蔬菜大棚卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機(jī)智能控制器的設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚溫濕度的智能控制，以AT89S52單片機(jī)為控制核心，35BYJ46步進(jìn)電機(jī)為控制對(duì)象，采用ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及定位控制，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的溫濕度數(shù)據(jù)，通過控制卷簾門的開度及換氣扇的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)蔬菜大棚的溫濕度。同時(shí)，通過M35模塊（GPRS）和紅外模塊可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和近程控制。

關(guān)鍵詞：蔬菜大棚；步進(jìn)電機(jī)；AT89S52；溫濕度控制；智能控制器

中圖分類號(hào)：TP273；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）15-3681-04

近年來隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是利用溫室大棚種植蔬菜已成為廣大農(nóng)民致富的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，如何對(duì)大棚蔬菜進(jìn)行智能控制以提高經(jīng)濟(jì)效益成為當(dāng)前亟須解決的問題。影響大棚蔬菜經(jīng)濟(jì)效益的主要因素是溫度和濕度，而這些都是通過卷簾門的打開程度進(jìn)行控制的。為了達(dá)到最合適的溫度和濕度，就要對(duì)光照強(qiáng)度和空氣流通進(jìn)行合理控制，要想達(dá)到最佳的控制狀態(tài)，關(guān)鍵是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。因此設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的智能步進(jìn)電機(jī)控制器。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在正常運(yùn)行的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、反轉(zhuǎn)、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的[1]。當(dāng)前用于步進(jìn)電機(jī)的芯片有MCS-51系列、TMC428系列、DSP系列以及一些驅(qū)動(dòng)芯片，這些芯片在控制原理上基本相同[2-4]。這里應(yīng)用AT89S52單片機(jī)對(duì)大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行智能控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、M35模塊（GPRS）、DS1302定時(shí)模塊、SHT11溫濕度模塊、ULN2003A驅(qū)動(dòng)模塊、TC9012紅外模塊以及步進(jìn)電機(jī)等幾部分組成，其系統(tǒng)原理框圖如圖1。

系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制芯片，應(yīng)用ULN2003A實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。ULN2003A（國產(chǎn)型號(hào)為5G1413）是七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列，為個(gè)集電極開路（OC）輸出的反向器，最大動(dòng)電流可達(dá)到500 mA。選用四相八拍步進(jìn)電機(jī)35BYJ46作為控制對(duì)象。GPRS模塊使用M35，利用上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)換氣扇轉(zhuǎn)速和卷簾門開閉遠(yuǎn)程無線控制。同時(shí)還可利用紅外模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)、溫濕度設(shè)定、步進(jìn)電機(jī)的開始、暫停、不同速度的運(yùn)行和正反轉(zhuǎn)運(yùn)行等近程控制，從而可實(shí)行工作方式的控制，顯示器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、卷簾門處在狀態(tài)、設(shè)定時(shí)間、設(shè)定溫度、實(shí)時(shí)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)控制的可視化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了控制的準(zhǔn)確性。顯示電路采用74HC573來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。

1.2 ULN2003A驅(qū)動(dòng)的功能特點(diǎn)

在大型儀器儀表系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥、泵等驅(qū)動(dòng)電壓高且功率較大的器件。ULN2000、ULN2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品就屬于這類可控大功率器件，這類器件功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣[5]。ULN2003A由7對(duì)NPN達(dá)林頓管組成，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。單個(gè)達(dá)林頓對(duì)的集電極電流是500 mA，達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。ULN2003A芯片的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7 kΩ的基極電阻，也可以不用限流電阻而直接由AT89S52的P2口驅(qū)動(dòng)。在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。信號(hào)脈沖通過P2口送出，可經(jīng)4.7 kΩ上拉電阻接到ULN2003A芯片的輸入端口。P2口分別對(duì)應(yīng)ULN2003A的1C、2C、3C、4C輸出端。在使用步進(jìn)電機(jī)對(duì)卷簾門控制時(shí)，對(duì)P2.0～P2.3口賦予不同的值來送出電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)；在使用步進(jìn)電機(jī)對(duì)換氣扇進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時(shí)，對(duì)延時(shí)函數(shù)進(jìn)行調(diào)整來控制P2.4～P2.7口輸出值的頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。表1和表2分別為步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)引腳輸入值。

1.3 SHT11溫濕度模塊

溫濕度的測量在倉儲(chǔ)管理、生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并需要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡如人意。SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出它們強(qiáng)大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。

該傳感器采用獨(dú)特的CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。溫濕度采集電路如圖2，芯片供電電壓3.3 V，在電源引腳VDD和GND之間安裝一個(gè)100 nF的電容，起到去耦濾波的作用，串行接口是兩線式的結(jié)構(gòu)，串行時(shí)鐘輸入SCK與單片機(jī)的P3.7相連，用于單片機(jī)與SHT11之間的通訊同步；串行數(shù)據(jù)DATA是一個(gè)三態(tài)門結(jié)構(gòu)，與單片機(jī)的P3.6相連，用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿改變狀態(tài)，并僅在SCK上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA需要保持穩(wěn)定，為了避免信號(hào)沖突，再安裝一個(gè)10 kΩ上拉電阻R1，使P3.6口輸出低電平。

1.4 硬件電路原理圖

根據(jù)控制系統(tǒng)原理框圖及對(duì)蔬菜大棚的控制要求，得到如圖3所示的電路原理圖，通過SHT11溫濕度模塊、DS1302定時(shí)模塊、ULN2003A驅(qū)動(dòng)模塊和TC9012紅外模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫濕度的控制。其中ULN2003A為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，第一片ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1對(duì)卷簾門進(jìn)行控制，以控制卷簾門打開的程度；第二片ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2，實(shí)現(xiàn)對(duì)換氣扇轉(zhuǎn)速的控制，可控制換氣扇的轉(zhuǎn)速。定時(shí)模塊DS1302是為了當(dāng)早晨和晚上時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過定時(shí)模塊DS1302來定時(shí)打開和關(guān)閉卷簾門和換氣扇。而SHT11模塊對(duì)大棚中溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，當(dāng)需要調(diào)整大棚里的溫濕度時(shí)，單片機(jī)就會(huì)對(duì)相關(guān)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，控制卷簾門的打開程度和換氣扇的轉(zhuǎn)速，從而來調(diào)節(jié)大棚中溫濕度。紅外模塊是一個(gè)進(jìn)行人機(jī)直接操作的媒介，通過紅外搖控器可以對(duì)定時(shí)時(shí)間、設(shè)定溫濕度進(jìn)行調(diào)整從而可以更好地滿足大棚蔬菜的生長條件。

此外，硬件系統(tǒng)中還加入了GPRS模塊M35，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚中步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制，可以通過上位機(jī)軟件或者是手機(jī)信息等方式，控制大棚中步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)；同時(shí)單片機(jī)在進(jìn)行動(dòng)作后還可以通過M35模塊把調(diào)節(jié)后的一些信息傳給上位機(jī)或者是手機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機(jī)智能控制器的工作方式有3種：紅外搖控控制、根據(jù)條件自動(dòng)控制、GPRS遠(yuǎn)程控制。通常工作在根據(jù)條件自動(dòng)控制方式下，溫濕度變化比較細(xì)微，因此在這里對(duì)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的控制也是比較細(xì)微的，可以通過微處理器發(fā)送一定頻率的脈沖，對(duì)卷簾門步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行精確控制，也可以通過微處理器發(fā)送改變后的頻率的脈沖，來對(duì)換氣扇的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是靠脈沖控制的，而轉(zhuǎn)動(dòng)速度是靠頻率控制的。

在大棚蔬菜卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機(jī)智能控制系統(tǒng)中單片機(jī)主要作用是處理定時(shí)、接收紅外信號(hào)、采集外部溫濕度、產(chǎn)生脈沖序列、驅(qū)動(dòng)顯示電路還有判斷執(zhí)行條件的功能，它們分別是通過單片機(jī)AT89S52的P3口、P2口、P0口實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于不同的脈沖序列，卷簾門步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度不同，從而使卷簾門的打開和關(guān)閉程度不同；而不同的頻率脈沖又使換氣扇的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同，從而達(dá)到調(diào)速目的。在軟件設(shè)計(jì)中采用多種條件并列進(jìn)行判斷的形式，這樣可以使各個(gè)執(zhí)行條件之間不會(huì)產(chǎn)生沖突，并且可以使軟件執(zhí)行起來更加穩(wěn)定。在這個(gè)設(shè)計(jì)中脈沖的產(chǎn)生是依靠中斷，為了不和紅外接收及發(fā)射中斷產(chǎn)生沖突，系統(tǒng)采用先進(jìn)行紅外中斷掃描判斷，過后采用中斷屏蔽把紅外中斷關(guān)閉，然后進(jìn)行脈沖中斷，當(dāng)執(zhí)行完這些以后，再打開紅外中斷。因?yàn)樵谶@個(gè)智能系統(tǒng)中條件比較多，要先對(duì)各個(gè)條件進(jìn)行編號(hào)，在執(zhí)行過程中，如果多個(gè)條件同時(shí)要執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行一個(gè)前期優(yōu)先級(jí)判斷，對(duì)優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)行執(zhí)行，數(shù)字大優(yōu)先級(jí)高（表3）。

在步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用延時(shí)函數(shù)來輸出控制脈沖，因?yàn)槭褂醚訒r(shí)函數(shù)可能會(huì)對(duì)數(shù)碼管顯示電路造成影響，因此在這里可以用數(shù)碼管掃描來代替延時(shí)函數(shù)，具體程序?yàn)椋?/p>

3 小結(jié)

以AT89S52單片機(jī)為控制核心，35BYJ46步進(jìn)電機(jī)為控制對(duì)象，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的溫濕度數(shù)據(jù)，通過控制卷簾門的開度及換氣扇的轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)蔬菜大棚的溫濕度。采用多種條件并行判斷的方法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，通過M35模塊（GPRS）和紅外模塊實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和近程控制。

基于AT89S52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計(jì)，具有控制靈活、方便可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，在以后的一些智能系統(tǒng)中應(yīng)用會(huì)更加廣闊。

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