自动控温追日栽培装置的研究与设计

贾小伟 张丽丽 赵思源 李冬雨

【摘 要】花卉、蔬菜种植越来受到欢迎。栽培装置既可以美化环境，提高生活质量，又可以用于规模生产，提高花卉、蔬菜的质量，改善人们的生活。文章介绍了一种自动控温追日栽培装置，自动控温模块采用单片机作为主要控制元件，控制过程包括温度采集、信号转换处理、调温控制及报警与显示等。

【关键词】自动控温；栽培装置；研究；设计

【中图分类号】S223 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）06-0088-03

1 自动控温模块的设计

蔬菜生长需要适宜的温度，家庭种植环境温度相对稳定，一般符合蔬菜的生长需要。蔬菜种植的温度控制模块只需要进行小范围调整就可以了。自动控温模块采用单片机作为主要控制元件，控制过程包括温度采集、信号转换处理、调温控制及报警与显示等。自动控溫原理图如图1所示。

1.1 温度采集单元

模块采用温度传感器AD590构成测温体系。AD590是一种电压输入、电流输出型集成温度传感器，测温范围为-55 ～150 ℃，精度高，非线性误差仅为±0.3 ℃，调节系数为1μA/K，其输出电流I=（273+T）uA。

1.2 信号转换处理单元

AD590将检测到的信号转换后输入模数转换ADC0809芯片。ADC0809是芯片输出端具有可控的三态门，这种芯片的输出端可以直接和系统总线相连，由读信号控制三态门，转换结束后，CPU执行一条输入指令，从而产生读信号，将数据从A/D转换器取出。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存译码电路，其转换时间为100μs左右。

1.3 调温控制单元

模块采用DAC0832芯片进行调温控制，当温度高于设定温度时，断开加热线路，使整个装置降温，反之则继续加热。调温主控芯片DAC0832的温度数据是由8255芯片传送的。接口芯片8255具有多种功能的可编程并行接口电路芯片。8255芯片的基本功能是以并行的方式在系统总线与I/O设备之间传输数据。通过8255芯片将信号传输给降温控制单元和报警显示模块。

模块各单元控制芯片、控温电机、显示器等连接成完整模块系统，然后将编写好的程序灌入芯片，经过适当调试，即可实现模块的温度调节控制功能。

2 太阳能跟踪模块设计

太阳能是一种天然的、干净的能源，具有很大的潜在利用价值，也具有很广的应用范围。尽管太阳能具有清洁、经济、储能大等优点，但太阳能也具有很多缺点，比如，太阳辐射方向时刻在变；太阳能总能量大，但能量密度较小；太阳辐射能受天气影响较大等。因此在相同条件下，太阳能自动跟踪控制方法可以提高35%的能量利用率，降低25%的使用成本。通常太阳能跟踪控制方法有匀速控制法、光强控制法及时空控制法3种。本设计采用光强控制法。

2.1 模块硬件设计

蔬菜生长是需要阳光的，室内栽培光线会受到影响。本设计采用光强控制法让蔬菜栽培架可以随太阳光旋转，保证蔬菜的光照充足。

太阳能跟踪模块采用双轴跟踪系统，同时在方位角和高度角2个方向上跟踪，由2个步进电机组成。传感器把接收到的光信号转换成电信号，电信号经过信号处理及控制电路后，由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。太阳能自动跟踪总体框图如图2所示。

太阳能跟踪模块主要有单片机控制单元、光电采集单元、模数转换单元及电机驱动单元等4个单元。光电采集单元通过4套由光电二极管、电阻等组成的光敏电路构成（光电采集单元连接电路图如图3所示），采集太阳光照。然后将采集来的太阳能信息传输给由PCF8591模数/数模转换芯片为核心的数模转换单元。单片机控制单元获得数控转换单元转换的太阳能信号，并将数据进行处理，发送给电机驱动单元。电机驱动单元的步进电动机按照单片机控制单元发送过来的脉冲信号控制模块运动。

2.2 模块软件设计

工作流程图如图4所示。模块分成手动工作模式和自动工作模式2种。手动模式下，由按键控制，分上、下、左、右4个按键控制步进电机运动，达到使栽培架相应地做上、下、左、右移动的效果。手动模式工作流程图如图4（1）所示。

在上电初始化之后，默认设置的是手动模式，通过中间的key_state按键切换手动与自动模式。手动模式下按key_state切换到自动模式，自动模式下按key_state切换到手动模式。工作模式工作流程图如图4（2）所示。

自动模式下，单片机通过光电采集单元的4个光敏电阻，来检测采光板上、下、左、右4个方向的光强度值，然后控制步进电机工作，使栽培架正面移动到与光强度值最大的一方垂直。自动模式工作流程图如图4（3）所示。

根据各功能要求，按照单片机的规定编写动作的控制程序，然后将程序灌入单片机中即可对模块硬件进行控制。当光线照射到栽培装置，光线采集单元采集装置光线照射情况，并将经过转换、计算得到的信号发出控制装置协调工作。最后根据设计图纸将装置装配到一起实现自动控温、太阳能跟踪等功能。方向控制程序片段如图5所示，自动控温追日栽培装置实物图如图6所示。

3 结语

花卉、蔬菜种植越来受到欢迎。栽培装置既可以美化环境，提高生活质量，又可以用于规模生产，提高花卉、蔬菜的质量，改善人们的生活。

参 考 文 献

[1]曹华，李新旭.阳台蔬菜无土栽培专用装置及栽培技术[J].农业工程技术，2017，37（10）：19-22.

[2]王定玲，夏美娟.太阳能自动跟踪系统设计[J].江苏科技信息，2017（2）：62-63.

[3]王林军，邵磊，门静，等.太阳能自动跟踪系统的研究现状及展望[J].中国农机化学报，2014，35（1）：283-287.

[4]王淼，王保利，焦翠坪，等.太阳能跟踪系统设计[J].电气技术，2009（8）：100-103.

[责任编辑：钟声贤]