温室环境温湿度控制系统应用设计

[摘要]随着改革开放，坚持科学发展观，促进农业持续快速发展，特别是90年代以来，我国的设施园艺产业得到迅猛的发展，设施园艺被看作是21世纪最具活力的新产业。该控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。通过键盘先编制出温室花卉最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，计算机根据程序表确认、修正温室内的参数，并给终端控制系统指令。传感器向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，实现温室环境调节。

[关键词]温室 传感器 自动控制 单片机

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1120115－02

随着改革开放，坚持科学发展观，促进农业持续快速发展，特别是90年代以来，我国的设施园艺产业得到迅猛的发展，以花卉为主的作为观赏和礼品的植物设施栽培在大江南北遍地开花，设施园艺被看作是21世纪最具活力的新产业。

温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。

控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出温室花卉各生育阶段最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正温室内的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。该系统可自动控制加热、加湿处理。根据需要，通过键盘将信息输入中央管理室，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。

一、温湿度控制系统硬件

（一）硬件的基本组成

MCS-51系列单片机中的8031、6M晶震、30pF电容；共阳极七段数码显示管三个；按键一组5个；型号为WZB-003，分度号为BA2的铂热电阻变送器作为温度传感器；光耦合双向可控硅驱动器；型号为HM1500的湿度传感器；电磁继电器；8位模数转换器ADC0809；外部扩展EPROM 2764程序存储器；串并转换器74LS164；8位地址锁存器74LS373；蜂鸣报警器。

（二）硬件电路结构框图

系统的硬件电路包括主机（8031）、温度检测、温度控制、湿度检测、湿度控制和人机对话（键盘/显示/报警）6个主要部分。图1-1为系统的结构框图。

先对各部分电路介绍如下：

（1）主机

选用MCS-51系列单片机中的8031单片机作为控制系统的核心，外部扩展ROM用EPROM 2764作为程序存储器。它的引脚的输入/输出电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。8031的晶震频率为6MHz。

（2）温度检测

这部分包括温度传感器、变送器和A/D转换三个部分。

温度传感器和变送器类型的选择与被控温度的范围和精度有关。型号为WZB-003，分度号为BA2的铂热电阻适用于0°C~500°C的温度测量范围，可以满足本系统的要求。

变送器将电阻信号转变成为与温度成正比的电压，当温度在0°C~500°C时，变送器送出0V~4.9V的电压。

A/D转换器件的选择主要是取决于温度的控制精度，本系统要求温度控制误差不大于2摄氏度，采用8位A/D转换器，其最大量化误差为1，完全能够满足精度要求。这里我们采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，使0°C~500°C的温度变化对应于0V~4.9V的电压输出，则A/D转换的数字量为00H~FAH，即0~250，则转换结果乘以2正好是温度值。用这一方法，一方面可以减少标度转换的工作量，另一方面，还可以避免标度转换带来的误差。

（3）温度控制

加热器的控制用双向可控硅驱动器来实现，双向可控硅驱动器与加热器串接在交流220V市电回路中。单片机的P1.7口通过光隔离器和三极管驱动电路送到双向可控硅驱动器控制端，由P1.7口的高低电平来控制双向可控硅驱动器的导通与断开，从而控制加热器对温室进行加热、降温处理。

（4）湿度检测

这部分包括湿度传感器和A/D转换两个部分。湿度传感器类型的选择也与被控温度的范围和精度有关。

为使系统结构更加紧凑合理，以及降低成本，和湿度检测电路共用一个A/D转换器ADC0809。调整变送器的输出，使0%RH~100%RH的湿度变化对应于0V~4V的电压输出，则A/D转换的数字量为00H~64H（0%RH~100%RH） ，即0~100，采样检验结果2次， 则转换结果除以2正好是湿度值。用该方法，和温度采样相同，一方面可以减少标度转换的工作量，另一方面，还能避免标度转换带来的误差。

（5）湿度控制

加湿器的控制用电磁继电器来实现，加湿器接在交流220V市电回路中。单片机的P2.6口通过光隔离器电路送到电磁继电器控制端，由P2.6口的高低电平来控制电磁继电器控制开关的导通与断开，从而控制加湿器对温室进行加湿、干燥通风处理。

（6）人机对话

这部分包括键盘、显示和报警三个部分的电路。

本系统设有3位LED数码显示器，停止加热时显示设定温湿度，启动加热、加湿时显示温室内的当前温湿度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。

为使系统结构简单紧凑，键盘只设5个功能键，分别是“复位”、“启动”、“百位+”、“十位+”、“个位+”键，由单片机复位键RST和P1口低4位作为键盘接口，利用+1键可以对预置温湿度的百位、十位、个位进行加1设置，并在LED数码7段显示器显示当前设置值，连续按动相应位的+1键即可实现0°C~500°C的温度设置和0%RH~100%RH的湿度设置。

报警功能由蜂鸣器实现，当由于意外使温室内的温湿度超过预置值时，P1.6口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器叫报警。

（三）总体电路原理图

1.该花房温湿度控制系统具体指标

（1）温湿度均可预置,控制过程恒温、恒湿控制,温度控制误差 ,

湿度控制误差2%RH；

（2）预置时显示设定温湿度值，加温加湿时显示实时温湿度，显示温度精度1°C，湿度的精度为1%RH；

（3）温度超出预置温度5°C时，发声报警；湿度超出预置湿度3%RH时，发声报警；

（4）对控制过程的线性没有要求；

（5）加热器和加湿器工作电压均为交流220V市电。

2.总体电路功能介绍

本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制的精度要求不高，对控制过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即花房的温湿度达到设定值时，断开加热器或加湿器；当温湿度降到低于某值时，接通加热器或加湿器开始加热或者加湿。从而保持花房的恒温、恒湿控制。

二、软件设计

（一）工作流程

软件选择温湿度系统的控制对象，控制温度还是控制湿度。选择温度控制时，系统在上电复位后先处于停止加热状态，这时可以用+1键设置预置温度，显示器显示预置温度，温度设定好后，就可以按启动键启动系统工作了，温度检测系统不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后，停止加热并显示当前值；当温度下降到下限（比预设值低2）时，启动加热器。这样，不断重复上述过程，使温度保持在预置温度范围之内。启动后不能再修改预制温度，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设定预置温度。

当选择湿度控制时，系统在上电复位后先处于停止加湿状态，这时可以用+1键设置预置湿度，显示器显示预置湿度，湿度设定好后，按启动键启动系统工作，湿度检测系统不断定时检测当前湿度，并送往显示器显示，达到预定值后，停止加湿或通风干燥处理并显示当前值；当湿度下降到下限（比预设值低2%RH）时，再启动加湿器。这样，不断重复上述过程，使湿度保持在预置湿度范围之内。启动后不能再修改预制湿度，必须按复位/停止键，回到停止加湿状态再重新设定预置湿度。

（二）资源分配

为了便于阅读程序，首先给出单片机资源分配情况。数据存储器的定义与分配如表2-1所示：

程序存储器：EPROM2764的地址范围为0000H－1FFFH；I/O口：P1.0~P1.3

－键盘输入；P1.6－报警控制；P1.7－加热器控制；P2.6－加湿器控制；A/D转换器ADC0809：通道0~通道7的地址为7FF8H~7FFFH，使用通道0和通道1。

（三）程序流程图

主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块子程序可直接调用。主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示，湿度预置及其合法性检测，预置湿度的显示、定时器0设置。主程序流程图如图2-1所示。定时器0中断服务子程序是温湿度控制体系的主体，用于温湿度的检测、控制和报警（包括启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温湿度报警和越限处理、输出双向可控硅管或继电器的控制脉冲等）。中断由定时器0产生，根据需要每隔15s中断一次，即每15s采样控制一次。但系统采用6MHz晶振，最大定时为130ms，为实现15s定时，这里另行设了一个软件计数器。

三、结论

基于单片机的花房温湿度控制系统在精度和操作上还可以再提高，系统硬件的集成度也可以在实际中再进一步加强；如果对软件进行少量修改，该系统还可以完成除霜、消毒和通风干燥等作用。当然，还有很多可以改进完善的地方，在实际应用中还可以不断提高其精度、测量范围和扩大其应用领域。

参考文献：

[1]张迎新等，单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社.2004：228-269.

[2]李全利、迟荣强，单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社.2004：151-177.

[3]王福瑞，单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社.1998.282-283.

[4]Philips Semiconductors and Electronics North America Corporation，DATA HANNDBOOK 80C51-Based 8-Bit Microcontroller[M]，Printed in U.S.A1994.5：3-26.

作者简介：

贺鹏，男，汉族，河南洛阳，中航一集团洛阳光电设备研究所，本科，工程师，主要研究方向：电子硬件。