生菜种植温度控制系统的设计

方婷 叶明 周平

摘要为实现冬季寒冷条件下生菜的正常生长，以STM32F103嵌入式单片机为核心控制器，结合DS18B20温度传感器、4×4矩阵按键、TFT液晶显示屏以及光警报器等外围器件，设计了一个温度智能控制系统。

关键词生菜；STM32F103单片机；温度控制；加热降温

中图分类号S126文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）32-0216-05

Design of Temperature Control System for Lettuces Planting

FANG Ting，YE Ming，ZHOU Ping*（College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei，Anhui 230036）

AbstractIn order to realize the normal growth of lettuce under cold conditions in winter，using STM32F103 embedded microcontroller as the core controller，combined with DS18B20 temperature sensor，4×4 matrix button，TFT LCD screen and optical alarm and other peripheral devices，we designed a temperature intelligent control system.

Key wordsLettuce；STM32F103 SCM；Temperature control；Heating and cooling

隨着我国人民生活水平的不断提高，对蔬菜种类和品质的要求也越来越高，近年来生菜已成为冬季餐桌中的一个亮点，但是生菜正常的收获时间是5—9月，在一般情况下冬季

很难种植生菜。目前，我国对于环境因素控制和自动调节的研究尚处于初级阶段。尤其对于高寒地区，多变的环境和漫长的冬季严重限制了生菜的生长，因此温室大棚的发展是非常必要的，而发展的首要就是对温度的控制[1-4]。笔者以STM32F103嵌入式单片机为核心控制器，结合DS18B20温度传感器、4×4矩阵按键、TFT液晶显示屏以及光警报器等外围器件，设计了一个温度智能控制系统。

1系统的结构与组成

该温度控制系统硬件电路由STM32F103嵌入式单片机模块、温度采集模块、液晶显示模块、键盘接口模块、电源模块、光报警模块、强电驱动与控制模块组成，总电路系统框架如图1所示。

2系统的硬件设计

2.1单片机选型

51系列单片机为16位单片机，晶振12 MHz，内存20 kb左右，驱动液晶屏能力非常管口资源较少，不符合该系统设计要求，而对于运算能力较强的32位STM32f103zet6嵌入时单片机，由于其具有晶振可达到72 MHz，内存超过100 kb，管口有112个，可以同时挂载多个传感器等优点，因此选用STM32f103zet6更符合条件。

2.2温度传感器的选型

①电阻式温度传感器。它是根据热敏电阻的温度特性制成的，工作时需要用ADC模块测出电压，计算出电阻，再根据电阻与温度的对应关系，计算出温度，此过程相对繁琐，而且电阻与温度的对应关系并不是线性的，因此误差较大，其优点是测量的温度范围较广。②DS18B20（图2～3）。适宜电压电压范围为3.0～5.5 V，温度范围为-55～125 ℃，当温度为-10～85 ℃时精度为±0.5 ℃，可編程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.062 5 ℃，可实现高精度测温，在9位分辨率时最多在 93.75 ms内将温度转为数字，12位分辨率时最多在750 ms内将温度值转换为数字，速度更快，其优点是通过一根数据线把测得的温度数据传给单片机，不需要过多的硬件辅助测量，简单、易行、精度高，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温[5-9]。综上所述，DS18B20温度传感器是最佳选择。

2.3TFT液晶屏的选型

①12864屏。黑白屏，无字库，开发时需要使用字模软件对需要的汉字进行取模，由于这个局限性，所以它只适合用于使用汉字不多的场合。②TFT彩屏（图4）。为彩色屏，自带字库，开发时跳过取模环节，直接调用字库即可，通过对RGB数值的设置，可以获得想要的颜色，它还具有12864所没有的触摸功能，但它对单片机的处理速度要求较高，一般用51系列的单片机来驱动它具有很大难度，而采用RAM系列单片机可以很好驱动它。综合考虑，选用TFT彩屏作为显示屏更为合理。

2.4加热器的选择

目前常用的加热方式有热水加温系统、热风炉加温系统、电加热系统、点热泵等，采用的主要能源为燃煤、燃油、燃气以及电能。电加热热风机以电能为能源，清洁环保，热转化率在99%左右，升温快，但工作电压为220 V/380 V电压，需要配备大容量变压器，经济成本高，不适合单个用户选用；成本较低的是燃煤热风炉，具有独有的整体保温隔热设计，热损耗降至最低，热效率高达80%；所有指标均达国家 Ⅰ 类地区环保标准，适合单个用户选用。因此，选型方案可根据具体情况进行选择。

2.5通风机的选择

针对该系统，采用轴流通风机，山东省青州市某设备厂生产的2种轴流通风机如图5所示。它具有低噪音、风量大、效率高、重量轻与安装使用方便等特点，是较好的通风设备[3]。

2.6强电驱动与控制模块

该模块采用带过零触发的光耦合器件MOC3061，将强电与弱电分开，实现前后级电路的电气隔离，控制热风机的工作电路如图6所示（控制通风机的电路与此相同）。当温室内温度超过设定的温度上限时，单片机1脚输出低电平信号，经过驱动门7407驱动光耦合器MOC3061内部光电二极管发光，在其输出端4脚与6脚之间得到输出电压，触发双向可控硅KS导通，使电加热热风机或控制燃煤热风机、通风机的交流接触器获得220 V/380 V的工作电压。当直接控制热风机时因其功率较大，发双向可控硅KS需要选用大功率电流器件，也可以光耦合器后接固态继电器实现对热风机的直接控制[3]。

2.7光报警模块

采用红、黄、绿3种灯，当温度低于下限值时黄灯亮，当温度高于上限值时红灯亮，当温度在正常区间时绿灯亮。

3软件设计

在此次的软件设计中，以C语言为编程语言，基于Keil 5 为平台的程序开发。在温度的控制部分，采用PID算法可以达到温度的自我修正，使温度趋于平稳，通过对实际系统工作环境中的各种干扰进行分析补偿，以达到温度自动控制的目的。

3.1PID算法控制

PID算法原理如图7所示。PID算法的公式如下：

U（k）=Kp{e（k）+[ T*kn=0e（n）]/Ti+Td*[e（k）-e（k-1）]/T }

式中，U（k）为输出变量，e（k）为第k次偏差，积分部分为T*kn=0e（n），微分部分为[e（k）-e（k-1）]/T，Kp为比例系数，结合此次控制特点，温度是要控制的变量，e（k）为第k次测得的温度偏差，通过改变Kp 、Td/T 与T/Ti值来改变达到预设值的时间、控制过程的速度与温度的静量差。

部分程序如下：

int Incremental_PI （int Encoder，int Target）

{

float Kp=20，Ki=30；

static int Bias，Pwm，Last_bias；

Bias=Encoder-Target； //計算偏差

Pwm+=Kp*（Bias-Last_bias）+Ki*Bias； //增量式PI控制器

Last_bias=Bias； //保存上一次偏差

return Pwm； //增量输出

}

3.2主程序设计

主程序流程如图8所示。主程序的开始是对变量进行赋值，端口定义，接下来进行LCD屏的初始化和DS18B20的初始化，显示开机的信息最后清屏进入主循环（图9）。在主循环中进行温度值上下限的设定，设定好后对DS18B20温度值进行读取，对收集的温度进行处理并转化为十进制，再把转化的温度值显示出来，接下来对采集的温度进行比对，观察其是否在正常范围内。当温度值在正常范围内时，绿灯亮；若低于下限值，程序启动黄灯，使黄灯点亮，同时启动电加热热风机或燃煤热风机进行加热；当高于上限值时，程序启动红灯，使红灯点亮，同时启动轴流通风机进行适当降温。

3.3温度上下限设置程序

温度设置流程如图10所示。用k1、k2、k3、k4按键对上限温度值进行设置，k1按下时进入上限值设置程序，此时当k2键按下时上限值加0.1 ℃，当k3键按下时上限值减0.1 ℃，当k4键按下时上限值设置结束并更新上限值；用k5、k6、k7、k8按键对下限温度值进行设置，k5按下时进入上限值设置程序，此时当k6键按下时上限值加0.1 ℃，当k7键按下时上限值减0.1 ℃，当k8键按下时上限值设置结束并更新上限值。

3.4温度读取程序首先对DS18B20进行初始化，发送跳过ROM命令，发送温度转换命令，让DS18B20对外部温度进行采集，然后再对DS18B20进行初始化，发送跳过ROM命

4结语

在硬件设计时，结合生菜温度控制的特点，选用高级单片机STM32F103zet6为主控制器，其功能强大，可以同时挂载数十个温度传感器，能够扩大温度的测量范围，内部的延

时相当准确，极大提高了设计的速度与准确性；在软件设计时，以keil5为编程软件，选用C语言为编程语言，增加了程序的可移植性，为后期的二次开发提供了便利。该系统采用PID算法作为温度控制的核心算法，它是一种带反馈的控制系统，可以使温度的控制更加快速、平稳与准确。从整体的设计特点来看，硬件设计简单明了，尽量避免使用过多的辅助硬件，降低了设计的复杂程度，为后期的维修也带来了极大的便利，软件设计上采用PID算法提高了系统的抗干扰能力。

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