李曉歌 , 李 娜
(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源與智能工程學(xué)院,河南 鄭州 450000;2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,河南 漯河 462000)
煙草是我國(guó)一種非常重要的經(jīng)濟(jì)作物,育苗是整個(gè)煙草種植過(guò)程中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。溫濕度對(duì)煙草的育苗質(zhì)量影響非常大。目前的育苗大棚,大多是通過(guò)用一些溫度或者濕度測(cè)試儀器,如溫度計(jì)、濕度試紙等,來(lái)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行人工檢測(cè)[1]。這種檢測(cè)方法工作量非常大,而且檢測(cè)的時(shí)間受人為因素的影響較大,對(duì)棚內(nèi)溫濕度的變化不能及時(shí)監(jiān)測(cè)及調(diào)整。尤其隨著規(guī)?;N植逐漸成為趨勢(shì),這種檢測(cè)方式的弊端就更成為急需解決的問(wèn)題。
課題組將單片機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等應(yīng)用到了煙草育苗中,設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)[2]。以單片機(jī)為控制核心,監(jiān)測(cè)煙草育苗大棚的實(shí)時(shí)溫濕度,把溫濕度數(shù)值顯示在液晶屏上,讓檢測(cè)人員不用進(jìn)入育苗大棚就可觀察到溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如果監(jiān)測(cè)到溫濕度超過(guò)所設(shè)定的范圍,就會(huì)現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程報(bào)警,以便于及時(shí)調(diào)整育苗大棚的溫濕度。
通過(guò)對(duì)煙草育苗大棚的實(shí)地考察,與煙農(nóng)交流,了解育苗的基本過(guò)程、育苗溫濕度控制關(guān)鍵點(diǎn)、大棚中溫濕度變化特點(diǎn)。在綜合考慮系統(tǒng)功能與成本的基礎(chǔ)之上,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì),基本框圖如圖1所示[3]。系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心器件構(gòu)成主控模塊,由溫濕度傳感器DHT11完成大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的采集,將其傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),單片機(jī)分析并處理接收到的信號(hào)后發(fā)送到顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。設(shè)置模塊用來(lái)設(shè)置溫濕度的上限值和下限值,溫濕度超出設(shè)置范圍時(shí)報(bào)警模塊報(bào)警,同時(shí)通過(guò)GSM通信模塊發(fā)送信息給管理人員。
圖1 系統(tǒng)框圖
主控模塊采用STC89C51單片機(jī)。STC89C51是一款使用非常廣泛的高性能CMOS 8位微控制器,具有4K字節(jié)系統(tǒng)可編程閃存,實(shí)際工作頻率可達(dá)48 MHz??刂破饔?7個(gè)通用I/O口,10位精度ADC功能,2個(gè)16 位定時(shí)器,在完全滿足功能需求的基礎(chǔ)上,具有較高的性價(jià)比。設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示,最小系統(tǒng)主要包含單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路和振蕩電路。
圖2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖
1)電源模塊為系統(tǒng)運(yùn)行提供穩(wěn)定的電壓,考慮到系統(tǒng)在田野戶外使用的特點(diǎn),設(shè)計(jì)電源模塊為外接5 V直流電源輔助太陽(yáng)能充電方式。充電模塊主要由太陽(yáng)能板、可充電電池、升壓部分組成。充電電池3.7 V的電壓通過(guò)升壓部分升壓為5 V后可為整個(gè)系統(tǒng)供電[4]。
2)晶振電路由晶體振蕩器Y1和C3、C4構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路組成,為單片機(jī)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào),本系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。
3)復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位結(jié)合的方式。對(duì)于上電自動(dòng)復(fù)位,應(yīng)合理選擇R和C值使高電平至少維持兩個(gè)機(jī)器周期。一般URST大于3 V就能使單片機(jī)可靠復(fù)位,本設(shè)計(jì)復(fù)位電路中選用的電阻R11為10 kΩ,電容C1為10 μF,因此充放電電路的時(shí)間常數(shù)為100 ms,復(fù)位時(shí)間約等于0.511RC≈51 ms,對(duì)振蕩頻率為12 MHz,機(jī)器周期為1 μs的單片機(jī),滿足復(fù)位時(shí)間的要求。
溫濕度傳感器的選擇及布局需考慮要測(cè)量的溫濕度數(shù)據(jù)區(qū)間、測(cè)量面積的大小。煙草育苗目前大部分使用漂浮育苗,種子播種在填充了基質(zhì)的深度為8 mm~10 mm的育苗托盤(pán)中,大棚底部有15 cm~18 cm的水,托盤(pán)漂浮于水中。在幼苗發(fā)芽之前,大棚中的溫度應(yīng)該保持在20 ℃~22 ℃,空氣相對(duì)濕度保持為85%~87%。在幼苗長(zhǎng)成大十字之前,大棚內(nèi)部的溫度保持在22 ℃~24 ℃,相對(duì)空氣濕度為80%~84%。在幼苗長(zhǎng)成大十字到移栽之前,大棚中的溫度保持在25 ℃~27 ℃,相對(duì)濕度為78%~82%。因此,煙草育苗棚的最佳生長(zhǎng)環(huán)境溫度范圍為20 ℃~27 ℃,濕度范圍為78%~87%RH。DHT11溫度測(cè)量范圍是0~50 ℃,濕度是5%~95%RH,滿足溫濕度范圍[5]。本設(shè)計(jì)針對(duì)的對(duì)象為中小型育苗棚,棚的大小約為20.5 m×5.4 m×2 m,DHT11最大信號(hào)傳輸距離為20 m,兼顧到大棚的面積及溫濕度分布特點(diǎn),給每個(gè)大棚均勻放置兩個(gè)溫濕度傳感器,放置在距離托盤(pán)10 cm處[6]。DHT11的電路圖如圖3所示,其中電源引腳VDD接5 V電源,引腳DATA與單片機(jī)的P1.0引腳連接,引腳NC懸空,GND為接地端。
圖3 DHT11電路圖
單片機(jī)通過(guò)P1.0引腳完成和DHT11的狀態(tài)交互和數(shù)據(jù)傳輸。總線空閑狀態(tài)為高電平,首先主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),拉低時(shí)間必須在18 ms以上,只有這樣DHT11才可以檢測(cè)到起始的信號(hào)。DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后拉低總線并發(fā)送80 μs低電平響應(yīng)信號(hào)來(lái)告訴主機(jī)此時(shí)的DHT11正常,之后DHT11拉高總線80 μs左右,開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。DHT11高低電平的長(zhǎng)短決定了數(shù)據(jù)位是0還是1,并且每一位數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時(shí)隙開(kāi)始。數(shù)據(jù)“0”是拉低總線50 μs然后拉高總線25 μs;數(shù)據(jù)“1”是先拉低總線50 μs,然后再拉高總線70 μs。
在本系統(tǒng)中所采用的液晶顯示模塊為 LCD1602,它是一種點(diǎn)陣液晶。該模塊界面簡(jiǎn)潔、使用方便、功耗低,價(jià)格也很便宜。LCD可以顯示16×2個(gè)字符,本設(shè)計(jì)通過(guò)自動(dòng)切換屏幕的方式顯示所有的數(shù)據(jù)[7]。
LCD1602的電路圖如圖4所示。8位數(shù)據(jù)總線DB0~DB7,連接單片機(jī)的I/O口,接收單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并顯示。本設(shè)計(jì)中LCD1602液晶顯示器的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)STC89C51的接口P0.0~P0.7相連。有RS、R/W和E三個(gè)控制端口,RS是數(shù)據(jù)命令選擇端,與單片機(jī)接口P2.7相連,控制在高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器,低電平時(shí)選擇指令寄存器;R/W是讀寫(xiě)選擇端,讀數(shù)據(jù)用于檢測(cè)液晶是否處于忙狀態(tài),本系統(tǒng)程序用延時(shí)完成數(shù)據(jù)分時(shí)傳送,因此此端接地;E是使能信號(hào),與單片機(jī)接口P2.6相連。
圖4 LCD1602模塊電路圖
系統(tǒng)報(bào)警模塊通過(guò)蜂鳴器和發(fā)光二極管分別實(shí)現(xiàn)聲音和光線報(bào)警。管理員設(shè)置溫濕度的上下限后,系統(tǒng)中的溫濕度傳感器模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,和設(shè)置值對(duì)比后,如果不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),系統(tǒng)會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警[8]。
燈光報(bào)警電路如圖5所示,四個(gè)LED燈分別與單片機(jī)的P2.0、P2.2、P2.4、P2.5引腳相連,超限情況發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)引腳輸出低電平,對(duì)應(yīng)的二極管點(diǎn)亮。第一個(gè)紅色LED1燈亮?xí)r代表溫度值過(guò)高,第一個(gè)綠色LED2燈亮代表溫度過(guò)低;當(dāng)?shù)诙€(gè)紅色LED3燈亮?xí)r代表濕度值過(guò)高,第二個(gè)綠色LED4燈亮代表濕度過(guò)低。
圖5 報(bào)警燈電路圖
圖6 蜂鳴器電路圖
蜂鳴器電路如圖6所示,通過(guò)一個(gè)PNP型三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,三極管基極與單片機(jī)的P3.2連接,當(dāng)溫濕度超限時(shí),此引腳輸出低電平,三極管導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。
通信模塊用GSM模塊實(shí)現(xiàn)溫濕度超限時(shí)給管理人員發(fā)送信息。系統(tǒng)選用的GSM模塊是SIM800L。SIM800L模塊的串口引腳是TTL電平,所以可以與單片機(jī)直接相連實(shí)現(xiàn)串口通信,單片機(jī)的TXD引腳與模塊的RXD連接,單片機(jī)的RXD與模塊的TXD連接,二者的GND在一起,就可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與模塊的通信[9]。模塊電路圖及與單片機(jī)的連接方式如圖7所示,其中 SIM-TXD引腳與單片機(jī)P3.0連接,SIMRXD與單片機(jī)P3.1連接。
圖7 SIM800L模塊電路圖
為實(shí)現(xiàn)中文信息發(fā)送,系統(tǒng)使用PDU模式發(fā)送短信,要實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送功能,需要設(shè)置編碼格式,并根據(jù)該格式進(jìn)行信息整理。首先要把漢字轉(zhuǎn)換為Unicode字符,然后把SMSC地址信息、地址格式、目標(biāo)號(hào)碼、編碼方式、用戶信息等所有短信信息編排成PDU串,再加上相關(guān)格式說(shuō)明,構(gòu)成完整的信息串,然后通過(guò)串口發(fā)送。
設(shè)置模塊使用按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度上下限的設(shè)置操作。設(shè)置模塊按鍵電路如圖8所示。模塊由S2、S3、S4三個(gè)按鍵組成,分別連接單片機(jī)的P1.1、P1.5、P1.6口。S2鍵按下進(jìn)入數(shù)據(jù)設(shè)置狀態(tài),通過(guò)在程序中所設(shè)置模式變量記錄的S2按下的次數(shù),分別進(jìn)入不同的設(shè)置模式。按下一次時(shí)模式值為一,進(jìn)入設(shè)置溫度上限值模式;按下兩次時(shí)模式值為二,進(jìn)入設(shè)置濕度上限值模式;按下三次時(shí)模式值為三,進(jìn)入設(shè)置溫度下限值模式;按下四次時(shí)模式值為四,進(jìn)入設(shè)置濕度下限值模式;按下五次時(shí)模式值歸零,進(jìn)入初始顯示狀態(tài)。S3、S4按鍵在模式不為零時(shí)有效,根據(jù)模式值通過(guò)按下次數(shù),按S3提高閾值,按S4降低閾值。
圖8 設(shè)置模塊按鍵電路圖
系統(tǒng)軟件在keil中調(diào)試通過(guò)后,配合Proteus仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)調(diào)及仿真。仿真電路如圖9所示。在仿真實(shí)驗(yàn)中,由于無(wú)法獲取真正環(huán)境的溫濕度值,溫濕度值的變化用直接設(shè)置兩個(gè)DHT11的溫度和濕度數(shù)據(jù)來(lái)模擬。先通過(guò)設(shè)置按鍵及加、減按鍵設(shè)置溫濕度的上下限值,然后設(shè)置兩個(gè)DHT11的溫濕值為各種可能的情況,可以觀察到對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管和蜂鳴器的反應(yīng)與預(yù)設(shè)的狀態(tài)相符,同時(shí)顯示器也可以正確顯示數(shù)據(jù)[10]。
圖9 仿真電路圖
通過(guò)仿真確認(rèn)設(shè)計(jì)基本正確后,焊接實(shí)物進(jìn)行模擬環(huán)境試驗(yàn),實(shí)物運(yùn)行結(jié)果之一如圖10所示。模擬不同溫濕度環(huán)境,將溫濕度傳感器放置其中,可以觀察到所檢參數(shù)不在設(shè)置閾值范圍時(shí)系統(tǒng)能做出相應(yīng)動(dòng)作,發(fā)生報(bào)警時(shí)也能正確發(fā)送信息到指定手機(jī)。
圖10 實(shí)物運(yùn)行結(jié)果
課題組針對(duì)目前規(guī)?;N植環(huán)境下傳統(tǒng)煙草育苗大棚管理方式面臨的實(shí)際問(wèn)題,在對(duì)煙草育苗設(shè)備、環(huán)境、環(huán)節(jié)及育苗各環(huán)節(jié)所需控制的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程報(bào)警的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中對(duì)系統(tǒng)各個(gè)硬件電路的選型、設(shè)計(jì)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹,經(jīng)仿真和實(shí)物測(cè)試檢驗(yàn)了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。