

传统的单片机系统开发需要购置仿真器、编程器、示波器等电子设备。用户需要在硬件完成后才能进行软硬件联合调试，如果调试过程中发现硬件错误需修改硬件，重新设计硬件电路板。上述过程有时需要重复多次，增加了开发成本，延长了开发周期，其高风险和低效率的缺点显而易见。

Proteus软件实现了单片机仿真与Spice电路仿真相结合，用户还可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS-232终端等动态外设模型来对设计进行交互式仿真调试。只要完成原理图设计，软件编程者就可以开始工作，不必再等实际的硬件物理原型出现。Proteus VSM包含了大量的虚拟仪器(如，示波器、逻辑分析仪、函数发生器等)，为仿真调试提供了强有力的支持[4]54。仿真工作取得满意的调试结果后，再制作实际的硬件电路，大大减少了开发成本和开发时间，提高了硬件设计的效率和准确性。

温室温度测控电路的整体方案设计如图1所示。整个电路以主控芯片为控制核心，液晶显示器实时显示当前的实际温度和相应的设定温度，键盘进行温室温度设定，利用COMPIM元件实现仿真电路与上位机的主从通信。温度传感器作为测量元件对温室温度进行实时测量，即：当温度超过温室工作温度设定值时，升温设备和降温设备开始自动工作；当温度超过温室报警温度设定值时，超限报警器开始自动工作。

图1　整体方案设计

2仿真电路设计

温室温度测控电路仿真图如图2所示。整个仿真图包括主控芯片和配置电路、温度检测电路、温度控制电路、液晶显示电路、声光报警电路、键盘输入电路和主从通信电路。

2.1主控芯片和配置电路

主控芯片选用ATMEL公司的8位单片机AT89C52，它是80C51单片机系列中的一种，低功耗，高性能，采用CHMOS工艺，片内有8 kB的Flash E2PROM，256 B的RAM[5]。由于在工业测控领域使用极为广泛，80C51单片机已成为事实上的工业标准。

配置电路是为了满足单片机能正常工作的最小电路组成，包括时钟、复位、电源、存储器选择等电路，构成了该单片机的最小系统电路。由于需要串口通信，时钟电路中的晶体选用11.059 2 MHz。复位电路选用上电复位和按键复位的简单组合。存储器选择为单片机内部的8 kB程序存储器。

2.2键盘输入电路

键盘输入电路选择4×4矩阵式键盘，以节约单片机有限的I/O引脚资源。按键包括0～9数字键、UP、DOWN、DOT、CLEAR、SET、OK等，可以完成作物适宜生长温度参考值、工作温度、报警温度等参数设定和查询。

2.3温度检测电路

目前，大多数传感器都采用放大—传输—A/D转换这种模式，一般占用单片机较多的I/O资源，限制了单片机的功能扩展。一线总线技术很好地解决了这个问题。因此，温度传感器选用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20。

DS18B20的温度测量范围为-55～+125 ℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.062 5 ℃[4]162。它具有3引脚的TO-92小体积封装。DS18B20可以多个并联到3根或2根线上，单片机只需1根I/O线就能与这些DS18B20进行通信，即占用单片机I/O线较少，上述特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

2.4温度控制电路

温度控制电路通过1个继电器启停升温设备(如电加热器)，通过另外1个继电器启停降温设备(如风扇)。因仿真需要，采用红色LED替代升温设备，绿色LED替代降温设备，发光代表设备启动工作，熄灭代表设备停止工作。

作物不同时期生长的适宜温度是一个温度范围。以西红柿为例，缓苗期白天30～33 ℃、夜间18 ℃，开花期白天22～27 ℃、夜间15～18 ℃，结果期白天20～28 ℃、夜间12～17 ℃，果实膨大至成熟期白天22～30 ℃、夜间14～18 ℃[6]。采用温度范围控制理论能较好地控制温度这个大惯性环境变量[7]，以免频繁地启动升温设备和降温设备，降低温度波动，减少能量的无谓损耗，延长设备的使用寿命。

2.5声光报警电路

当实测温度超过报警设定温度时，声光报警电路自动工作。声音报警电路采用蜂鸣器仿真，当其工作时会发出500 Hz的刺耳报警声；灯光报警电路采用红色LED仿真，当其工作时会不停地闪烁，以此来提醒工作人员，温室内的温度已大幅超过作物适宜的生长温度。

2.6主从通信电路

主从通信电路的作用是为了中控室和温室、温室和温室之间的联网，上位机可通过各种网络对温室进行实时参数监控。

单片机与计算机的串口通信需要1个虚拟串口连接软件。在虚拟情况下，Proteus通过COMPIM可以调用实际的串口和外部通信。调试时上位机选为COM1，使用虚拟串口设置和串口调试助手进行操作，而下位机单片机选为COM2，将COMPIM设为COM2。

2.7液晶显示电路

液晶显示电路选用字符型液晶显示模块LCD1602，它具有功耗低，体积小，显示内容丰富，抗干扰能力强等优点[4]229。LCD1602可显示2行各16个字符，其中第1行显示设定温度值，第2行显示实测温度值。

目前，国际上字符型液晶显示模块已经规范化，无论显示屏的规格如何变化，它的电特性和接口形式都是统一的。因此，只要设计一种型号的接口电路，在指令设置上稍加改动即可使用各种规格的字符型液晶显示模块。

3软件设计

3.1主程序

温室温度测控电路的单片机程序采用C语言编写，分为主程序和各功能子程序。在主程序中分别调用初始化程序、键盘检测程序、温度检测程序、液晶显示程序、温度控制程序、主从通信程序等。主程序流程图如图3所示。

图3　主程序流程图

单片机上电后，先进行初始化，接着检测有无键盘动作，然后使DS18B20检测温度，将参考温度和实时温度显示在LCD1602上，并依据温度比较结果启动相应的升降温度设备和声光报警，随后将实测温度数据送往上位机，最后返回到键盘检测处进行无限循环。

3.2温度采集子程序

作物的环境温度是依靠DS18B20温度传感器检测的。当温度传感器收到单片机送来的温度转换命令后，启动转换，转换完成后的温度值以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0、1字节。单片机通过一线总线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。DS18B20读温度子程序流程图见图4。

单片机再将获得的数据进行计算，转换成实际的温度值，本文中对数据的小数进行四舍五入，保留了1位小数，即温度精确到0.1 ℃。

图4　DS18B20读温度子程序流程图

3.3温度控制子程序

作物生长的适宜温度是一个范围值，而且不同生长时期的范围值也不相同，所以在作物每个生育期都有5个温度参考值，分别为工作温度设定值、工作温度上限值、工作温度下限值、报警温度上限值、报警温度下限值。

温度控制子程序采用温度范围控制理论，其流程图如图5所示。

图5　温度控制子程序流程图

假定作物处在某一生长时期，当实测温度处于工作温度下限值和工作温度上限值范围内时，即作物生长在它适宜的温度范围内，所以升温设备和降温设备均不启动；当实测温度高于工作温度上限值时，降温设备启动，开始进行降温；当实测温度低于工作温度下限值时，升温设备启动，开始进行升温；当实测温度高于报警温度上限值时，声光报警电路启动，发出声音和灯光报警信息，提醒工作人员，同时降温设备启动；当实测温度低于报警温度下限值时，声光报警电路启动，发出声音和灯光报警信息，提醒工作人员，同时升温设备启动。

在KEIL C中用C语言编制完整程序，编译生成单片机可识别的HEX文件，在Proteus软件中将HEX文件加载到AT89C52单片机中，在上位机中打开串口调试软件[8]。在Proteus中开始运行仿真，针对不同的采样温度，温室温度测控电路都会做出正确的动作，同时可以从串口调试软件上看到从单片机送来的实时温度数据，部分仿真结果见图2。

4结语

本文使用Proteus软件对温室温度测控电路进行设计，并最终仿真实现。AT89C52单片机控制DS18B20温度传感器对温室温度进行实时检测，在LCD1602液晶显示器上显示工作温度设定值和实时检测温度，按照温度范围控制理论实时控制温室温度，以保证作物生长在适宜的温度范围。该电路是一种经济、智能的方案，系统稳定可靠，安装简单，测量精度高，抗干扰性强，同时本电路还可以应用到其他相似的环境中进行温度检测，具有较好的推广应用价值。

[参考文献]

[1]徐向峰,杨广林.我国设施农业的现状及发展对策研究[J].东北农业大学学报,2005,36(4)： 520-522.

[2]徐立鸿,苏远平,梁毓明.面向控制的温室系统小气候环境模型要求与现状[J].农业工程学报,2013,29(19):1-15.

[3]吴小伟,史志中,钟志堂，等.国内温室环境在线控制系统的研究进展[J].农机化研究,2013(4):1-7.

[4]张齐.单片机应用系统设计技术：基于C51的Proteus仿真[M].3版.北京:电子工业出版社,2008.

[5]王子涵,伍萍辉,郑玲，等.基于Proteus的粮仓温湿度监控系统的设计与仿真[J].农机化研究,2013(7):115-118.

[6]张豪堃.基于模糊推理的日光温室控制专家系统的研究与实现[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2011.

[7]唐静.智能温室农业环境自动监控系统设计[D].合肥：中国科学技术大学,2011.

[8]孙文静,孙宜田,张秀国.基于Proteus的农业温室温度控制系统的设计与仿真[J].机电产品开发与创新,2013,26(6):112-114.

责任编辑：陈亮

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Simulation of a Greenhouse Temperature Measurement and Control Circuit on Proteus

SHAO Chunsheng

(School of Electronic Information and Photoelectronic Engineering,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

Abstract：A greenhouse temperature measurement and control circuit was designed and simulated on Proteus.In the circuit,the single chip microcomputer AT89C52 controlled digital temperature sensor DS18B20 for real-time greenhouse temperature detection,and displayed the working temperature reference value and real-time detection temperature on LCD1602.Meanwhile,it controlled the greenhouse temperature in real-time according to temperature range control theory so as to guarantee the greenhouse crop growth in the appropriate temperature range.The circuit is intelligent and economical,stable and reliable with simple installation,high measurement precision and strong anti-jamming,which has many applications.

Key words：greenhouse temperature;measurement and control circuit;simulation on Proteus

中图分类号：S24

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)01- 0020- 05

作者简介：邵春声(1977—)，男，硕士，讲师。

基金项目：科学技术部国家级星火计划项目(2014GA690173)

收稿日期：2015- 04-10

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.005