邵春聲

(常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002)

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溫室溫度測控電路在Proteus中的仿真實現(xiàn)

邵春聲

(常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002)

摘要：利用Proteus軟件對溫室溫度測控電路進(jìn)行了設(shè)計和仿真。在設(shè)計電路中，AT89C52單片機(jī)控制DS18B20數(shù)字溫度傳感器實時檢測溫室溫度，LCD1602液晶顯示器上顯示工作溫度設(shè)定值和實時檢測溫度，并按照溫度范圍控制理論實時控制溫室溫度，以保證溫室作物生長在適宜的溫度范圍中。該電路智能經(jīng)濟(jì)，穩(wěn)定可靠，安裝簡單，測量精度高，抗干擾性強(qiáng)，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：溫室溫度；測控電路；Proteus仿真

0引言

我國地大物博，是一個典型的農(nóng)業(yè)大國，國情決定了需要大力發(fā)展農(nóng)業(yè)科技，由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向之一[1],溫室又是設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。溫室又稱暖房，能透光、保溫，是用以栽培植物的人工設(shè)施。溫室作物生產(chǎn)與大田作物生產(chǎn)的主要區(qū)別是溫室中的小氣候環(huán)境可以根據(jù)作物生長的需要進(jìn)行實時控制[2]?，F(xiàn)代化溫室通過傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)，能自動調(diào)控溫室的環(huán)境，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、通風(fēng)等環(huán)境參數(shù)[3]，使溫室作物獲得比大田作物更優(yōu)的環(huán)境條件，達(dá)到優(yōu)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。

在影響作物生長發(fā)育的各環(huán)境參數(shù)中，溫度是最敏感的，也是最重要的環(huán)境參數(shù)之一。溫室在線控制系統(tǒng)按照控制方法，可將系統(tǒng)分為基于單片機(jī)控制、基于PLC控制、基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制、基于工控技術(shù)控制(IPC)和基于總線技術(shù)控制等幾類。本文設(shè)計了基于單片機(jī)的溫室溫度測控電路，對溫室溫度進(jìn)行實時檢測，以作物生長發(fā)育的適宜溫度為參考點進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，并最終在Proteus中進(jìn)行實時仿真驗證。

圖2　溫室溫度測控電路仿真截圖

1整體方案設(shè)計

傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)需要購置仿真器、編程器、示波器等電子設(shè)備。用戶需要在硬件完成后才能進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，如果調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)硬件錯誤需修改硬件，重新設(shè)計硬件電路板。上述過程有時需要重復(fù)多次，增加了開發(fā)成本，延長了開發(fā)周期，其高風(fēng)險和低效率的缺點顯而易見。

Proteus軟件實現(xiàn)了單片機(jī)仿真與Spice電路仿真相結(jié)合，用戶還可以實時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS-232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進(jìn)行交互式仿真調(diào)試。只要完成原理圖設(shè)計，軟件編程者就可以開始工作，不必再等實際的硬件物理原型出現(xiàn)。Proteus VSM包含了大量的虛擬儀器(如，示波器、邏輯分析儀、函數(shù)發(fā)生器等)，為仿真調(diào)試提供了強(qiáng)有力的支持[4]54。仿真工作取得滿意的調(diào)試結(jié)果后，再制作實際的硬件電路，大大減少了開發(fā)成本和開發(fā)時間，提高了硬件設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。

溫室溫度測控電路的整體方案設(shè)計如圖1所示。整個電路以主控芯片為控制核心，液晶顯示器實時顯示當(dāng)前的實際溫度和相應(yīng)的設(shè)定溫度，鍵盤進(jìn)行溫室溫度設(shè)定，利用COMPIM元件實現(xiàn)仿真電路與上位機(jī)的主從通信。溫度傳感器作為測量元件對溫室溫度進(jìn)行實時測量，即：當(dāng)溫度超過溫室工作溫度設(shè)定值時，升溫設(shè)備和降溫設(shè)備開始自動工作；當(dāng)溫度超過溫室報警溫度設(shè)定值時，超限報警器開始自動工作。

圖1　整體方案設(shè)計

2仿真電路設(shè)計

溫室溫度測控電路仿真圖如圖2所示。整個仿真圖包括主控芯片和配置電路、溫度檢測電路、溫度控制電路、液晶顯示電路、聲光報警電路、鍵盤輸入電路和主從通信電路。

2.1主控芯片和配置電路

主控芯片選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89C52，它是80C51單片機(jī)系列中的一種，低功耗，高性能，采用CHMOS工藝，片內(nèi)有8 kB的Flash E2PROM，256 B的RAM[5]。由于在工業(yè)測控領(lǐng)域使用極為廣泛，80C51單片機(jī)已成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

配置電路是為了滿足單片機(jī)能正常工作的最小電路組成，包括時鐘、復(fù)位、電源、存儲器選擇等電路，構(gòu)成了該單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路。由于需要串口通信，時鐘電路中的晶體選用11.059 2 MHz。復(fù)位電路選用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的簡單組合。存儲器選擇為單片機(jī)內(nèi)部的8 kB程序存儲器。

2.2鍵盤輸入電路

鍵盤輸入電路選擇4×4矩陣式鍵盤，以節(jié)約單片機(jī)有限的I/O引腳資源。按鍵包括0～9數(shù)字鍵、UP、DOWN、DOT、CLEAR、SET、OK等，可以完成作物適宜生長溫度參考值、工作溫度、報警溫度等參數(shù)設(shè)定和查詢。

2.3溫度檢測電路

目前，大多數(shù)傳感器都采用放大—傳輸—A/D轉(zhuǎn)換這種模式，一般占用單片機(jī)較多的I/O資源，限制了單片機(jī)的功能擴(kuò)展。一線總線技術(shù)很好地解決了這個問題。因此，溫度傳感器選用DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

DS18B20的溫度測量范圍為-55～+125 ℃，可編程為9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃[4]162。它具有3引腳的TO-92小體積封裝。DS18B20可以多個并聯(lián)到3根或2根線上，單片機(jī)只需1根I/O線就能與這些DS18B20進(jìn)行通信，即占用單片機(jī)I/O線較少，上述特點使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點溫度檢測系統(tǒng)。

2.4溫度控制電路

溫度控制電路通過1個繼電器啟停升溫設(shè)備(如電加熱器)，通過另外1個繼電器啟停降溫設(shè)備(如風(fēng)扇)。因仿真需要，采用紅色LED替代升溫設(shè)備，綠色LED替代降溫設(shè)備，發(fā)光代表設(shè)備啟動工作，熄滅代表設(shè)備停止工作。

作物不同時期生長的適宜溫度是一個溫度范圍。以西紅柿為例，緩苗期白天30～33 ℃、夜間18 ℃，開花期白天22～27 ℃、夜間15～18 ℃，結(jié)果期白天20～28 ℃、夜間12～17 ℃，果實膨大至成熟期白天22～30 ℃、夜間14～18 ℃[6]。采用溫度范圍控制理論能較好地控制溫度這個大慣性環(huán)境變量[7]，以免頻繁地啟動升溫設(shè)備和降溫設(shè)備，降低溫度波動，減少能量的無謂損耗，延長設(shè)備的使用壽命。

2.5聲光報警電路

當(dāng)實測溫度超過報警設(shè)定溫度時，聲光報警電路自動工作。聲音報警電路采用蜂鳴器仿真，當(dāng)其工作時會發(fā)出500 Hz的刺耳報警聲；燈光報警電路采用紅色LED仿真，當(dāng)其工作時會不停地閃爍，以此來提醒工作人員，溫室內(nèi)的溫度已大幅超過作物適宜的生長溫度。

2.6主從通信電路

主從通信電路的作用是為了中控室和溫室、溫室和溫室之間的聯(lián)網(wǎng)，上位機(jī)可通過各種網(wǎng)絡(luò)對溫室進(jìn)行實時參數(shù)監(jiān)控。

單片機(jī)與計算機(jī)的串口通信需要1個虛擬串口連接軟件。在虛擬情況下，Proteus通過COMPIM可以調(diào)用實際的串口和外部通信。調(diào)試時上位機(jī)選為COM1，使用虛擬串口設(shè)置和串口調(diào)試助手進(jìn)行操作，而下位機(jī)單片機(jī)選為COM2，將COMPIM設(shè)為COM2。

2.7液晶顯示電路

液晶顯示電路選用字符型液晶顯示模塊LCD1602，它具有功耗低，體積小，顯示內(nèi)容豐富，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點[4]229。LCD1602可顯示2行各16個字符，其中第1行顯示設(shè)定溫度值，第2行顯示實測溫度值。

目前，國際上字符型液晶顯示模塊已經(jīng)規(guī)范化，無論顯示屏的規(guī)格如何變化，它的電特性和接口形式都是統(tǒng)一的。因此，只要設(shè)計一種型號的接口電路，在指令設(shè)置上稍加改動即可使用各種規(guī)格的字符型液晶顯示模塊。

3軟件設(shè)計

3.1主程序

溫室溫度測控電路的單片機(jī)程序采用C語言編寫，分為主程序和各功能子程序。在主程序中分別調(diào)用初始化程序、鍵盤檢測程序、溫度檢測程序、液晶顯示程序、溫度控制程序、主從通信程序等。主程序流程圖如圖3所示。

圖3　主程序流程圖

單片機(jī)上電后，先進(jìn)行初始化，接著檢測有無鍵盤動作，然后使DS18B20檢測溫度，將參考溫度和實時溫度顯示在LCD1602上，并依據(jù)溫度比較結(jié)果啟動相應(yīng)的升降溫度設(shè)備和聲光報警，隨后將實測溫度數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，最后返回到鍵盤檢測處進(jìn)行無限循環(huán)。

3.2溫度采集子程序

作物的環(huán)境溫度是依靠DS18B20溫度傳感器檢測的。當(dāng)溫度傳感器收到單片機(jī)送來的溫度轉(zhuǎn)換命令后，啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的0、1字節(jié)。單片機(jī)通過一線總線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。DS18B20讀溫度子程序流程圖見圖4。

單片機(jī)再將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)換成實際的溫度值，本文中對數(shù)據(jù)的小數(shù)進(jìn)行四舍五入，保留了1位小數(shù)，即溫度精確到0.1 ℃。

圖4　DS18B20讀溫度子程序流程圖

3.3溫度控制子程序

作物生長的適宜溫度是一個范圍值，而且不同生長時期的范圍值也不相同，所以在作物每個生育期都有5個溫度參考值，分別為工作溫度設(shè)定值、工作溫度上限值、工作溫度下限值、報警溫度上限值、報警溫度下限值。

溫度控制子程序采用溫度范圍控制理論，其流程圖如圖5所示。

圖5　溫度控制子程序流程圖

假定作物處在某一生長時期，當(dāng)實測溫度處于工作溫度下限值和工作溫度上限值范圍內(nèi)時，即作物生長在它適宜的溫度范圍內(nèi)，所以升溫設(shè)備和降溫設(shè)備均不啟動；當(dāng)實測溫度高于工作溫度上限值時，降溫設(shè)備啟動，開始進(jìn)行降溫；當(dāng)實測溫度低于工作溫度下限值時，升溫設(shè)備啟動，開始進(jìn)行升溫；當(dāng)實測溫度高于報警溫度上限值時，聲光報警電路啟動，發(fā)出聲音和燈光報警信息，提醒工作人員，同時降溫設(shè)備啟動；當(dāng)實測溫度低于報警溫度下限值時，聲光報警電路啟動，發(fā)出聲音和燈光報警信息，提醒工作人員，同時升溫設(shè)備啟動。

在KEIL C中用C語言編制完整程序，編譯生成單片機(jī)可識別的HEX文件，在Proteus軟件中將HEX文件加載到AT89C52單片機(jī)中，在上位機(jī)中打開串口調(diào)試軟件[8]。在Proteus中開始運(yùn)行仿真，針對不同的采樣溫度，溫室溫度測控電路都會做出正確的動作，同時可以從串口調(diào)試軟件上看到從單片機(jī)送來的實時溫度數(shù)據(jù)，部分仿真結(jié)果見圖2。

4結(jié)語

本文使用Proteus軟件對溫室溫度測控電路進(jìn)行設(shè)計，并最終仿真實現(xiàn)。AT89C52單片機(jī)控制DS18B20溫度傳感器對溫室溫度進(jìn)行實時檢測，在LCD1602液晶顯示器上顯示工作溫度設(shè)定值和實時檢測溫度，按照溫度范圍控制理論實時控制溫室溫度，以保證作物生長在適宜的溫度范圍。該電路是一種經(jīng)濟(jì)、智能的方案，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，安裝簡單，測量精度高，抗干擾性強(qiáng)，同時本電路還可以應(yīng)用到其他相似的環(huán)境中進(jìn)行溫度檢測，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

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責(zé)任編輯：陳亮

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Simulation of a Greenhouse Temperature Measurement and Control Circuit on Proteus

SHAO Chunsheng

(School of Electronic Information and Photoelectronic Engineering,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

Abstract：A greenhouse temperature measurement and control circuit was designed and simulated on Proteus.In the circuit,the single chip microcomputer AT89C52 controlled digital temperature sensor DS18B20 for real-time greenhouse temperature detection,and displayed the working temperature reference value and real-time detection temperature on LCD1602.Meanwhile,it controlled the greenhouse temperature in real-time according to temperature range control theory so as to guarantee the greenhouse crop growth in the appropriate temperature range.The circuit is intelligent and economical,stable and reliable with simple installation,high measurement precision and strong anti-jamming,which has many applications.

Key words：greenhouse temperature;measurement and control circuit;simulation on Proteus

中圖分類號：S24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)01- 0020- 05

作者簡介：邵春聲(1977—)，男，碩士，講師。

基金項目：科學(xué)技術(shù)部國家級星火計劃項目(2014GA690173)

收稿日期：2015- 04-10

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.005