单片机控制的智能温室物联网应用系统设计(2)

HS1101湿度传感器的线性输出电压与湿度的关系：

Vo=Vcc(0.00474×%RH+0.2354)

在环境湿度检测中，既可以利用HS1101湿度传感器的等效电容与湿度的关系，组成振荡器，将湿度与电容的关系转化为湿度与频率的关系，测量频率达到检测 湿度的目的；也可以利用HS1101湿度传感器的输出电压与湿度的关系，测量电压实现湿度检测。本系统利用HS1101的等效电容与湿度的关系，测出频率 实现湿度的测量。

3 温室控制系统硬件设计

智能化温室环境控制系统，要达到对温室内温、湿度等环境参数的检测与控制，系统必须包含三个部分：

(1)信号采集输入部分。包括温度、湿度等环境参数的检测；

(2)信号转换与处理部分。将采集的信号转换为计算机可以识别的数据量，并由计算机进行相关处理；

(3)输出和控制部分。控制喷淋、遮阳、通风、加热 等环境参数调节执行系统。

本系统主要由上、下位机构成，上位机实现人机操作界面的控制，并实时接收下位机上传的环境参数，结合植物生长所需要的最佳环境条件发送相应的控制命令给下 位机。下位机主要功能是实现对环境参数采集，同时与上位机进行串行通信，根据上位机的命令对温室内的环境参数进行调节。

3.1 信号采集单元

信号采集包括温度采集和湿度采集。DS18B20温度传感器采集温室内的环境温度，并直接转化为数字信号送入单片机进行处理，DS18B20传感器挂在单 片机的P0.7口线上；HS1101湿度传感器采集温室内的环境湿度，利用其等效电容的变化与湿度的关系，组成多谐振荡器，单片机检测振荡频率计算出湿度，HS1101传感器组成振荡电路，其输出连接在单片机的P2.X口上。

3.2 核心控制单元

本系统采用STC89C54RD+单片机作为下位机内核，它是一种低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含有16 KB可反复擦写的Flash只读程序存储器和1 280 B的随机存取数据存储器、32个I/O口线、3个16位定时/计数器、一个6向量两级中断结构、一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

指令代码完全兼容传统的MCS-51系列单片机，具有ISP在系统编程功能，利于在线调试和产品开发。

温室内的温度通过DS18B20采集送入单片机的P0.7口； 湿度转换为频率送入单片机的P2.X口，采集的环境参数交替在显示器上显示。同时，采集的环境参数通过P3.0和P3.1引脚至接口芯片MAX1483输 送至上位机进行处理，并等待上位机发送的控制命令，控制相应的执行机构。

本系统的下位机与上位机之间的串口通信采用符合RS-485电气标准的 MAX485芯片，其抗干扰能力强，共模抑制比高，当以100 kb/s的速率传输时，可传送的距离为1.2 km，能实现多点对多点的通信，很好地解决了温室分布零散和集中管理的矛盾，非常适合温室规模扩大时测控系统的扩展。

3.3 环境控制执行单元

系统自动检测温室内的温度和湿度，控制执行单元驱动通风机、加热器、喷淋水泵、遮阳幕帘等设备，是智能控制系 统的执行者。控制系统启动后检测温室内的温度，当温度低于设定值时，启动加热循环水升温。

本系统在植物底部和温室上方安装热水管道进行加温，管道内水温控 制在60～80℃，底部加温对植物的健康成长十分有益；上方管道加温使温室加热均匀，有利于植物生长。当温室的温度高于设定值时，开启通风机降温；若湿度 低于某设定值时，启动喷雾水泵增湿，反之，启动通风机去湿。

系统硬件电路如图3所示，单片机的P1口输出控制信号，实现对温室内各环境参数的调节，为避免电机产生的电磁干扰，采用光电耦合器隔离单片机I/O口与驱动电路。

4 温室控制系统软件设计

本系统软件采用模块化设计，C语言编写。考虑到温室多参数控制的复杂性，本系统采用优先调节原则，即在温室环境温度、湿度等要素中选择1个作为主要的控制 要素，然后再对其他要素进行控制，这样做的目的是减小系统控制复杂度。

控制过程中考虑到检测和控制需要经过一段时间的延时，如温室喷雾后的一段时间内，空气水雾影响空气湿度正常检测的问题等。

软件设计中的程序模块主要包括主程序、温度采集子程序以及显示子程序等。系统主程序流程如图4所示，系统正常运行前首先进行初始化，设定温室内植物生长所 需的温度和湿度参数。然后检测温室内的主要参数——温度，调用温度采集子程序，与设定值比较判断并进行相应的处理，若温度合适，再检测其湿度参数。

温度采集子程序流程图如图5所示，温度采集使用的是一线式数字温度传感器DS18B20，其工作过程严格遵循单总线协议。

主机首先发一个复位脉冲， 使所有挂在总线上的DS18B20芯片复位，接着发送ROM操作命令启动数据转换并延时等待。工作中系统对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令 形式出现，其中ROM操作命令均为8位长，命令代码分别为：读ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳过ROM(CCH)、搜索ROM(F0H)和告 警搜索(ECH)命令。

存储器操作命令为：写暂存存储器(4EH)、读暂存存储器(BEH)、复制暂存存储器(48H)、温度变换(44H)、重新调出 EERAM(B8H)和读电源供电方式(B4H)命令等。单片机采集温度时，需要先发1个保持480 μs～960 μs的低电平复位脉冲，然后释放总线，等待DS18B20的应答信号。

DS18B20在接收到复位脉冲后等待15～60 μs发出应答脉冲，应答脉冲保持60～240 μs。单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少需要等待480 μs才能进行读写操作。

利用DS18B20温度传感器检测温度，实现单总线挂接多个传感器对多点或多室温度进行检测，但实际应用中单总线上传感器多于8个时，系统程序运行不正常，而线缆过长也造成测温数据错误，在现场布线中使用屏蔽电缆减少环境干扰。

植物温室智能控制系统采用先进的传感器技术和单片机技术，对环境的温度和湿度等参数进行检测及控制，集监、控、管于一体的温室智能化监控系统，实现了对植 物生长环境的智能化控制，改变了传统温室依靠人工操作的缺点，且基于单片机的控制系统实现了智能化、节能化、网络化，是现代温室智能控制的发展方向。