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基于单片机的葡萄大棚温控系统设计

范文

黄丽辉

摘要：大棚葡萄种植需要严格控制棚内的温度。本文主要就基于单片机的葡萄大棚温控系统设计进行阐述。本系统以单片机为核心设计，可以根据葡萄不同生长期对温度的要求对棚内温度进行实时的自动控制。

关键词：葡萄 ?大棚 ?单片机 ?温控系统

葡萄对温度非常敏感，对大棚葡萄种植来说，棚内的温度调控是实现优产高产的关键环节。由于葡萄在不同生长时期对温度的要求不同，种植管理人员必须对大棚温度进行实时的控制和调节。为了实现大棚内温度的自动控制、降低人工成本，笔者设计了基于单片机的葡萄大棚温控系统。

一、温控系统功能描述

根据种植人员的研究，大棚种植葡萄在不同生长时期需要不同的温度，甚至在同一生长时期对白天和夜间的温度也有具体的要求。例如，在开花期，对大棚内的温度要求是白天20℃～25℃，夜间16℃～18℃;在果实膨大期，对大棚内的温度要求是白天28℃～30℃，夜间20℃～22℃。本温控系统既能根据葡萄的不同生长时期调节温度，还能在昼夜之间进行温度调节。系统框图如图1所示。

温度检测模块用于采集大棚内的温度并转化为数字电信号，传送给单片机。光照度检测模块用于采集大棚外的光照情况（以便判断是白天还是夜间），经处理后产生白天或夜间的开关量，传送给单片机。按键部分用于设置葡萄生长所需的温度范围。数据显示部分用于显示系统的工作状态和棚内的实时温度值。电机和加热管均属于温度调节模块，当棚内温度超出预设的温度范围时，温控装置动作，对大棚进行升温或降温处理。

二、温控系统的硬件设计

1.硬件系统构成

系统的核心控制器件采用应用广泛的STC89C52RC单片机，还包括数字式温度传感器、光敏电阻开关电路、数码管显示电路、按键控制电路、继电器及冷却水泵、继电器及加热管等。

2.电路工作原理

电路原理图见图2，包括单片机电路、检测电路、数据显示电路、按键控制电路、温度调节电路。

（1）单片机电路。单片机电路以STC89C52RC单片机为核心元件，5V电源可由手机充电器提供。C1、C2、X1构成时钟电路。C3、R1和与C3并联的按键共同构成按键复位电路。

（2）按键控制电路。按键控制电路由3个独立按键组成，用于人机操作。其中，KEY1用于选择白天、夜间和高温、低温，4个状态循环出现。KEY2用于设置温升，每按一次，温度升高1℃。KEY3用于设置温降，每按一次，温度降低1℃。

（3）检测电路。检测电路包括温度检测电路和光照度检测电路。温度检测电路由数字温度传感器DS18B20和R2组成，DS18B20是DALLAS公司生产的一种单总线数字式温度传感器。其主要特性是使用一个端口引脚和一条地线与单片机接口，一条总线就可以发送或接收信息，数据以串行方式传送;每个DS18B20都有一个唯一的ROM序列号，所以可以将多个DS18B20关联接在一根单总线上，实现多点分布测温应用;测温范围为-55℃～+125℃，测量分辨率为9位～12位，最大转换时间为750ms;用户可以设置报警温度上下限值;不需要其他外围元件即可测温。

光照度检测电路由光敏电阻LDR和由555定时器组成的开关电路构成。随着光照度增大，LDR的阻值下降。当外界光照度为15LUX时，RLDR=12.5kΩ，RV1上的压降=5*5/（5+12.5）=1.43V，低于1/3Vcc，则555定时器的3脚输出1，系统判定此时外界为夜间。当外界光照度为90LUX时，RLDR=RLDR=2.5Ω，RV1上的压降=5*5/（5+2.5）=3.34V，高于2/3Vcc，则555定时器的3脚输出0，系统判定此时外界为白天。

（4）数据显示电路。数据显示电路由数码显示器和片选电路组成。该电路既能显示大棚内的温度，又能显示系统的工作状态。当温度调节系统不动作时显示1，当加热系统工作时（即棚内正在升温）显示0，当冷却系统工作时显示2（即棚内正在降温）。当按键控制电路工作时，数据显示电路实时显示按键输入的状态和数据。

（5）温度调节电路。温度调节电路包括加热和冷却电路。单片机P2.0、P2.1输出信号通过驱动电路驱动继电器，控制继电器的通断，用以控制温度调节执行元件工作与否。当OUT1或OUT2为低电平时，继电器RL2或RL3吸合，加热装置或冷却电机动作，否则继电器断开，温度调节装置不动作。

三、温控系统的软件设计

1.总体设计思路

葡萄大棚温控系统软件运用C语言进行程序设计，由主函数main（）、显示函数display（）、温度采集函数ReadTemperature（）、键盘输入函数zi_keyscan（）、自动温控函数zi_dong（）。系统软件设计流程图如图3所示。

程序初始将单片机各个参数初始化，应用数字式温度传感器 DS18B20采集大棚内的温度，同时在数码管上显示当前温度。应用光敏电阻电路检测光照度，判断当前是白天还是黑夜。然后，将当前温度值与设定的温度值进行比较，如果高于设定温度就进入模式2，数码管最左一位显示“2”，同时启动冷却泵;如果低于设定温度就进入模式0，数码管最左一位显示“0”，启动加热管;否则一直处于模式1，数码管最左一位显示“1”，温度调节装置不工作。

2.子程序设计思路

（1）温度检测电路。采用DS18B20进行温度采集，单片机通过单总线（P2.2）对DS18B20进行操作。操作过程如下：初始化、写操作、读操作、存储器操作命令、数据处理。DS18B20初始化主要是对单总线进行复位。

写操作是将控制指令写入寄存器。DS18B20的指令有：读ROM（33H），匹配ROM（55H），跳过ROM（CCH），搜索ROM（F0H），报警搜索（ECH），稳定转换（44H），度暂存器（BEH），写暂存器（4EH），复制暂存器（48H），重调E2PROM（B8H），读供电方式（B4H）。现简要介绍本设计用到的指令。

CCH——跳过ROM指令。每片DS18B20对应一个唯一的ROM系列号，因为此次设计只使用一片DS18B20，因此采用跳过ROM（0XCC）忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令。

44H——温度转换指令。启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位93.75ms）。结果存入内部9字节的RAM中。

BEH——读暂存器指令。读内部RAM中9字节的温度数据。

子程序清单略。

（2）按键设置子程序。按键设置子程序采用3个按键，进行4个数值的设置，分别为白天上限、下限温度和夜间上限、下限温度，由按键扫描子程序zi_keyscan（）子程序提供软件支持。按下一次设置键K1，进入白天的温度上限设置，此时按下“加”键K2温度值加1，按下“减”键K3温度值减1。第二次按下K1，进入白天温度下限设置状态，加减设置同上。同理，第三次按下K1可設置夜间的温度上限，第四次按下K1可设置夜间的温度下限。第五次按下K1，退出温度设置状态，恢复到温度显示状态。

子程序清单略。

（3）自动温度控制子程序。根据大棚外的光照强弱，通过光敏电阻开关电路传送一个开关信号到单片机的P2.3，当输入信号为“0”时进入白天模式，程序调取白天温度的上、下限;当输入为“1”时进入夜间模式，程序调取夜间温度的上、下限。然后与当前大棚内的温度进行比较，如果棚内温度低于设定的最低温度，则进入模式0，启动加热管进行升温;如果棚内温度在设定温度的上、下限之间，则进入模式1，维持现状，温度调节装置不工作;如果棚内温度高于设定的最高温度时，则进入模式2，启动冷却泵进行降温。

子程序清单略。

（作者单位：福州第一技师学院）

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