單片機(jī)在人工氣候箱智能控制器中的應(yīng)用

任克強(qiáng) 張健超 胡生西

1 南方冶金學(xué)院信息工程學(xué)院贛州3410002 贛州市自來(lái)水公司 贛州341000

1 概述

用計(jì)算機(jī)輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，模擬自然環(huán)境中與植物生長(zhǎng)有關(guān)的溫度、濕度和光照等因素 ，創(chuàng)造局部人工氣候；以尋求各種農(nóng)作物的生長(zhǎng)條件，探索植物的生長(zhǎng)、發(fā)育規(guī)律。將使農(nóng)業(yè)獲得高產(chǎn)，保證產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。在計(jì)算機(jī)輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人 工氣候箱是農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的有效工具之一，它是具有光照、加濕功能的高冷熱恒溫設(shè)備 ，為用戶提供了一個(gè)理想的人工氣候?qū)嶒?yàn)環(huán)境。人工氣候箱不僅可用作植物的發(fā)芽、育苗、組織細(xì)胞、微生物的培養(yǎng)；還可用作昆蟲(chóng)、小動(dòng)物的飼養(yǎng)，水體分析的BOD測(cè)定以及其它用 途的人工氣候試驗(yàn)。它的用途廣泛，是生物遺傳工程、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境科學(xué)、畜牧、水產(chǎn)等生產(chǎn)及科研部門較理想的試驗(yàn)設(shè)備。

人工氣候箱的主要技術(shù)指標(biāo)為：

控溫范圍：有加濕時(shí)為20～45 °C；無(wú)加濕時(shí)為10 ～45 °C（無(wú)加濕又無(wú)光照時(shí)連續(xù)工作不超過(guò)120 h，控溫下限可控制在4 ～ 10 °C范圍內(nèi)）

控濕范圍：50%～95%

濕度波動(dòng)性允差：±10%（當(dāng)箱內(nèi)溫度25 °C，箱內(nèi)濕度80%以上時(shí)）

溫度波動(dòng)性允差：±15 °C

溫度均勻性允差：±2 °C

溫度越限報(bào)警：±4 °C

光照度：三級(jí)可調(diào)，全光照時(shí)≥3 000 lx

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)人工氣候箱的控制要求，該控制器采用ATMEL公司生產(chǎn)的片內(nèi)帶8 kB閃速存儲(chǔ)器的高性 能、低功耗CMOS單片機(jī)AT89C52，單片機(jī)外部擴(kuò)展8 kB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、3個(gè)8位并行口（8255A），系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

顯示器采用靜態(tài)顯示，共用10個(gè)共陰極數(shù)碼管，其中：4個(gè)顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘（時(shí)、分各2位），3個(gè)顯示溫度的設(shè)定值或?qū)崪y(cè)值（由鍵盤選擇），2個(gè)顯示濕度的設(shè)定值或?qū)崪y(cè)值（由鍵盤選擇），1個(gè)顯示光照級(jí)，并且后6個(gè)還作為輸入控制參數(shù)的顯示窗口和提示窗口。顯示器的具體安排和輸入提示的定義分別如圖2和表1所示。
鍵盤采用4×5行列式非編碼鍵盤，8255A的PB0~PB3作為鍵掃描口，PA0～PA4作為鍵輸入口 ，閉合鍵值的計(jì)算式為：鍵值=行號(hào)×5+列號(hào)。鍵盤布局及定義如圖3所示。
其中：溫度、濕度、光照、時(shí)間、放棄和確認(rèn)6個(gè)鍵用于輸入控制參數(shù)及校時(shí)，查詢鍵用于校對(duì)和修改所輸入的控制參數(shù)，運(yùn)行鍵啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，設(shè)定和實(shí)測(cè)2個(gè)鍵用于選擇顯示溫度及濕度的設(shè)定值和實(shí)測(cè)值。

溫度和濕度傳感器采用鉑電阻,其感應(yīng)信號(hào)經(jīng)前置放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。輸出控制由光電耦合、柵極可關(guān)斷晶閘管組成，其中，壓縮機(jī)、加濕器和光照設(shè)備為開(kāi)關(guān)量輸出 ，加熱器為PWM輸出。

狀態(tài)指示采用不同顏色的發(fā)光二極管，用于指示加熱、制冷、加濕、上/下越限、飛程序等系統(tǒng)狀態(tài)。蜂鳴器用于上/下越限、飛程序、掉電等的報(bào)警。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及WatchDog中斷子程序（T2）、PWM輸出控制中斷子程序（T0）、控制參數(shù)輸入子程序、碼制轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、 延時(shí)子程序、溫度及濕度采樣和濾波子程序、控制參數(shù)隊(duì)列初始指針定位子程序等。系統(tǒng)軟 件固化在AT89C52片內(nèi)的閃速程序存儲(chǔ)器中。

在控制過(guò)程中，溫度和濕度梯度及光照度的改變和控制都是基于事先輸入的控制參數(shù)進(jìn)行的，并且一天可設(shè)定n個(gè)梯度及照度。為此，分別為溫度、濕度和照度設(shè)置了一個(gè)首尾相鄰的控制參數(shù)環(huán)形隊(duì)列，存放在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，如圖4所示。系統(tǒng)軟件根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的值來(lái)改變當(dāng)前指針，從而實(shí)現(xiàn)梯度及照度的自動(dòng)改變和計(jì)數(shù)。

系統(tǒng)的初始化設(shè)置為：定時(shí)器2為16位自動(dòng)重裝定時(shí)器，其中斷為高優(yōu)先級(jí)；定時(shí)器0為16 位定時(shí)器，用于PWM輸出控制，其中斷為低優(yōu)先級(jí)；8255的A口為輸入口、B口和C口為輸出口。主程序流程圖見(jiàn)圖5。
為了模擬1天的溫度、濕度和光照，必須有實(shí)時(shí)時(shí)鐘。該系統(tǒng)采用定時(shí)器2的16位自動(dòng)重新裝入方式，定時(shí)時(shí)間為0.1 s，晶振為6 MHz，定時(shí)常數(shù)計(jì)算如下：

TC=216－(6×0.1×106)/12=15536=3CB0H

控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，若干擾破壞了指令指針PC的內(nèi)容，便會(huì)出現(xiàn)“飛程序”，致使系統(tǒng)失控。該系統(tǒng)利用定時(shí)器2，再輔以適當(dāng)?shù)某绦驑?gòu)成軟件WatchDog，對(duì)系統(tǒng)“飛程序”進(jìn)行檢測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)。

綜上所述，實(shí)時(shí)時(shí)鐘及WatchDog中斷子程序的功能主要有3個(gè)：

①實(shí)時(shí)時(shí)鐘；

②控制參數(shù)的自動(dòng)改變和計(jì)數(shù)；

③軟件WatchDog。(限于篇幅，流程圖略)。

4 結(jié)語(yǔ)

人工氣候箱原有控制系統(tǒng)采用模擬電路，溫度漂移及元器件的參數(shù)誤差對(duì)溫度的設(shè)定及控制影響較大，并且溫度和濕度梯度及光照度的改變不能自動(dòng)完成，需要人工重新設(shè)定，使用很不方便。該系統(tǒng)采用單片機(jī)及數(shù)字量進(jìn)行控制，不僅消除了溫度漂移及元器件參數(shù)誤差的影響，而且實(shí)現(xiàn)了溫度和濕度梯度及光照度的自動(dòng)改變、計(jì)數(shù)；人機(jī)界面友好、操 作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠。