基于STM8的温室卷帘机控制器设计

崔玉祥，赵慧芳，赵 亮

（山西省农业科学院农业科技信息研究所，山西 太原 030031）

温室是我国北方地区实现反季节种植的主要设施，现有的温室主要是日光温室，不需要人工加温设备，利用温室后墙白天蓄热、夜间放热的原理，从而提供适宜作物生长的温度环境[1]。为了使温室后墙夜间放热能够保留在温室内，温室棚膜上在夜间大多覆盖一层保温被。现在保温被的卷放作业基本上已经实现了机械化和电气化[2]，温室种植户只需通过搬动倒顺开关，就可实现保温被的卷放操作，大大减少了劳动强度。然而由于卷放保温被作业往往是在早晨和下午，冬季北方室温又很低，因此，卷放保温被对种植户来说仍是一项十分艰苦的工作。除此之外，卷帘机故障伤人或卷翻的事故也时有发生，给种植户带来一定的安全隐患。因此，实现卷帘机的自动操作就显得十分迫切。本研究设计了以STM8单片机为核心的卷帘机控制器，利用温度和光照度传感器来检测温室内的部分环境参数，根据作物生长需要[3]，适时的自动操作卷帘机，实现了卷放保温被的自动化。

1 控制器总体方案

温室内的光照度和温度是实时变化的。早晨当温室内的光照和温室外的光强差值超过设定阈值并且温室内的温度达到阈值时，就自动开启卷帘机，收起保温被，增加温室内的光照，使温室后墙蓄热[4]。下午，当室外光照下降到设定阈值并且温室内的温度达到阈值时，就自动开启卷帘机，放下保温被，使温室后墙辐射的热量保留在温室内。

本设计核心采用STM8S003F3单片机，分别采用OPT3001和DS18B20检测光照度和温度。采用按键输入设定光强和温度阈值。通过12864液晶屏幕实时显示光照强度和温度数据，以及卷帘机的工作状态。另外，控制器设计有315 MHz遥控接收模块，可以在100 m范围内操作控制器。本控制器的具体设计方案框图如图1所示。

2 控制器硬件电路设计

2.1 单片机最小系统电路

本控制器核心部件采用8位单片机STM8S003F3，多达17个I/O引脚，芯片自带时钟电路、I2C总线和10位ADC接口，其丰富的功能、低廉的成本、较快的运算速度、超低的功耗，为本设计应用提供了方便。最小系统电路如图2所示。图中L7805为DC-DC芯片，将直流12 V降压变成5 V，给系统提供直流电压。图2中U2为微控制器STM8S003F3，从图中可以看出只需晶振和上电复位电路就可工作，为了降低成本，甚至晶振电路也可不接，而用芯片内部的16 MHz的RC振荡器，J1、J2、J3是主控制板同遥控接收电路、按键输入和显示输出电路、继电器模块电路的接口。

2.2 光照强度检测电路

光照强度检测器件选用TI的OPT3001环境光学传感器，OPT3001传感器用于测量可见光的密度。OPT3001是一款可如人眼般测量光强的单芯片照度计。OPT3001器件兼具精密的频谱响应和较强的IR阻隔功能，因此能够如人眼般准确测量光强且不受光源影响。测量范围可达0.01～83 klux，且内置有满量程设置功能，无需手动选择满量程范围。测量既可连续进行也可单次触发。控制和中断系统可自主操作，允许处理器进入休眠状态，同时传感器会搜索适当的唤醒事件并通过中断引脚报告。数字输出通过I2C以及SMBus兼容的两线制串口报告。考虑到单片机具有I2C接口，OPT3001与单片机通过I2C接口相接，具体检测电路如图3所示。

2.3 温室温度检测电路

温室内的温度变化比较缓慢，考虑到温室面积较大且各点的温度不一致，因此设置3个温度传感器[5]。温度检测芯片选用DS18B20。DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20采用一线通信接口，一根线既可以传输数据又可以供电。本控制器设计中，为了保障可靠性，采用供电和通信分开的方式，信号线DQ只用来供电，另外两根线专门供电。具体电路图如图4所示。

2.4 继电器控制电路

继电器控制电路是交流接触器与单片机控制电路之间的中间电路，实现直流电路控制交流电路的功能，同时实现了直流和交流的隔离，起到保护作用。要控制卷帘机驱动电机的正反转，因此用两个继电器控制两个接触器，两个电路完全相同，具体的电路如图5所示。图中二极管D2起续流作用，防止损坏单片机引脚和晶体管Q1。

2.5 遥控接收解码电路

遥控接收电路由射频接收芯片SC480R及外围电路构成，高频信号接收功能全部集成于片内，用较少的外围器件即可获得可靠的接收效果[6]。SC480R工作电压范围在2.0～5.5 V，灵敏度可达-108 dBm，工作电流仅有2 mA，非常适合低功耗设备的要求。解码电路由芯片SC2272和少量外围电阻、电容构成。遥控接收解码电路如图6所示。芯片SC480R接收高频信号，经内部解调变换成数字信号输出，送给SC2272的数据输入引脚Din。图6中4.897 MHz的晶振将电路工作频率设定在315 MHz。

3 控制器软件设计

根据山西省新绛县南熟汾村种植户的经验，一般冬季9时左右卷起棉被，17时左右放下棉被。将9时的光照强度设定为卷帘的光照阈值，将17时温度设定主放帘的温度阈值，存储在单片机的EEPROM内。将从温室底端到顶端的卷帘时间，和顶端到底端的放帘时间也存储在在单片机的EEPROM内，以防止自动操作时引起故障。控制器的软件分为手动模式和自动模式，手动模式下按下卷帘键开始卷帘、按下停止键才停止，放帘也一样；自动模式下，根据光照强度和实时温度自动卷放帘操作，根据设定的时间自动停止操作。软件流程如图7所示。