基于单片机的大棚温湿度控制系统设计

摘要：针对研究蔬菜大棚智能温湿度控制，设计了一种基于计算机自动控制的智能蔬菜大棚温湿度控制系统。详细阐述了该系统的温湿度采集、温湿度显示、控制系统等系统软硬件的设计思想，以DS18B20和HM1500LF作为温湿度传感器，以AT89S52单片机为系统核心，最后利用DELPHI软件进行系统仿真。该研究设计的蔬菜大棚智能温湿度控制系统人机界面良好，操作简单方便，自动化程度高，造价低廉，具有良好的应用前景和推广价值。
关键词：温度采集；湿度采集；LCD显示；单片机

0 引言
    植物的生长都是在一定的环境中进行的，在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中影响最大的是温度和湿度。若昼夜的温度和湿度变化很大，其对植物生长极为不利。因此必须对温度和湿度进行监测和控制，使其适合植物的生长，以提高其产量和质量。
    本系统就是针对大棚内温度、湿度，研究单片机控制的温室大棚自动控制，综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求多方面因素之后，设计一种基于计算机自动控制的大棚温湿度控制系统。
    本系统实现的蔬菜大棚温湿度控制系统的目标功能如下：
    (1)系统能对大棚环境温湿度进行采集和显示(现场观温、湿度，软件记录)。
    (2)能通过上位机端远程设定蔬菜的生长期适宜温湿度。由主控机统一设置系统时间和温度湿度修正值。
    (3)当大棚的环境温湿度参数超过设定的上下限值时控制相应的系统启动。
    (4)可实时显示当前温度、时间、报警阈值等信息，并可查询各时间段的温湿度情况，并加以控制。

1 系统各组成模块
    本系统通过温度传感器DS18B20采集温度，HM1500LF采集湿度，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上可对温湿度信号进行任何分析、处理。用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机进行输入，从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚内温度和湿度状态，直到温湿度状态处于上下限值内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构实时动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。
    上位机即PC机使用DELPHI软件编写的一个数据库管理系统，可直接设置温度的上下限值和读取下位机的数据，并对下位机内的控制设备进行操作，调节大棚内温湿度状态。形成作物生长的走势图，从而通过生长走势图得出适合各种作物生长的最佳环境参数条件，为今后的温室种植提供参考。
    上下位机之间通过符合串行总线RS 232标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。系统原理图如图1所示。

2 总体电路及工作过程说明
    使用智能温度传感器DS18B20进行组网来测量各个采集点的温度，HM1500LF来采集湿度，单片机AT89S52作为该系统的处理核心，单片机根据温湿度传感器检测到的数据，把各个测量点的温湿度存储并显示在LCD液晶显示器上，同时显示在PC机上。

3 数据采集模块
    本模块主要采用DS18B20采集温度，HM1500LF采集湿度，由单片机AT89S52作总的控制并显示与传输。具体原理图如图2所示。

3．1 温度传感器DS18B20
    DS18B20是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器，采用的是单总线数据传输方式，数据的输入、输出都通过同一条线，因此对时序有很高的要求，为了保证时序，需要做精确的延时，较短的延时可以通过用_nop_()来实现，根据DS18B20的读写时序，用到的延时有15μs，45μs，90μs，270μs，540μs等，因这些延时为15μs的整数倍，因此可编写一个Delay15(n)函数，用该函数进行大约15μs×n的延时，非常方便。程序如下：
   
    有了比较精确的延时保证，就可以对DS18B20进行初始化、数据写、数据读。根据时序图，不难写出相应的函数。
3．2 湿度传感器HM1500LF
    湿度传感器HM1500LF是法国Humirel公司生产的一种低价位的线性电压输出湿度传感器，HM1500LF的测湿元件选用湿敏电容，利用电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。DS2450是美国Dallas公司最新推出的一种符合单总线协议的可组网集成A／D芯片，四个湿度传感器分别接到一片DS2450的四个模拟电压输入通道A，B，C，D上，电路采用+5 V电源供电，必须在上电完毕后向地址1CH写入40H，使模拟电路永久地保持在工作状态。利用该电路湿度检测信号在测量现场就被直接转换为数字信号，因此HM1500LF和DS2450组合在一起，就构成一个单总线数字湿度传感器模块。

4 单片机软件
    整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的相应子程序模块就大体定下来了。单片机程序组成如图3所示。

4．1 系统的主程序设计
    主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，流程图如图4所示。系统在初始化完成后就进入温度测量程序，实时地测量当前的温度并通过显示电路在LCD上显示。程序中以中断的方式来重新设定温度的上下限。根据硬件设计完成对温度的控制。系统软件设计的总体流程图如图4所示。

4．2 DS18B20的子程序模块
    DS18B20子程序调用要经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、DS18B20功能指令。
    DS18B20的每一次操作都必须满足以上步骤，若是缺少步骤或是顺序混乱，器件将不会返回值。例如这样的顺序：发起ROM搜索指令[F0h]和报警搜索指令[ECh]之后，总线控制器必须返回初始化。
4．3 LCD液晶显示子程序模块
    液晶的使用首先要复位，其分为内部RESET电路复位和指令程序进行初始化。内部电路复位对电源的要求要满足如表1，图5所示的条件才能复位，否则只能用程序进行复位。

4．4 串口通信子程序
    单片机和通用微机进行通信时，首先要设置串行口的波特率为9 600 b／s，1位停止位，无奇偶校验。串口通信程序可以采用查询和中断的方式，由于单片机发送子程序的查询和中断方式的资源占用是一样的，故发送采用查询，接收子程序采用中断。
4．5 PC机的上层软件
    上位机软件采用Borland Delphi编写。Delphi是Borland公司研制的新一代可视化开发工具，具有良好的数据库访问能力，是一个非常强大灵活的应用程序开发组件的集合。
    上位机软件主要由实时监测模块、大棚信息模块、智能控制模块、环境参数设置模块、作物长势记录模块和直接控制模块6大模块组成，用户可以通过界面内作物生长的走势图得出最适合作物生长的环境条件。上位机软件控制界面友好，操作简单明了，十分适合用户操作。如图6所示。

5 结语
    本文结合温湿度测控多点、远程、高精度等要求设计了一个具有较高精度，能够实现远距离通信的多点温湿度控制系统，以满足大棚温室温湿度控制需要。相对于其他的温度控制系统，本设计注意了对大棚温湿度控制系统性能的提高，注重温湿度控制的远程化，合理考虑系统的制作成本和使用的方便性。本系统控制界面友好、操作简单，数据显示采用表格或图形的形式，使用户更方便地查看，同时下位机监测点可根据需要再扩展，系统性价比较高，有较好的实用性。