蔬菜大棚卷帘门和换气扇步进电机智能控制器的设计

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摘要：为实现蔬菜大棚温湿度的智能控制，以AT89S52单片机为控制核心，35BYJ46步进电机为控制对象，采用ULN2003A驱动芯片实现对步进电机的转速及定位控制，根据实时采集的温湿度数据，通过控制卷帘门的开度及换气扇的转速，从而调节蔬菜大棚的温湿度。同时，通过M35模块（GPRS）和红外模块可以实现控制系统的远程控制和近程控制。

关键词：蔬菜大棚；步进电机；AT89S52；温湿度控制；智能控制器

中图分类号：TP273；S126 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）15-3681-04

近年来随着种植业结构的调整与优化，蔬菜产业发展迅猛，特别是利用温室大棚种植蔬菜已成为广大农民致富的主导产业之一，如何对大棚蔬菜进行智能控制以提高经济效益成为当前亟须解决的问题。影响大棚蔬菜经济效益的主要因素是温度和湿度，而这些都是通过卷帘门的打开程度进行控制的。为了达到最合适的温度和湿度，就要对光照强度和空气流通进行合理控制，要想达到最佳的控制状态，关键是对步进电机的控制。因此设计了以单片机为核心的智能步进电机控制器。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在正常运行的情况下，电机的转速、反转、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[1]。当前用于步进电机的芯片有MCS-51系列、TMC428系列、DSP系列以及一些驱动芯片，这些芯片在控制原理上基本相同[2-4]。这里应用AT89S52单片机对大棚蔬菜卷帘门和换气扇步进电机进行智能控制。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件结构图

系统主要由单片机最小系统、M35模块（GPRS）、DS1302定时模块、SHT11温湿度模块、ULN2003A驱动模块、TC9012红外模块以及步进电机等几部分组成，其系统原理框图如图1。

系统采用AT89S52单片机作为控制芯片，应用ULN2003A实现对步进电机的控制。ULN2003A（国产型号为5G1413）是七路达林顿驱动器阵列，为个集电极开路（OC）输出的反向器，最大动电流可达到500 mA。选用四相八拍步进电机35BYJ46作为控制对象。GPRS模块使用M35，利用上位机软件可以实现换气扇转速和卷帘门开闭远程无线控制。同时还可利用红外模块实现定时、温湿度设定、步进电机的开始、暂停、不同速度的运行和正反转运行等近程控制，从而可实行工作方式的控制，显示器实现实时显示当前的转动速度、卷帘门处在状态、设定时间、设定温度、实时时间，从而实现了步进电机控制的可视化，同时也实现了控制的准确性。显示电路采用74HC573来实现数据锁存。

1.2 ULN2003A驱动的功能特点

在大型仪器仪表系统中，经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。ULN2000、ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，这类器件功能强、应用范围广[5]。ULN2003A由7对NPN达林顿管组成，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500 mA，达林顿管并联可以承受更大的电流。ULN2003A芯片的每一对达林顿都串联一个2.7 kΩ的基极电阻，也可以不用限流电阻而直接由AT89S52的P2口驱动。在5 V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。信号脉冲通过P2口送出，可经4.7 kΩ上拉电阻接到ULN2003A芯片的输入端口。P2口分别对应ULN2003A的1C、2C、3C、4C输出端。在使用步进电机对卷帘门控制时，对P2.0～P2.3口赋予不同的值来送出电机正转或反转的脉冲信号；在使用步进电机对换气扇进行转速控制时，对延时函数进行调整来控制P2.4～P2.7口输出值的频率来调节步进电机转动速度。表1和表2分别为步进电机正反转时引脚输入值。

1.3 SHT11温湿度模块

温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽如人意。SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。

该传感器采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免电路及全互换的特点。温湿度采集电路如图2，芯片供电电压3.3 V，在电源引脚VDD和GND之间安装一个100 nF的电容，起到去耦滤波的作用，串行接口是两线式的结构，串行时钟输入SCK与单片机的P3.7相连，用于单片机与SHT11之间的通讯同步；串行数据DATA是一个三态门结构，与单片机的P3.6相连，用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿改变状态，并仅在SCK上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA需要保持稳定，为了避免信号冲突，再安装一个10 kΩ上拉电阻R1，使P3.6口输出低电平。

1.4 硬件电路原理图

根据控制系统原理框图及对蔬菜大棚的控制要求，得到如图3所示的电路原理图，通过SHT11温湿度模块、DS1302定时模块、ULN2003A驱动模块和TC9012红外模块实现对大棚温湿度的控制。其中ULN2003A为步进电机驱动芯片，第一片ULN2003A驱动步进电机1对卷帘门进行控制，以控制卷帘门打开的程度；第二片ULN2003A驱动步进电机2，实现对换气扇转速的控制，可控制换气扇的转速。定时模块DS1302是为了当早晨和晚上时控制系统对两个步进电机进行控制，通过定时模块DS1302来定时打开和关闭卷帘门和换气扇。而SHT11模块对大棚中温湿度进行实时测量，当需要调整大棚里的温湿度时，单片机就会对相关的步进电机进行控制，控制卷帘门的打开程度和换气扇的转速，从而来调节大棚中温湿度。红外模块是一个进行人机直接操作的媒介，通过红外摇控器可以对定时时间、设定温湿度进行调整从而可以更好地满足大棚蔬菜的生长条件。

此外，硬件系统中还加入了GPRS模块M35，实现了对大棚中步进电机的远程控制，可以通过上位机软件或者是手机信息等方式，控制大棚中步进电机的工作状态；同时单片机在进行动作后还可以通过M35模块把调节后的一些信息传给上位机或者是手机。

2 系统软件设计

大棚蔬菜卷帘门和换气扇步进电机智能控制器的工作方式有3种：红外摇控控制、根据条件自动控制、GPRS远程控制。通常工作在根据条件自动控制方式下，温湿度变化比较细微，因此在这里对相应的步进电机的控制也是比较细微的，可以通过微处理器发送一定频率的脉冲，对卷帘门步进电机转动角度进行精确控制，也可以通过微处理器发送改变后的频率的脉冲，来对换气扇的步进电机进行转速控制。因为步进电机转动的角度是靠脉冲控制的，而转动速度是靠频率控制的。

在大棚蔬菜卷帘门和换气扇步进电机智能控制系统中单片机主要作用是处理定时、接收红外信号、采集外部温湿度、产生脉冲序列、驱动显示电路还有判断执行条件的功能，它们分别是通过单片机AT89S52的P3口、P2口、P0口实现的。对于不同的脉冲序列，卷帘门步进电机转动角度不同，从而使卷帘门的打开和关闭程度不同；而不同的频率脉冲又使换气扇的步进电机转动速度不同，从而达到调速目的。在软件设计中采用多种条件并列进行判断的形式，这样可以使各个执行条件之间不会产生冲突，并且可以使软件执行起来更加稳定。在这个设计中脉冲的产生是依靠中断，为了不和红外接收及发射中断产生冲突，系统采用先进行红外中断扫描判断，过后采用中断屏蔽把红外中断关闭，然后进行脉冲中断，当执行完这些以后，再打开红外中断。因为在这个智能系统中条件比较多，要先对各个条件进行编号，在执行过程中，如果多个条件同时要执行时，系统会对其进行一个前期优先级判断，对优先级高的进行执行，数字大优先级高（表3）。

在步进电机程序设计时，采用延时函数来输出控制脉冲，因为使用延时函数可能会对数码管显示电路造成影响，因此在这里可以用数码管扫描来代替延时函数，具体程序为：

3 小结

以AT89S52单片机为控制核心，35BYJ46步进电机为控制对象，根据实时采集的温湿度数据，通过控制卷帘门的开度及换气扇的转速，实时调节蔬菜大棚的温湿度。采用多种条件并行判断的方法控制步进电动机的正反转和转速，通过M35模块（GPRS）和红外模块实现控制系统的远程控制和近程控制。

基于AT89S52单片机的步进电机正反转以及转速控制的设计，具有控制灵活、方便可靠等一系列优点，在以后的一些智能系统中应用会更加广阔。

参考文献：

[1] 坂本正文. 步进电机应用技术[M]. 王自强，译. 北京：科学出版社，2010.

[2] 李 昕，曲梦可，荣 誉. 基于MSP430单片机的模糊温湿度控制器的设计[J]. 传感技术学报，2007，20（4）：805-808.

[3] 郭清华. 蔬菜大棚智能温度控制系统应用研究[J]. 安徽农业科学，2008，36（22）：4487-4488.

[4] 赵鸿图. 基于单片机的温度控制系统的设计与实现[J]. 微计算机信息，2008，24（9）：54-56

[5] 何 冲，王淑红，侯胜伟，等. 基于AT89C52单片机的步进电机控制系统研究[J]. 电气技术，2012（4）：5-8.