引言

　　隨著社會的進步和工農業生產技術的發展，許多產品對生產和使用環境的要求越來越嚴，人們對溫度、濕度、光強、二氧化碳濃度、灰塵等環境因素的影響越來越重視了。為此，本文以農業技術發展為目的開發了一種智能控制系統。

　　眾所周知，光、溫度、濕度是農業生產不可缺少的因素，所以本設計將其作為重點數據來處理，而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點測量，而且溫度信息傳遞不及時，精度達不到要求，不利于農業控制者根據溫度變化及時做出決定。而濕度傳感器價格昂貴，大多使用進口元件，但事實上，農用精度要求并不高，現在國產濕度傳感器完全可以適用。為此，本設計開發了一種能夠同時測量多點，并實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫度信息，并能進行光控和濕度控制的測控系統就。

　　本設計以AT89C51單片機為核心來對多點溫度進行實時巡檢。各檢測單元(從機)能獨立完成各自功能，同時能根據主控機的指令對溫度進行定時采集。測量結果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機的串行口和RS-485總線通信協議將采集的數據傳送到主控機，以進行進一步的存檔、處理。主控機負責控制指令的發送，以控制各個從機的溫度采集，收集測量數據，并對測量結果(包括歷史數據)進行整理、顯示和存儲。主控機與各從機之間也能夠相互聯系、相互協調，從而達到系統整體統一、和諧的效果。

　　1 系統整體目標

　　本系統能夠同時檢測2路溫度，檢測溫度范圍-55℃～+125℃。根據實際需要，檢測點數可以擴展。系統采用的濕度傳感器濕度檢測范圍為20％～90％RH。可通過LM555芯片和光電耦合器接入單片機，其檢測精度為±5％。系統中的感光元件可通過LM555芯片和繼電器來控制電動機的正反轉，從而實現遮陽網的打開和收回。由于使用了RS-485串行總線進行傳輸，并選用MAX485驅動芯片進行電平轉換，因此，其傳送距離可大于1200 m，且抗干擾能力很強。

　　此外，本系統還應具有如下功能：

　　(1) 主控機統可設置系統時間和溫度修正值。

　　(2) 主機、從機均具有溫度報警上下限設置和聲光報警功能。

　　(3) 具有定時、整點收集各從機數據功能，并可使用I2C串行E2PROM保存各從機以往24小時的數據，同時應具有數據更新與掉電保護功能。

　　(4) 具有數據存儲功能，可查詢各從機以往24小時的溫度、濕度情況。

　　(5) 自帶+5 V和+12 V直流穩壓電源。

　　2 系統方案

　　本方案以AT89C51單片機系統為核心來對溫度、濕度進行實時控制和巡檢。各檢測單元(從機)能獨立完成各自功能，并根據主控機的指令對溫度進行實時或定時采集。測量結果不僅能在本地儲存和顯示，而且可通過RS-485總線及通信協議將采集的數據傳送到主控機。以便進行進一步的分析、存檔、處理。主控機負責控制指令的發送，并控制各個從機進行溫度采集，收集測量數據，同時對測量結果(包括歷史數據)進行整理、顯示和打印。主控機與各從機之間能夠相互聯系、相互協調，從而達到系統整體統一和諧的控制效果。圖1所示是本系統的結構框圖。

　　該方案主控機和從機完全由單片機實現，采用該方案完全可滿足農業上部分需求。在圖1中，從機部分實現的功能幾乎和主機是對等的，但會接受主機發送過來的命令。

　　圖2所示是該系統從機部分的結構框圖。該方案采用數字式DS18B20作為溫度傳感器，該芯片在采集溫度信號時，具有大范圍、高精度、數字量輸出的特點。CHR-01濕度傳感器采集的信號可利用LM555振蕩器將電流信號轉化成頻率信號。選用CHR-01國產元件主要是其價格便宜。

　　3 信號獲取與放大電路

　　3.1 DS18B20的測溫原理

　　DS18B20的測溫原理如圖3所示，圖中，低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，主要用于產生固定頻率的脈沖信號并送給減法計數器1，高溫度系數晶振在溫度變化時，其振蕩頻率有明顯改變，它所產生的信號可作為減法計數器2的脈沖輸入，圖中隱含著的計數門打開時，DS18B20即對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，進而完成信號采集。

　　在DS18B20中，DQ為數字信號輸人／輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。圖4是DS18B20的引腳排列圖。

　　DS18B20在光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

　　有兩種方法可確保DS18B20在有效轉換期內得到足夠的電源電流。第一種方法是在溫度變換時，在I／O口接一個強的上拉。第二種是將其連到VCC外部電源，這樣就不用在I／O口接強上拉，也可在溫度變換期間使口線保持高電平。以在變換時間內允許其它數據在單總線上傳輸。也可使用外部電源通過發跳過ROM命令和變換命令T來完成溫度變換。需要注意的是：在工作狀態，GND不能懸空。

　　3.2 CHR-01濕度傳感器

　　CHR-01濕度探測振蕩電路由電阻型高分子膜濕敏電阻、LM555集成芯片及相關的電子元件組成，并采用AT89C51單片機作為處理器。由于高分子濕敏元件的電阻會隨著環境濕度的變化，因而該振蕩電路會產生不同的振蕩頻率。將該信號通過光電耦合和接口元件傳送到單片機的計時器中，就可完成信號采集。圖5所示是CHR-01測濕電路結構框圖。

　　由于不可能事先測定每個標準濕度值所對應的頻率值(那樣會大大增加工作量，并且也沒有必要)，所以只對其中某些特定的濕度值進行測量和記錄即可。比如在圖6所示的濕度傳感器特性中，實際的濕度／頻率曲線T0(如圖6所示)在應用中只需標定A、B、C、D、E五個點的標準值，然后運用數值方法來實現對AB、BC、CD、DE各區間段濕度的近似測量。在此需要強調的是，由于濕敏元件的阻抗是隨著溫度變化的，這會導致不同溫度下的不同濕度／頻率曲線(如T1℃下對應的曲線T1；T2℃時對應的曲線T2)，故要分別對不同溫度下的濕／頻曲線進行測定。

　　DS18B20正好可以完成對溫度的標定。因為本測試裝置只需標定15℃、20℃、25℃、30℃四條曲線，然后根據數值方法并利用軟件便可對15℃～30℃之間任意溫度下的濕度進行準確測量。

　　本傳感器振蕩電路的參數最優化問題是指選擇合適的電子元件(Cq和R)來保證濕度傳感器的靈敏度和測量數據的單調性。高分子濕敏元件與LM555組成的振蕩電路如圖7所示。經研究表明，濕敏元件的等效電阻電容混合復雜二端網絡在一定頻率下可等效為電阻與電容串聯結構(如圖7所示的Rh和Ch)。其中，Uo表示輸出電平，Cq微積分電容。該振蕩器的振蕩包括：放電和充電兩個過程。當送入電壓VCC時，Ch和Cq的總壓降為零，TR和TH端口電壓均小于VCC／3，輸出端Uo為高電平1。電源通過電阻R對Ch和Cq充電，以使TH和TR口電壓Uo逐漸升高。當其升高到2VCC／3時，LM555內部發生翻轉使輸出端變低，此后LM555定時器內的放電管導通。Ch和Cq通過Rh和放電管放電。當TR和TH端口電壓下降到VCC／3時，輸出端又變高。其輸出波形如圖8所示。若濕敏電阻選CHR-01則R可取2 kΩ，Cq取68 pF。

　　3.3 PX-625型光控電路

　　PX-625型光控電路由電阻型薄膜光敏電阻、LM555集成芯片及相關的電子元件組成，它利用三極管的導通和截止來控制電動機的正反轉，并將控制信息傳給單片機。圖9所示是PX-625型光控電路原理圖。

　　4 軟件程序設計

　　4.1 程序流程

　　本系統軟件主要由主控機程序和從機程序兩部分構成。主程序主要實現系統的初始化、數據顯示、從機相關信息設定及通信的處理。系統的初始化包括寄存器的初始化(控制寄存器、堆棧、中斷寄存器等)，通信初始化(串口的初始化，MAX485的初始化，通信緩沖區的初始化)，數碼管初始化，輸出端口的初始化，以及采集、累計數據的初始化。數據顯示則包括各類參數、測量數據等的讀取和顯示屏的刷新。

　　通信的處理主要是針對主空機與從機的信息交換與處理。主機程序流程圖如圖10所示。

　　從機程序主要由溫／濕度信號采集程序、光控指示程序、報警程序、溫度存儲程序和響應主機命令程序組成，該從機采樣流程圖如圖11所示。從機響應主機的程序實際上是一個中斷處理程序。從機在工作過程中，當檢測到主機發送來的命令時，它將停止溫度信號采集程序，轉而去響應主機的請求。主機命令或請求有以下四種：報警查詢、設置從機時間、設置報警閾值和巡檢溫度。

　　4.2 主機與從機的通訊幀結構

　　由于溫室智能控制系統的溫度、濕度、光強的檢測和控制都用到了通訊，本系統選用RS-485總線通訊并采用通訊幀
結構。并約定數據的第一個字節為現場信息，當現場信息為SOH時才是合法的；第二個字節用來判斷是主機處理器發送的數據還是從機檢測器發送的數據；三、四兩個字節為從機檢測器的ID號，每一臺檢測器的ID號都是不同的：五、六、七三個字節為功能碼；第八個字節為STX；后面的數據(DATA)為測試信息，其長度根據各功能碼而有所不同，也可以為零；倒數第二個字節為通訊結束標志，當其為ETX時才合法；最后一位為通訊校驗碼(BCC)。

　　5 結束語

　　當今科技發展迅速，單片機嵌入式開發有著光明的前景。由于單片機經濟實用、開發簡便，因而依然在工業控制、農業自動化、家電智能化等領域占據了廣泛的市場。本文介紹的系統設計有一定的實用性，但該系統在設計過程中仍有很多漏洞。還需要在智能化方面加以改進。特別是語音告警、節省功耗，提高穩定度等方面。