徐　璜　崔秋实　黄　英　严　殊　刘光德

摘要：文章针对温室作物的生长特性和环境因素的变化规律，设计了一个智能温控模拟系统。该系统有两个特点：一是利用ADuC841芯片作为主控，使外围电路简单，系统智能程度较高，运行时性能稳定；二是加入了节能的新构思。

关键词：智能温控；人工智能；新型节能；能源转换

中图分类号：S625.2文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）02-0052-03

随着社会的进步和工农业生产技术的发展，许多产品对生产和使用环境的要求越来越高，人们对温度、湿度、光强、二氧化碳浓度、灰尘等环境因素的影响越来越重视了。为此，以农业技术发展为目的开发一种智能控制系统即符合国家当前政策又顺应智能化研究趋势。就目前国内的发展情况看来，它的应用范围还是很广泛的，例如：粮仓温室控制系统，自动窗帘，大棚蔬菜生产，储藏室等等。

温室系统的发展大概经历了四个阶段：起初是手工阶段，环境控制就是根据种植者的经验以避免一些环境恶劣的情况。随后，机械设备取代了手工，温室中几乎都开始安装这种环境控制盒。在20世纪70年代，计算机系统取代了环境控制盒系统。智能温控是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术，计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

一、智能化温控系统的实现

现代的智能温控系统一般分为：数据采集模块，主控模块，驱动模块，显示模块，功能模块。

（一）系统组成及工作原理

本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能等。

图1 智能温控系统框图

该测控系统不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，系统稳定可靠、可维护性按照芯片的说明连接，多个传感器也可以用一个A/D转换器来实现，用分时选通分时转换就行。其工作原理是MCU分时查询各传感器的输出信号，然后MCU对输入信号进行相应处理后通过显示模块输出，同时还可输出各种报警信号。

1．软件实现

该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与A/D转换子程序、显示子程序、控制驱动子程序等六大模块组成。软件设计使用了protues仿真软件主要负责各个模块的仿真、ilc51和ICCAVR编辑器，负责单片机的软件调试生成HEX文件、VC++负责用户界面的软件实现。给出了详细的功能说明和流程图。系统实现对温室环境参数数据的显示、存储、查询、统计、控制等。通过控制不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，实现了温室的智能化管理，具有操作简便、自动化程度高和良好的人机交互功能，提高了产品质量和生产效率。实验结果表明:系统运行稳定、可靠。

2．硬件构成

该系统硬件主要包括以下几个模块：MCU、传感器模块、A／D转换器、显示模块、驱动模块等。主控模块： MCU主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能；数据采集模块包含：温度/湿度等传感器完成信号的采样功能，A/D转换器主要完成模／数的转换，存储器主要完成程序和数据的存储；显示模块：液晶显示器，完成字符、数字的显示功能。驱动模块则主要以直流电机和继电器为主。功能模块：风扇、遮阴及节能棚、制热器等。

整个系统以单片机为主控，以及PC机为辅助工具来实现的。PC机负责设定和显示的各类的环境参数并通过串口把相应的指令送到单片机中，单片机便立即执行PC机发出的命令，施行数据的存储、分析、管理以及外电路的控制，从而实现整个系统的实时监控。

3．传感器

（1）温度传感器。采用AD590，因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。测量地表温与土温也可以用AD590集成温度传感器。由于传感器探头要插入土中，所以要将传感器及变换电路封装在金属探棒中。金属探棒可以起到防水、防腐的作用。又因为金属的导热性好，所以金属探棒不会影响传感器对温度的测量。

（2）湿度传感器。采用IH3605电容式集成湿度传感器。其输出电压较高且线性较好。尤需进行信号放大和信号调整，可直接进行A／D转换。

（3）光照强度传感器。本系统选用北京林业大学生产的光量子传感器，主要由感应元件和匹配滤光片系统组成。感应元件选用硅太阳能电池，在太阳辐射作用下产牛的光电流与辐射强度成线性关系。标准的硅光电池的光谱响应在400nm～1100nm的范围，峰值波长为800nm。光量子传感器是一种灵敏的蓝色硅电池，在近红外区域700nm～1100nm只有相当低的响应，而在可见区域400～700nm比一股硅电池的响应却要高得多，峰值响应在550～650nm之间。光量子传感器在光的照射下，输山变化十分微弱的电流信号（约几个微安）。所以光合有效辐射的检测电路应选用低漂移，共模抑制比高的集成运算放大器。放大电路采用电流一电压变换放大电路。

（4）C02浓度传感器。C02浓度传感器选用红外线气敏传感器。其测量范围宽，达-2000ppm，检测精度可达15％。可以选用这种方法来监测温室空气中C02的浓度。

（5）土壤水分传感器。选用TDR-3型土壤水分传感器。TDR-3土壤水分传感器可测量土壤水分的体积百分比，与土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行的土壤水分测量方法。TDR-3型土壤水分传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。

4．A/D转换器

选用MAX191，MAX191与微处理器接口简单，使用方便、灵活，12位分辨率，同时它有很高的转换速度。采集模块的传感器将检测到的不同环境参数转换为电压量，通过A/D转换器后与设定的值比较，如果有变化则判断行位置的开关状态也会发生变化，当单片机中断引脚上接收到高电平时，便开始执行中断响应。不同的中断设定了相应的驱动程序来驱动功能模块。由于功能模块多而单片机的外部中断少，因而我们也采取单片机通信，通过判断发送的信号来进行相应的环境因子的控制。例如，将一种环境参数的变化状态传入任意一个I/O端口。当主程序检测到变化信号时，自动跳转运行双机通信的子程序，达到多样化的控制方式。

在测量过程中，由光栅发出的脉冲信号触发MCU中断，单片机每响应一次中断，启动MAX191进行A/D转换，采集数据，并通过RS-232接口把采集到的数据发送给PC机进行处理，计算机软件采用Visual Basic编写。

5．44780显示模块

本系统采用44780驱动的LCD，HD44780（KS0062）是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器（兼带驱动器），和4bit／8bit微处理器相连，它能使点阵LCD显示大小写英文字母、数字和符号等丰富的信息，同时有较强的通用性应用，使用方便，用户能用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统，送入相关的数据和指令即可实现所需的显示。

44780显示模块有8条数据线，3条控制线，可与微处理器或微控制器相连，通过送入数据和指令，就可使模块正常工作。

由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际参数。一旦该参数值超过我们预先设定的上、下限，单片机便启动报警系统进行报警，进而对大棚内参数进行相应控制。这种设计方案能对不同环境参数进行分时检测，各检测单元能独立完成各自功能，同时能够根据主控机的指令对参数进行定时采集，测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将采集的数据传送到计算机，进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和存储。

电机调速利用单片机内部的定时器延时，配合软件产生脉冲调制波（PWM），即导通和截止的比例的变化导致电机两端的电压变化来实现电机的调速。驱动部分要解决的问题是功率放大和隔离，由驱动芯片LN298构成外围电路，可与单片机直接连接，对小功率直流电机具有很好的驱动和控制能力，并且效率高、能耗低、转速连续可调等特点，而智能调节的重点就是根据环境参数的变化来调整PWM。再通过电流继电器控制相应功能模块工作，当电流过小或过大时，它检测到这种电流信号后便控制电动机的启停。

（二）节能实现以及电源的切换

1．太阳能发电与节能的实现

众所周知，一般型大规模的农业生产或研究基地，有着得天独厚的自然资源（太阳能，水能），但在能源供给（电能）方面投入了大量的人力、物力。因此如果以自然资源的转换来减少人力和物力的投入，那么系统的研究将走在时代的前列。

考虑到太阳能资源的丰富，本系统将功能模块的遮阴棚以特殊的材料制作，来达到太阳能发电的目的。太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

光—热—电转换方式：通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程。

光—电直接转换方式：该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

图2节能构想系统框图

太阳能发电节能而又环保，用于温控系统的电源供给体现了“新型”这一理念。我们拟用了两种发电方式，在光—热—电转换方式中可以将一部分的热能用以热能供给，同时也充分的利用了灌溉水。除此，我们设想还可以利用风力来带动发电机，这样在多云天气（光照弱）的情况下系统照样可以有足够的能源供给的保障。

2．电源的切换

一般大规模的农业生产基地，有完善的供电系统但耗电量大成本及能源的损耗大。因此对民用供电系统和蓄电池电量进行跟踪检测。当蓄电池由于天气等外界因素的影响而电量不足20%（根据实际耗电量设定这个百分比）则切换为民用电。反之，在停电或其他社会因素导致民用供电系统不稳定时，则切换太阳能蓄电池。

针对本系统节能的特色，正常情况下一般采用蓄电池供电。

二、结语

本系统针对温室控制的智能化和自动化进行了研究，以及对温控系统的节能和电源供给的拓展和构想，顺应了智能化、节能化、环保化的趋势。新型的智能温控系统体现了资源的良性循环利用。由于实际的系统庞大复杂，我们将代表性的设想以实物的形式进行模拟、验证及调试，实验结果表明智能控制部分大体已实现，对于拓展部分有很高的研究价值。

参考文献

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[2]王毅，白泽生．智能温室温湿度控制系统设计及其仿真[J]．微计算机信息，2008．

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[5]边春远，王志强．单片机应用开发实用子程序[M]．北京:人民邮电出版社，2005．

基金项目：大学生创新基金，基金编号：SWUST-CX

081078。

作者简介：徐璜（1987- ），男，江苏扬州人，西南科技大学信息工程学院学生，研究方向：计算机通信；崔秋实（1986- ），男，山东淄博人，西南科技大学信息工程学院学生，研究方向：电气工程；黄英（1986- ），女，四川泸州人，西南科技大学信息工程学院学生，研究方向：数字媒体；严殊（1956- ），男，四川绵阳人，西南科技大学信息工程学院副教授，博士，研究方向：计算机控制，控制理论；刘光德（1956- ），男，四川成都人，西南科技大学工程技术中心高级实验师，研究方向：智能仪器仪表。