智能温度控制系统在温室大棚中的应用

温室智能温度控制系统的原理及应用摘要：温室温度监测是控制农作物生长的关键因素，传统温度调节方式已不能满足现代温室高精度、快速采集及响应的要求。本文介绍了一种基于DS18B20数字温度传感器的温室智能温度控制系统的硬件和软件设计。该温度智能控制系统系统外围电路简单，精度好，可靠性高，具有远距离多点温度测量，控制等方面的功能。而且该系统人机界面良好, 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：温度控制系统；温室；DS18B20 Principle and Application of Greenhouse Intelligence Temperature Control System Abstract:The greenhouse temperature monitoring is a key factor for controlling the growth of crops.Traditional temperature control methods can not meet the modern greenhouse requirements of high accuracy,fast acquisition and response.This paper introduces the hardware and software design of an intelligence greenhouse temperature control system based on the single-bus-digital temperature sensor DS18B20. This system is circuit-simplified, high dependability, easy-installing, and easy-maintenance and it also has the functions of temperature measurement and control in many dots.The system in the research had good human computer interface, simple and convenient operation, high automation degree, low cost and good application foreground and popularization value.Key words:temperature monitoring;greenhouse ;DS18B20 现代设施农业生产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育，目前已广泛应用于农业生产、农作物的试验研究和商业动、植物的培养等方面，已经成为农业生产和农业科研必不可少的技术手段。温度监测是控制农作物生长的关键因素，由于不同温室中农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一定的温度范围内，仅仅依靠人工管理存在温度调节不及时、不准确、影响作物生长及人力资源浪费等问题。因此，要求有一种具有足够精度和可以实现实时控制的温度控制系统来代替人工操作，并尽可能降低成本1。本文所提到的的温室智能温度控制系统采用基于DS18B20，具有多点温度监测控制、能对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点，能满足作为温室温度监测控制系统要求。并且采用的一总线温度传感器DS18B20可以直接输出数字量，不需要AD转换，与微处理器容易接口，能够有效的解决硬件电路复杂，软件调试复杂的问题。1、系统工作原理系统主要由单片机和单总线数字温度传感器DS18B20等器件组成。首先根据温室内作物生长所需要的温度值，设定温度控制系统的温度值，并通过LED数码管显示所设定的温度值。党温度传感器检测到温室内的当前温度值低于所设定的温度值时，单片机将控制执行机构（加热器、循环通风装置）对温室加热，直到检测到的温度达到设定温度时停止加热2。当下次温差值超过一定范围后，单片机将会再次启动加热电路加热，如此循环。2、 系统硬件设计 该系统以AT89S51单片机为核心，由DS18B20温度传感器、按键控制电路、显示电路、电源电路及固态继电器、加热通风执行机构等部分组成3。多片DS18B20都只需接到单片机的1个I/O口上，不仅节约了单片机的I/O口线，还给现场测量布线带来了极大的方便，非常适合在温室等复杂现场环境使用。2.1 DS18B20数字温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种新型的数字化温度传感器， 是单总线器件家族中的一员。它使用一种片内专有的温度测量技术测温。利用高低温度系数振荡器记录由当时环境温度所确定的计数值，以此确定当时当地的温度。内部主要有测温电路，1-Wire接口电路，存储电路及CRC校验电路。特点如下:(1)1-wire数字接口。CPU只需一根端口线就可与DS18B20通信4；(2)可以将多个DS 18B20温度传感器挂接在一根总线上，即允许一条信号线上接数十乃至上百个数字式传感器，使用专有的64位ROM序列号区分；(3)-55至十125的宽工作范围。分辨率可达0.0625；（4)+3.0V至+5.5V的宽电源范围。可根据实际情况采用本地供电或通过I/O线供电；(5)2字节E2RROM，存储上下限报警温度设定值。这些特点使系统设计更灵活、方便，适合构建大型的温度测量系统。单总线的数字方式传输，也大大提高了系统的抗干扰能力5。在DS18B20中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入,其中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中, 减法计数器1和温度寄存器被预置在- 55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1, 减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数, 如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。其中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理6。2.2 微控制器采用AT89S51单片机作为控制核心。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功能，高性能CMOS8位单片机，有4k Bytes片内程序存储器，128 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，6个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器7。功能强大的AT89S51单片机可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。2.3 电源电路设计 电源电路的作用是将交流电转换成稳定的直流5V输出，用于给单片机系统及其他外围电路的Vcc端供电。电源电路给降压、整流、滤波、稳压4个部分组成。稳压集成块采用LM7805。LM7805是一种具有优良性能的电压变换集成电路，共有3只引脚，分别是输入端、输出端与接地端8。3、 系统软件设计3.1 数据采集模块该模块采用DS18B20采集温度数据，由于采用一线总线，硬件网络的配置较为简单，系统可以根据需要增加或减少温度传感器数量。为保证能在DS18B20时钟周期内提供足够的电流， 采用5V电源上拉供电驱动总线9。由于温室离控制系统距离一般较远(大少30m)，如果采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取的测温数据将发生错误10，当将总线电缆改为双绞线频蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，采用具体什么类型的电缆可以根据需要选择。3.2 主控模块 主控模块使用的LPC2132是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TD MI-STMCPU的微控制器，带有64kB的嵌入的高速Flash存储器11。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。本系统片内Boot装载软件实现在系统/在应用中编程(ISP/IAP)，由P0.14引脚在上电复位时置低完成；多个串行接口，包括16C550工业标准UART用于计算机和MPU下载和上传数据信息，系统程序通过串口下载存储于Flash 中;SPI接口用于键盘操作和存储器数据的读写;使用GPIO控制各种外围器件，以及与LCD的通信。P0.15用于在接收初始化DS18B20和接收温度数字信号12。3.3 人机接口控制模块采用的是矩阵键盘来进行控制，为节省引脚资源，采用具有SPI串行接口功能的ZLG7289A芯片作为驱动。ZLG7289A是可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能。本系统利用14功能键键盘，可以调整微处理器中实时时钟的值，调整时间；选择系统工作的模式，设置各个温室的温度范围；还可以调出存储数据做历史数据分析13。3.4 存储设备因为温度智能控制系统所采用不止一个温度传感器，而且每个传感器都有自己的专有序列号，所以需要保存各温室中各传感器的序列号，以及温室温度超过允许范围时间及温度值和所作操作的数据。为了以后调用数据备案、分析，要求存储器可靠性高、速度快，而且要求掉电后保存的传感器序列号和存储数据不能丢失，存储器能够进行多次擦写。因此本系统采用的是高性能的铁电存储器FM24C04作为存储器，FRAM既有SRAM的速度和擦写次数，又有FLASH和EEPROM的特点，掉电后数据能保存，同时因为FRAM使用SPI口通信，能简化系统的电路，降低系统电路复杂性,提高系统的可靠性14。4、结语温室作为设施农业的一个重要发展方向，有着良好的发展前景，随着农业信息化的发展，比任何领域都迫切要求采用高新技术15。本系统用简单的硬件及编程方法实现了多点温度的测量、数字温度传感器的出错指示和识别，有利于系统的调试和扩充，能有效降低成本，缩短开发周期16。DS18B20温度传感器具有测量速度快、精度高、高低温报警、智能化等特点17，由此构成的温室温度控制系统比传统的测温系统可靠性高、成本低、易于构成网络控制，具有很强的实用价值和推广价值。参考文献1 张喆，刘博，刘永福.基于AI708P仪表温室温控系统设计与实现J.农机化研究,2008(7):116.2 陈彩蓉.基于DS182B0的温室温度控制系统设计J.安徽农业科学,2009,37(36):17870-17871.3 金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用J.电子技术应用,2000,(6):66-68.4 Dallas Corp. DS18B20 Programmable Resolution One-Wire Digital Thermometer 2001Z. 5 叶钢.基于DS18B20温度控制系统的设计J.国外电子测量技术,2007,26(4):31-33.6 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,1990.7 李广地.单片机基础M.3版.北京：北京航空航天大学出版社,2007.8 李智翔,陈瑞.多点温度电控系统的设计J.现代电子技术,2009(3):140-141.9 樊强,张敏,李霞.基于DS18B20的温度采集系统设计与实现J农机化研究,2011，33(12):16116410 陈跃东.DS18B20集成温度传感器原理及应用J.安徽机电学院学报,2002,17(4): 34-38.11 常君,刘坤,安毅,许晓丽,张永新.基于LPC2132和DS18B20的单总线数字测温系统设计J. 电子测试,2008(04):51-55.12 侯建华.智能温室远程控制系统的设计与实现基于LPC2132J.农机化研究,2010(12):150-154.13 张小鸣,李永新,王正洪.ZLG7289A与DSP-SPI的接口技术J.电子技术,2002(12).14 马利人.铁电存储器FM24C04原理及应用J.电测与仪表,2002(9):53-56.15 ZHANG Qian.etc.A wireless solution for greenhouse monitoring and control systembased on ZigBee technologyJ.Zhejiang Univ Sci A,2007,8(10):1584-1587.16 郭清华.蔬菜大棚智能温度控制系统应用研究J.安徽农业科学,2008,36(11):4487- 4488.17 GAN Yong.The application of the digital sensor DS18B20 in multi-point temperature testin