一種簡易溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計

2．3 時鐘模塊
時鐘模塊采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302芯片，它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，同時具有閏年補償功能，工作電壓為2．5～5．5 V。采用三線接口與CPU進行同步通信。
2．4 鍵盤及顯示模塊
鍵盤模塊用于實現(xiàn)溫室控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。該模塊設(shè)置了四個獨立按鍵，鍵0為參數(shù)設(shè)置鍵，用于選擇不同的參數(shù)設(shè)置。鍵1，鍵2分別為++鍵，和--鍵，用于對所設(shè)參數(shù)進行遞增和遞減作用。鍵3為↑↓鍵，用于選擇上極限值和下極限值。顯示模塊用于實時顯示溫室控制環(huán)境中的參數(shù)。為降低溫室控制系統(tǒng)的硬件成本，該模塊選用了不帶字庫的HDG12864型的LCD液晶顯示器。為節(jié)省I／O口的使用數(shù)量，在本系統(tǒng)設(shè)計中選用串行方式與單片機進行連接。
2．5 通信模塊
通訊模塊用于下位機與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊，考慮到溫室不同的環(huán)境和不同用戶的需求，設(shè)計中采用RS232和RS485兩種總線方式來實現(xiàn)通訊，RS232串口通訊硬件電路實現(xiàn)簡單，只需將測控系統(tǒng)的串行接口與PC機的COM口相連即可，但是RS232傳輸速率較低，傳輸?shù)木嚯x短，只適合短距離通訊。RS485總線采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通訊，與RS232相比，其最高傳輸速率提高到10Mbps，且傳輸距離往往可達到1 200 M以上，適合較遠距離節(jié)點的通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)控制軟件采用模塊化的程序設(shè)計思想，將系統(tǒng)的整體功能分為不同的模塊，各個模塊單獨設(shè)計、編程、調(diào)試，完成之后進行系統(tǒng)總的聯(lián)調(diào)。本系統(tǒng)程序均采用C語言來進行編寫。整體上軟件程序主要完成信號采集運算、實時監(jiān)控、顯示、通信、參數(shù)設(shè)定、聲光報警等功能，主要包括主程序，系統(tǒng)初始化子程序，溫室參數(shù)采集子程序，時鐘子程序，報警子程序，按鍵掃描子程序，LED顯示子程序，數(shù)據(jù)控制處理子程序，數(shù)據(jù)存儲子程序和串口中斷服務(wù)程序等模塊。主程序控制流程如圖5所示。

3．1 溫室參數(shù)采集子程序
溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前向通道中，輸入信號均含有種種噪聲和干擾，為了對溫室環(huán)境參數(shù)進行準確的測量與控制，在軟件設(shè)計中采用去極值平均濾波法來去除噪聲和干擾。對每個傳感器采用10次，去除最大值和最小值，對剩余8次采樣數(shù)據(jù)進行求平均，即得到有效的采樣值。
3．2 數(shù)據(jù)存儲子程序
對由溫室控制系統(tǒng)所采集的各種數(shù)據(jù)信息的分析和處理是一個重要的環(huán)節(jié)，因此必須設(shè)計數(shù)據(jù)存儲程序。在軟件設(shè)計中，每隔十分鐘就對溫室所采集到的溫室環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度)及執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)進行存儲，在存儲器中分別占用1，1，2，2，1個字節(jié)。同時為了能夠清晰確定所采集數(shù)據(jù)的時刻，也對時間進行存儲，這里只存儲日，時，分，在存儲器中各自占用1個字節(jié)。STC89C55單片機內(nèi)部的EEPROM共有58個扇區(qū)，每個扇區(qū)可存儲512個字節(jié)。因此單片機可存儲大約58x512／10x24x(60／10)≈20天的數(shù)據(jù)。
3．3 數(shù)據(jù)控制處理子程序
由于溫室內(nèi)作物對于環(huán)境參數(shù)變化往往不是很敏感，而且從系統(tǒng)的成本和通用性來考慮，本系統(tǒng)采用簡單的閾值控制算法。即開始時系統(tǒng)會根據(jù)不同作物所處的最適宜環(huán)境來預設(shè)參數(shù)的閾值(上下限值)，然后系統(tǒng)通過傳感器來對環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，當所采集到的環(huán)境參數(shù)不在閾值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)就會控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)來改變溫室的環(huán)境參數(shù)，直到參數(shù)回到閾值范圍內(nèi)。

4 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試
為了驗證溫室控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性，在Proteus的ISIS7 Profession軟件環(huán)境下繪制出仿真電路原理圖。采用電流源來分別仿真一個光照度和一個CO2傳感器。由于Proteus自帶的元件庫中沒有STC系列單片機，在仿真過程中STC89C55BD+用AT89C55來代替，前者的性能優(yōu)于后者，一旦仿真電路能夠?qū)崿F(xiàn)，則實際電路更容易成功。將編寫的程序在Keil μVision3集成開發(fā)環(huán)境上編譯調(diào)試，生成相應(yīng)的HEX文件。通過相關(guān)設(shè)置，實現(xiàn)Proteus和Keil的聯(lián)合仿真。對系統(tǒng)的功能進行測試，以溫度控制為例，將溫度闞值上下限分別設(shè)定為15℃和25℃，當溫室溫度低于設(shè)定閾值下限時，蜂鳴器響，熱風爐風機開始工作。溫度高于閾值上限時，蜂鳴器響，天窗打開，濕簾風機和濕簾水泵開始工作，而當溫度處在閾值上下限之間范圍時，上述機構(gòu)都停止工作。當用按鍵改變溫度的閾值上下限時，也具有相同的仿真結(jié)果。對系統(tǒng)仿真調(diào)試成功后，用PROTEL設(shè)計印制電路板，經(jīng)過元器件的焊接、電路板的硬件調(diào)試、溫室硬件系統(tǒng)的搭建和程序下載等環(huán)節(jié)，便可進行溫室控制系統(tǒng)的整體調(diào)試。

5 結(jié)論
文中以STC89C55單片機為核心，設(shè)計了一種低成本的簡易溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對溫室環(huán)境中的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等各項參數(shù)進行實時準確的檢測、采集。并可以根據(jù)預設(shè)的參數(shù)來調(diào)節(jié)和控制溫室環(huán)境，以滿足不同植物的生長需求。經(jīng)測試運行證明該系統(tǒng)具有工作可靠，性能穩(wěn)定和操作簡單等特點，同時系統(tǒng)采用高性能，低成本的元器件，造價低廉，符合廣大農(nóng)業(yè)用戶的消費水平，具有良好的推廣應(yīng)用價值。