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基于单片机的植物工厂自动调温风扇系统设计

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月30日 10:03:34

李中鹏1,贾鹤鸣1,朱传旭1,张 森1,邢致恺1,张露露2

(1. 东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040;2. 东北林业大学园林学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

摘 要:为了设计一款应用于植物工厂自动调温的实用摆头风扇系统,简要介绍了植物工厂自动调温风扇系统的整体结构框架、风扇的两种风速控制模式,详细阐述了系统模块设计与系统电路设计,采用AT89C51单片机为控制核心,控制步进电机使其转轴转动以实现风扇的左右摆头,控制直流电机以实时调节风扇的转速;采用DS18B20数字温度传感器测量温度;采用红外一体化接收头对摆头风扇进行遥控;采用液晶屏显示环境温度和风扇转速挡位。指出该设计能够对植物工厂内部环境自动调温,使得植物获得更好的生长条件,具有人机交互功能较好、操作简单、实用性强等优势,推动了植物工厂自动控制技术的发展,具有较高的工程实用价值。

关键词:自动控制;单片机;植物工厂;自动调温;转速控制

中图分类号:TP273;S31文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.097

近年来使植物摆脱环境限制的产品如雨后春笋般涌现出来,比如应用于检测、控制多种环境因子的植物工厂应运而生[1]。植物工厂对内部各个控制环节的制作工艺要求越来越高,不仅要求准确性和稳定性,而且简易性和经济性等因素也成为其发展目标。笔者介绍了一种基于单片机的植物工厂自动调温风扇系统设计,与应用于其他场合的自动调温控制设备相比,该设计利于植物工厂内部自动调温,优化自动调温效果,提高人机交互性,方便用户使用。其中,对用于自动调温的风扇的摆头控制又可起到使植物工厂内部空气流通的作用,使内部空气更加均匀,以提供更有利于植物生长的环境。

1 植物工厂自动调温风扇系统简介

AT89C51单片机被选为风扇的主控制器,其目的是实现风扇的转向、调速、环境温度检测、红外控制、液晶显示的功能。图1为风扇系统整体结构框架图。

风扇的风速由转速决定。在该设计中,风扇直流电机转速的调整是通过改变输入电机线圈的脉冲频率来实现的,并使用红外遥控控制风扇的转速挡位,通过输出引脚输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制转速。同时,红外遥控也可以控制风扇的摆头开停。选用较高精度的DS18B20数字温度传感器元器件检测温度,可以精确到0.0625 ℃。使用液晶屏幕显示当前环境中的实际温度以及控制风扇的转速挡位。

风扇的风速控制有两种模式:模式一中,风速分为3个挡位,使用红外遥控选择不同的挡位,直接控制风扇的风速大小;模式二中,通过给定期望的环境温度,与DS18B20数字温度传感器实时回馈的当前环境温度进行比较,形成偏差,使用比例-积分-微分(Proportion Integral Differential,PID)算法进行调整,输出PWM控制风扇的风速,直至温度维持在理想范围内,这使得植物工厂的温度控制更方便、更可靠。图2为风速控制模式二的基本逻辑关系图。

2 植物工厂自动调温风扇系统的模块设计

2.1 步进电机模块

步进电机是输入为电脉冲、输出为角位移的元器件。步进电机的转动方向可以通过输入给电机的定子绕组侧通电导通顺序来方便地实现控制[2]。风扇使用永磁式步进电机实现摆头效果,其型号为28BYJ-48,其中:“28”表示其最大实际外径为28 mm;“B”表示步进电机;“Y”表示永磁式形式;“J”表示减速型;“48”表示工作方式为四相八拍,即1-12-2-23-3-34-4-41,永磁式步进电机选择四相步进电机,即可产生与磁场(N极、S极)相对应的激磁线圈对数。转角的计算公式为

θ = 360/mzc .(1)

式中:θ为步进角;m为定子相数;z为转子磁极对数;c为通电方式系数,其中c = 1为单相或双相轮流通电方式,c = 2为单相与双相轮流通电方式。表1为28BYJ-48步进电机参数表;表2为八拍模式绕组控制顺序表。

电机的角位移(即风扇的左右摆头)可以通过控制输入电机的脉冲数目来控制,计算公式为

Ф = Nθ .(2)

式中:Ф为角位移;N为脉冲数;θ为步进角。

电机的转速(即摆头的速度)可以通过控制输入电机的脉冲频率来控制,计算公式为

n = 60f/mzc .(3)

式中:n为转速;f为频率;m为定子相数;z为转子磁极对数;c为通电方式系数。

2.2温度检测模块

在该设计中,使用美国达拉斯半导体公司(Dallas Semiconductor Inc)制作的DS18B20数字温度传感器进行环境温度检测。该器件是一款分辨率可编程控制的单总线形式的数字温度计,具有3个引出接口,该器件与单片机的数字通信可以简化为一个端口引脚进行。该器件还可应用于环境测温,方式为多点分布形式。

2.3红外遥控模块

两点间的通信可通过红外技术实现,数据传输保密,但前提必须是近距离传输。红外遥控模块集通信和遥控两大功能于一身,并具有如下优点:体积小巧、能耗较低、成本较低、功能较强、使用广泛。红外遥控模块主要包括红外发射器件和红外接红器件[3]:红外发射器件主要是指红外发光二级管,在工厂中一般使用砷化镓等材料,采用传统工艺制作红外发光二极管,给红外发光二极管通电,会发射波长约为940 nm的红外光;红外接红器件主要是指红外一体化接收头,其内部电路一般使用高频滤波电路,此电路用在红外一体化接收头里的主要作用是滤除一定波段频率的红外线合成载波信号,而且其信号发送速度也非常快,当红外线合成载波信号通过外界传输进入红外一体化接收头时,可以从输出引脚获得由红外发射器件发出、并由红外一体化接收头接收的数字编码信号。

2.4液晶屏模块

风扇的显示部分使用LCD1602液晶屏,液晶屏屏幕上可同时显示出16 × 2(16纵列2横行)个字符,也就是32个字符。它的显示采用点阵的方式,可以成行成列地显示字母等信号。点阵字符位的内部构成形式为5 × 7或5 × 11。位与位之间有间隔,而且间隔的大小通常是一个点距;行与行之间也有间隔,这样就使得上下左右的字符相隔开来。第99页表3为液晶接口信号的引脚说明。

3植物工厂自动调温风扇系统的电路设计

3.1单片机电路

单片机控制部分包括AT89C51单片机以及

它的外围电路(包括晶振电路和复位电路)。

AT89C51单片机对设定的数据以及输入的数据进行处理,内部根据算法及时作出有效的决策,然后通过信号传递控制外部的执行机构来完成相应的控制动作,实现相应的目标[4]。晶振电路产生振荡频率,为单片机提供动力。晶振材料能产生时钟频率,这恰恰是单片机工作所必需的,单片机执行指令时需要一个“节奏”,此“节奏”就是晶振材料提供的,晶振材料的时钟频率与单片机的运行速度成正比。复位电路通过各器件以及连接线路的作用,能使单片机回到初始状态,相当于清零作用。图3为单片机电路。

3.2温度检测电路

DS18B20数字温度传感器供电范围3.0~5.5 V,转换效率较快,采用单引脚数据通信形式,使其与单片机只需一个端口即可进行数据通信。与控制器进行数据传输时,DS18B20数字温度传感器需要遵守通信协议,以保证数据的完整性。为使用通信协议,需编写复位脉冲程序,包括脉冲程序、写和读0程序、写和读1程序。图4为温度检测电路;表4为DS18B20数字温度传感器引脚说明。

3.3液晶屏电路

第100页表5为液晶屏主要参数;第100页图5为液晶屏电路。

3.4电机电路

电机不能不加任何驱动而直接与单片机通过导时,具有人机交互功能较好、操作简单、实用性强等优势,充分实现了植物工厂内部环境自动调温的功能,推动植物工厂自动控制技术的发展,具有较高的工程实用价值。