摘要：針對研究蔬菜大棚智能溫濕度控制，設(shè)計了一種基于計算機自動控制的智能蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)。詳細闡述了該系統(tǒng)的溫濕度采集、溫濕度顯示、控制系統(tǒng)等系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計思想，以DS18B20和HM1500LF作為溫濕度傳感器，以AT89S52單片機為系統(tǒng)核心，最后利用DELPHI軟件進行系統(tǒng)仿真。該研究設(shè)計的蔬菜大棚智能溫濕度控制系統(tǒng)人機界面良好，操作簡單方便，自動化程度高，造價低廉，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值。
關(guān)鍵詞：溫度采集；濕度采集；LCD顯示；單片機

0 引言
    植物的生長都是在一定的環(huán)境中進行的，在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中影響最大的是溫度和濕度。若晝夜的溫度和濕度變化很大，其對植物生長極為不利。因此必須對溫度和濕度進行監(jiān)測和控制，使其適合植物的生長，以提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。
    本系統(tǒng)就是針對大棚內(nèi)溫度、濕度，研究單片機控制的溫室大棚自動控制，綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經(jīng)濟性要求多方面因素之后，設(shè)計一種基于計算機自動控制的大棚溫濕度控制系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)實現(xiàn)的蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)的目標功能如下：
    (1)系統(tǒng)能對大棚環(huán)境溫濕度進行采集和顯示(現(xiàn)場觀溫、濕度，軟件記錄)。
    (2)能通過上位機端遠程設(shè)定蔬菜的生長期適宜溫濕度。由主控機統(tǒng)一設(shè)置系統(tǒng)時間和溫度濕度修正值。
    (3)當大棚的環(huán)境溫濕度參數(shù)超過設(shè)定的上下限值時控制相應(yīng)的系統(tǒng)啟動。
    (4)可實時顯示當前溫度、時間、報警閾值等信息，并可查詢各時間段的溫濕度情況，并加以控制。

1 系統(tǒng)各組成模塊
    本系統(tǒng)通過溫度傳感器DS18B20采集溫度，HM1500LF采集濕度，經(jīng)過含有單片機的檢測系統(tǒng)的進一步分析處理，通過通信線路將信息上行到PC機，在PC機上可對溫濕度信號進行任何分析、處理。用戶可以通過下位機中的鍵盤輸入溫濕度的上下限值和預(yù)置值，也可以通過上位機進行輸入，從而實現(xiàn)上位機對大棚內(nèi)作物生長的遠程控制。如果環(huán)境的實時參數(shù)超越上下限值，系統(tǒng)自動啟動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度和濕度狀態(tài)，直到溫濕度狀態(tài)處于上下限值內(nèi)為止。如果有預(yù)置初值，且與當前狀態(tài)不相等時，系統(tǒng)也會啟動執(zhí)行機構(gòu)實時動態(tài)調(diào)節(jié)溫濕度狀態(tài)，直到所處的平衡狀態(tài)與預(yù)置值相等為止。
    上位機即PC機使用DELPHI軟件編寫的一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可直接設(shè)置溫度的上下限值和讀取下位機的數(shù)據(jù)，并對下位機內(nèi)的控制設(shè)備進行操作，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫濕度狀態(tài)。形成作物生長的走勢圖，從而通過生長走勢圖得出適合各種作物生長的最佳環(huán)境參數(shù)條件，為今后的溫室種植提供參考。
    上下位機之間通過符合串行總線RS 232標準的通信通道以事先約定的協(xié)議進行通信。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 總體電路及工作過程說明
    使用智能溫度傳感器DS18B20進行組網(wǎng)來測量各個采集點的溫度，HM1500LF來采集濕度，單片機AT89S52作為該系統(tǒng)的處理核心，單片機根據(jù)溫濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，把各個測量點的溫濕度存儲并顯示在LCD液晶顯示器上，同時顯示在PC機上。

3 數(shù)據(jù)采集模塊
    本模塊主要采用DS18B20采集溫度，HM1500LF采集濕度，由單片機AT89S52作總的控制并顯示與傳輸。具體原理圖如圖2所示。

3．1 溫度傳感器DS18B20
    DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，采用的是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)的輸入、輸出都通過同一條線，因此對時序有很高的要求，為了保證時序，需要做精確的延時，較短的延時可以通過用_nop_()來實現(xiàn)，根據(jù)DS18B20的讀寫時序，用到的延時有15μs，45μs，90μs，270μs，540μs等，因這些延時為15μs的整數(shù)倍，因此可編寫一個Delay15(n)函數(shù)，用該函數(shù)進行大約15μs×n的延時，非常方便。程序如下：
   
    有了比較精確的延時保證，就可以對DS18B20進行初始化、數(shù)據(jù)寫、數(shù)據(jù)讀。根據(jù)時序圖，不難寫出相應(yīng)的函數(shù)。
3．2 濕度傳感器HM1500LF
    濕度傳感器HM1500LF是法國Humirel公司生產(chǎn)的一種低價位的線性電壓輸出濕度傳感器，HM1500LF的測濕元件選用濕敏電容，利用電容量與相對濕度的函數(shù)關(guān)系即可測量濕度。DS2450是美國Dallas公司最新推出的一種符合單總線協(xié)議的可組網(wǎng)集成A／D芯片，四個濕度傳感器分別接到一片DS2450的四個模擬電壓輸入通道A，B，C，D上，電路采用+5 V電源供電，必須在上電完畢后向地址1CH寫入40H，使模擬電路永久地保持在工作狀態(tài)。利用該電路濕度檢測信號在測量現(xiàn)場就被直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此HM1500LF和DS2450組合在一起，就構(gòu)成一個單總線數(shù)字濕度傳感器模塊。

4 單片機軟件
    整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的相應(yīng)子程序模塊就大體定下來了。單片機程序組成如圖3所示。

4．1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計
    主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，在程序運行的過程中必須先經(jīng)過初始化，流程圖如圖4所示。系統(tǒng)在初始化完成后就進入溫度測量程序，實時地測量當前的溫度并通過顯示電路在LCD上顯示。程序中以中斷的方式來重新設(shè)定溫度的上下限。根據(jù)硬件設(shè)計完成對溫度的控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體流程圖如圖4所示。

4．2 DS18B20的子程序模塊
    DS18B20子程序調(diào)用要經(jīng)過三個步驟：初始化、ROM操作指令、DS18B20功能指令。
    DS18B20的每一次操作都必須滿足以上步驟，若是缺少步驟或是順序混亂，器件將不會返回值。例如這樣的順序：發(fā)起ROM搜索指令[F0h]和報警搜索指令[ECh]之后，總線控制器必須返回初始化。
4．3 LCD液晶顯示子程序模塊
    液晶的使用首先要復(fù)位，其分為內(nèi)部RESET電路復(fù)位和指令程序進行初始化。內(nèi)部電路復(fù)位對電源的要求要滿足如表1，圖5所示的條件才能復(fù)位，否則只能用程序進行復(fù)位。

4．4 串口通信子程序
    單片機和通用微機進行通信時，首先要設(shè)置串行口的波特率為9 600 b／s，1位停止位，無奇偶校驗。串口通信程序可以采用查詢和中斷的方式，由于單片機發(fā)送子程序的查詢和中斷方式的資源占用是一樣的，故發(fā)送采用查詢，接收子程序采用中斷。
4．5 PC機的上層軟件
    上位機軟件采用Borland Delphi編寫。Delphi是Borland公司研制的新一代可視化開發(fā)工具，具有良好的數(shù)據(jù)庫訪問能力，是一個非常強大靈活的應(yīng)用程序開發(fā)組件的集合。
    上位機軟件主要由實時監(jiān)測模塊、大棚信息模塊、智能控制模塊、環(huán)境參數(shù)設(shè)置模塊、作物長勢記錄模塊和直接控制模塊6大模塊組成，用戶可以通過界面內(nèi)作物生長的走勢圖得出最適合作物生長的環(huán)境條件。上位機軟件控制界面友好，操作簡單明了，十分適合用戶操作。如圖6所示。

5 結(jié)語
    本文結(jié)合溫濕度測控多點、遠程、高精度等要求設(shè)計了一個具有較高精度，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信的多點溫濕度控制系統(tǒng)，以滿足大棚溫室溫濕度控制需要。相對于其他的溫度控制系統(tǒng)，本設(shè)計注意了對大棚溫濕度控制系統(tǒng)性能的提高，注重溫濕度控制的遠程化，合理考慮系統(tǒng)的制作成本和使用的方便性。本系統(tǒng)控制界面友好、操作簡單，數(shù)據(jù)顯示采用表格或圖形的形式，使用戶更方便地查看，同時下位機監(jiān)測點可根據(jù)需要再擴展，系統(tǒng)性價比較高，有較好的實用性。