单片机在人工气候箱智能控制器中的应用

1概述

用计算机辅助农业生产，模拟自然环境中与植物生长有关的温度、湿度和光照等因素，创造局部人工气候；以寻求各种农作物的最佳生长条件，探索植物的生长、发育规律。将使农业获得高产，保证产品优质，提高农业生产的经济效益。在计算机辅助农业生产中，人工气候箱是农业科学研究的有效工具之一，它是具有光照、加湿功能的高精度冷热恒温设备，为用户提供了一个理想的人工气候实验环境。人工气候箱不仅可用作植物的发芽、育苗、组织细胞、微生物的培养；还可用作昆虫、小动物的饲养，水体分析的BOD测定以及其它用途的人工气候试验。它的用途广泛，是生物遗传工程、医学、农业、林业、环境科学、畜牧、水产等生产及科研部门较理想的试验设备。

人工气候箱的主要技术指标为：
?  控温范围：有加湿时为20～45 °C；无加湿时为10 ～45 °C（无加湿又无光照时连续工作不超过120 h，控温下限可控制在4 ～ 10 °C范围内）
?  控湿范围：50%～95%
?  湿度波动性允差：±10%（当箱内温度25 °C，箱内湿度80%以上时）
?  温度波动性允差：±1?5 °C
?  温度均匀性允差：±2 °C
?  温度越限报警：±4 °C
?  光照度：三级可调，全光照时≥3 000 lx

2系统硬件设计

根据人工气候箱的控制要求，该控制器采用ATMEL公司生产的片内带8 kB闪速存储器的高性能、低功耗CMOS单片机AT89C52，单片机外部扩展8 kB数据存储器、3个8位并行口（8255A），系统硬件组成如图1所示。

显示器采用静态显示，共用10个共阴极数码管，其中：4个显示实时时钟（时、分各2位），3个显示温度的设定值或实测值（由键盘选择），2个显示湿度的设定值或实测值（由键盘选择），1个显示光照级，并且后6个还作为输入控制参数的显示窗口和提示窗口。显示器的具体安排和输入提示的定义分别如图2和表1所示。    

键盘采用4×5行列式非编码键盘，8255A的PB0~PB3作为键扫描口，PA0～PA4作为键输入口，闭合键值的计算式为：键值=行号×5+列号。键盘布局及定义如图3所示。

其中：温度、湿度、光照、时间、放弃和确认6个键用于输入控制参数及校时，查询键用于校对和修改所输入的控制参数，运行键启动系统运行，设定和实测2个键用于选择显示温度及湿度的设定值和实测值。

温度和湿度传感器采用铂电阻,其感应信号经前置放大、A/D转换后送入单片机。输出控制由光电耦合、栅极可关断晶闸管组成，其中，压缩机、加湿器和光照设备为开关量输出，加热器为PWM输出。

状态指示采用不同颜色的发光二极管，用于指示加热、制冷、加湿、上/下越限、飞程序等系统状态。蜂鸣器用于上/下越限、飞程序、掉电等的报警。

3系统软件设计

系统软件采用模块化结构，主要包括主程序、实时时钟及WatchDog中断子程序（T2）、PWM输出控制中断子程序（T0）、控制参数输入子程序、码制转换子程序、显示子程序、延时子程序、温度及湿度采样和滤波子程序、控制参数队列初始指针定位子程序等。系统软件固化在AT89C52片内的闪速程序存储器中。

在控制过程中，温度和湿度梯度及光照度的改变和控制都是基于事先输入的控制参数进行的，并且一天可设定n个梯度及照度。为此，分别为温度、湿度和照度设置了一个首尾相邻的控制参数环形队列，存放在外部数据存储器中，如图4所示。系统软件根据实时时钟的值来改变当前指针，从而实现梯度及照度的自动改变和计数。

系统的初始化设置为：定时器2为16位自动重装定时器，其中断为高优先级；定时器0为16位定时器，用于PWM输出控制，其中断为低优先级；8255的?A口为输入口、B口和C口为输出口。主程序流程图见?图5。??                 

为了模拟1天的温度、湿度和光照，必须有实时时钟。该系统采用定时器2的16位自动重新装入方式，定时时间为0.1 s，晶振为6 MHz，定时常数计算如下：
??TC=216－(6×0.1×106)/12=15536=3CB0H

控制系统运行过程中，若干扰破坏了指令指针PC的内容，便会出现“飞程序”，致使系统失控。该系统利用定时器2，再辅以适当的程序构成软件WatchDog，对系统“飞程序”进行检测和自动恢复。

综上所述，实时时钟及WatchDog中断子程序的功能主要有3个：?
    ①实时时钟；?
    ②控制参数的自动改变和计数；?
    ③软件WatchDog。(限于篇幅，流程图略)。

4结语

人工气候箱原有控制系统采用模拟电路，温度漂移及元器件的参数误差对温度的设定及控制精度影响较大，并且温度和湿度梯度及光照度的改变不能自动完成，需要人工重新设定，使用很不方便。该系统采用单片机及数字量进行控制，不仅消除了温度漂移及元器件参数误差的影响，而且实现了温度和湿度梯度及光照度的自动改变、计数；人机界面友好、操作简单、系统可靠。

参考文献?
1余永权.Flash单片机原理及应用.北京:电子工业出版社,1997
2王瑞福等.单片微机测控系统设计大全. 北京:北京航天航空大学出版社,1998
3黄贤武等.传感器实际应用电路设计.成都:电子科技大学出版社,1997