基于单片机的温室卷被控制器的设计与应用

2017-12-12杨蕊赵慧芳潘大丰崔玉祥王晋宁石相红杨方曹孟梁高天佑

农业科技与装备 2017年8期

杨蕊+赵慧芳+潘大丰+崔玉祥+王晋宁+石相红+杨方+曹孟梁+高天佑

摘要：针对目前温室保温被机械卷放位置误差大、精度低、重复性差等问题，设计一种基于STC89C52单片机的温室卷被控制器。该卷被控制器具有手动/自动、定时、倒计时显示、遥控、卷放被微调等功能，采用计时定位原理和容错机制，巧妙地解决了温室卷被机误差大和自动控制精度高的矛盾，实现对温室环境的有效控制。实际应用效果表明，该控制器具有低成本、保安全、省力气的特点，可为温室大棚增产增收提供可靠保障。

关键词：卷帘机；单片机；保温被；温室；遥控；设计；应用

中图分类号：S625.31 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）08-0035-04

温室大棚是北方冬季蔬菜生产的重要支撑方式，而在大棚上覆盖草帘和保温被是蔬菜反季生产保持大棚温度的主要途径。人工将保温被卷起和放下，不仅费力，而且劳动强度大。采用机械方式进行卷放被，既能节约操作时间、节省劳动力，又能延长日照时间以提高棚内温度，还能提高温室大棚生产的经济效益；此外，机械卷帘还能延长草帘的使用寿命，人工卷放草帘可用2 a，而卷帘机卷放至少可以延长1 a。近年来，采用机械方式对温室大棚的草帘和保温被实现自动卷放已经得到大范围应用。但现有的产品多采用人工合闸的方式进行控制，既不能根据大棚的卷放被时间自行结束操作，也不能采用遥控方式进行多个大棚同时操作，而且卷放位置误差大、精度低、重复性差，存在劳动时间长、安全性差、强度大、效率低等缺点。

前期调研发现，山西省各地的温室大棚多是土制大棚，大部分卷被控制箱安装于大棚顶端，操作极为不便；加上菜农多为当地农民，在使用较先进和复杂产品方面接受性较差；同时卷放被操作过程中受外部环境（如冰雪、保温被变形等）的影响会出现卷斜、卷被时间到而卷被预期位置未到等现象。因此，为了进一步降低人工劳动强度、延长光照时间、提高卷放被的重复性和精度、减少误差，同时考虑到菜农的自身特点，本研究利用STC89C52单片机的定时精确和可编程的特点，设计一种温室大棚自动卷被控制器。该控制器针对土温室保温被机械误差大、起停位置不固定，受热冷、雪雨天气影响自动控制、远程控制容易失灵，80 m长的卷被轴容易变为S形状等问题加以解决。该控制器有手动和自动两种工作方式，具备遥控和微调功能，通过遥控提高排除卷被故障的可靠性，完全符合温室大棚菜农的使用习惯和要求，实现了大棚卷放被的自动控制，为温室大棚的生产提供了可靠的保障。

1 温室大棚自动卷被控制器的总体设计

温室卷被控制器采用STC89C52单片机进行控制，控制器内部有转换电源、单片机主控盒、交流接触器及接线端子等，控制器面板上有时间显示区、手动自动切换按钮、卷被按钮、暂停按钮及放被按钮。同时为每个控制箱配有专用的遥控器，遥控器上有4个按钮，分别为：A—停止，B—暂停，C—放被，D—卷被。该控制器有手动和自动两种工作方式。手动工作方式下，按面板上或遥控上的按钮进行相应的卷放被操作，同时面板上会显示相应的卷放被时间，以供自动工作方式下卷放被时间设置参考。自动工作方式下，可在设备内部进行卷被和放被时间设置，当通过面板按钮和遥控进行操作时，面板上倒计时结束卷放被操作相应停止；在卷放被操作过程中，按暂停按钮可进入微调状态，然后按卷被或放被按钮进行相应的卷放被微调，同时倒计时显示的时间为保持设置的卷放被整体时间不变做相应的变化，微调结束后再次按暂停按钮可继续进行卷放被操作，直至设置的时间倒计为0结束。控制器面板结构和总体设计如图1所示。

2 硬件设计

为了满足成本低、性能安全、操作简便、节省劳动力及功能实现等要求，对控制器的硬件部分进行全局优化设计。该控制器选用宏晶公司生产的 STC89C52单片机作为核心微处理器，外围器件有晶振、继电器输出控制、遥控器模块、MAX232串口下载通讯接口、拨码开关、按键输入、数码管显示输出及电源接口等。卷被控制器硬件结构如图 2 所示。

2.1 主控芯片

整个控制器的核心器件是单片机，其他外围器件均与其相连，包括按键、遥控、数码管显示、拨码开关及继电器等。单片机负责完成温室卷被控制器的定时、指令输入和输出、通讯等功能。控制器的主控芯片使用STC公司生产的STC89C52单片机，贴片封装LQFP44脚。该芯片具有8 k字节Flash，512字节RAM， 32位I/O口线，看门狗定时器，内置4 kB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，1个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。该芯片价格低廉，具备存储和记忆功能，能够实现可擦写多次编程，满足温室卷被控制器的I/O口需求。综合考虑各方面的要求，该单片机适合安装于大范围推广应用的产品中。

2.2 电源

由于温室大棚位于农地，控制器使用220 V交流电压外部供应，并利用380 V交流电压为三相电机供电。为满足STC89C52单片机的电压要求，使用电源转换模块将AC 220 V电压转换成DC 12 V，再用LM7805将12 V电压转换成供单片机使用的5 V电压。为了限制工作电流，提高安全性，选用1.5 A自恢复保险丝进行电流保护。

2.3 操作按钮

为了完成用户和控制器的交互，在面板上设置4个按钮，分别是卷被、放被、暂停、自动/手动/关机，直接与单片机的I/O相连，完成相应的操作。

2.4 時间设置

卷放被操作中需要设置卷被和放被的时间，因此该卷被控制器采用两组4位8421拨码开关分别设置卷被和放被时间。拨码开关从左开始第1位和第2位表示分位，第3位和第4位表示秒位。由于秒是60进制的，因此秒位的第1位的数字超过5就按照5来显示计时，即99=59，秒位最大为59。仅在自动工作方式下，卷被和放被时间按照设置的时间进行工作。endprint

2.5 时间显示

为方便观察自动工作方式下控制器卷放被操作时的剩余时间，在控制器面板上放置4位时钟共阳极7段数码管显示。在自动工作方式下，可以进行倒计时显示，即卷放被剩余时间显示。在手动工作方式下，显示卷被和放被执行的时间，方便自动工作方式下卷被和放被使用时间的统计。

2.6 遥控模块

为方便用户远距离操作和多个大棚同时操作，在控制器内部增加遥控模块，箱体外部放置天线。由于温室大棚宽度约为70～100 m，且温室卷被控制器多安装于监控室内，在室外利用遥控操作时，信号穿透2～3层墙壁会有大幅度衰减，需要选用大功率的遥控模块。遥控模块由CD4069芯片、遥控器和天线三部分组成。CD4069芯片直接与单片机的I/O口相连，完成按键上的操作。同时选用315 MHz工作频率的天线，选用大功率远距离传输的遥控模块。遥控上共有4个按键：A，B，C，D，分别代表：A—停止，B—暂停，C—放被，D—卷被。

2.7 電机正反转控制

温室卷被控制器中单片机的I/O口经处理与2个SONGLE12V 5引脚继电器相连，继电器的输出和两个380 V的交流接触器相连接，两个继电器的输出分别完成电机的正反转控制，以达到保温被的卷被和放被的目的。

2.8 通讯接口

温室卷被控制器采用RS232标准与计算机进行通信。该控制器利用MAX232芯片与单片机相连，进行串口下载。为了节约空间，同时考虑到与计算机进行通讯时只用到RXD，TXD和GND 3个引脚，因此在主控板中选用三针接插件完成通讯操作。使用STC_ISP_V483.exe软件为单片机烧录程序。

3 软件设计

硬件部分为卷被控制器的实体，为控制器的工作提供了基础和条件。但是要想完成有效的定时、按键和遥控操作等，还需要进行软件设计。该控制器采用C语言进行软件编程，利用Keil uVision4软件编译，之后通过STC_ISP_V483.exe串口调试软件从PC机下载到单片机，进行三相电机的控制，以达到卷放被的目的。以卷被操作为例，温室卷被控制器的软件流程如图3所示。

如前所述，温室卷被控制器的手动/自动切换、微调、卷放被、遥控功能均需通过软件设计实现。以卷被操作为例，软件逻辑可表述为：开机后，控制器的单片机进行初始化扫描，读取手动/自动/关机状态、卷被/放被时间及按钮状态。当读取到手动工作方式时，扫描到卷被按钮按下，电机运行开始卷被操作，卷被时间开始计时。按暂停按钮时，电机和计时暂停运行，再次按动暂停按钮时恢复卷被操作。当读取到自动工作方式时，扫描到卷被按钮按下，读取卷被时间，电机运行并开始倒计时，倒计时为0时电机停止运行，卷被操作结束。卷被操作运行时遇到机械故障，按暂停按钮进入微调状态，按卷被或放被向上或向下调整，同时倒计时随着调整而进行改变，微调结束，按动暂停按钮继续卷被操作，直至倒计时为0，电机停止运行，卷被操作结束。若在操作中想要停止运行并清除计时，需要将手动/自动按钮打到手动挡。

卷被操作时，实现按钮延时功能的C语言程序代码如下：

void TIME_function（void） //按钮延时功能

{

if（TIME_jb！=0）

{

SET_jbD--；

if（++TIME_jb>=SET_jb）

{

FLAG_jb=0； //清卷被状态标志

TIME_jb=0； //停止卷被计数器

OUT1=0； //停止电机（正传）

SET_jbD=0；

}

4 推广应用

为了大范围推广温室卷被控制器，将研发的产品转化到温室大棚的现实生产中，为菜农提供切实可行的便利，对温室卷被控制器进行前期设计，并对控制器所用到的电子元器件、外壳、按钮、布局等进行细致的选型和设计，最终组装出成型的产品。温室卷被控制器于研发阶段在实验室组装50套，已在山西省太原市孙家寨叶菜基地连片温室进行使用测试，通过大量试验发现研发阶段的潜在缺陷，为中试定型产品筛选性价比合理的元器件提供依据，进一步优化了产品工艺设计。将优化后的产品组装200余套，在太原孙家寨蔬菜基地、晋中榆次、运城新绛“设施蔬菜生产环境调控技术”示范点、清徐等地安装了该卷被控制器。课题组成员深入上述各地温室大棚对控制器进行现场安装，为农户发送技术资料，并进行现场培训，各地示范点的土温室监控技术覆盖率达到30%以上，使各示范点蔬菜品质和档次在原基础上提高了15%以上，平均年生产能力提高了8%～10%。温室卷被控制器成品及其安装现场如图4所示。

该卷被控制器根据预先设定的卷被时间、放被时间，自动完成80%的卷被与放被工作，能实现多台同时工作，缩短人工等候时间，提高工作效率；剩余20%的工作由手动或遥控精确调整，减少事故发生。据调查，每667 m2温室大棚人工卷被时间约为1.5 h，而卷被控制器卷被只需5 min；人工放被时间约为0.5 h，而卷被控制器放被只需3 min。与人工卷放被相比，卷被控制器节约了94.4%的人力。与本课题组自主研发的第一代使用延时继电器版的卷被控制器相比，该控制器工作时间精度大幅度提高。分别将两代卷被控制器的卷被时间设置为5 min，各抽取10个样品进行试验，得到卷被所用的时间，并计算相对误差和均值，结果见表1。

由表1可知：延时继电器版卷被控制器卷被时间均值为4′48″，相对误差均值为4.33%；单片机版卷被控制器卷被时间均值为4′58″，相对误差均值为0.60%。可见，该卷被控制器在时间精度上有明显的优势。

5 结论

本研究设计的基于单片机的温室卷被控制器，具有定时精确、安全简便、价格低廉、节省劳力等优点，实现了温室大棚保温被的遥控控制，有效地增加了温室大棚的日照时间，解决了温室大棚的现实需要，符合菜农的使用习惯和要求，提高了菜农日常的工作效率。经实际应用证明，该温室卷被控制器设计合理，对温室大棚的生产切实起到了推动作用，提高了菜农的经济效益，适于大范围推广应用。

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