基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)方案

1、 PAGE35 / NUMPAGES41摘要溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必需的根本設(shè)備，用它有效地控制溫度、光照、濕度、二氧化碳濃度等是改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最正確條件、防止外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙那疤?。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心完成了對(duì)空氣溫度、土壤濕度、光照度進(jìn)展數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等系統(tǒng)的根本框圖、工作原理和繼電器控制的設(shè)計(jì)的工作。主要容有：1通過單片雙端集成溫度傳感器AD590采集實(shí)時(shí)溫度。2通過濕度傳感器HS1100采集實(shí)時(shí)濕度。3通過固態(tài)電化學(xué)性二氧化碳傳感器TGS4160采集二氧化碳濃度。4判斷采集到的參數(shù)值與設(shè)置值是否一致，并進(jìn)展繼電器控制。 通過以上設(shè)計(jì)

2、可以對(duì)植物生長過程中的土壤濕度、環(huán)境溫度、光照度以與二氧化碳濃度進(jìn)展了實(shí)時(shí)地、連續(xù)地檢測(cè)、直觀地顯示并進(jìn)展自動(dòng)地控制。克制了傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法不能進(jìn)展連續(xù)測(cè)量的弊端，節(jié)省了工作量，并防止了人為的疏漏或錯(cuò)誤造成的不必要的損失。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 溫度傳感器 濕度傳感器 二氧化碳傳感器In this paperGreenhouse is essential for modern agriculture basic equipment, use it to effectively control, such as temperature, light, humidity, carbon dioxide

3、concentration is to change the plant growth environment, create the best condition for plant growth, avoid the seasons changeand the influence of bad weather. This design to STC89C52 single-chip microcomputer as the core to complete the air temperature, soil moisture, and light for data acquisition,

4、 processing and display system of the basic block diagram, working principle andthe design of relay control work. Main contents are: (1) by monolithic integrated temperature sensor AD590 to collect real-time temperature. (2) by the humidity sensor HS1100 gathering real-time humidity. (3) through sol

5、id electric chemical carbon dioxidesensor TGS4160 collecting carbon dioxide concentrations. (4) determine whether collected parameter value and set value, and relay control. Through the above can be designed for plants to grow in the process of soil humidity, environment temperature, light and co2 c

6、oncentration in real time, continuous detection, display visually and automatically control. Overcomes the traditional continuous measurement of the shortcomings of manual measurement method does not, and save the workload, and avoid the unnecessary loss caused by the omission or human error. Key wo

7、rds：SCMtemperature sensorhumidity sensorcarbon dioxide sensor目錄1.緒論1TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc7487 1.1 課題背景與研究意義11.2 國外溫室控制技術(shù)開展概況 HYPERLINK l _Toc26325 2 HYPERLINK l _Toc1569 國外狀況3 HYPERLINK l _Toc259 國狀況3 HYPERLINK l _Toc24383 1.3 選題的目的和意義32. 溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)5 HYPERLINK l _Toc3157 2.1 控制方案設(shè)

8、計(jì)52.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)62.3 HYPERLINK l _Toc20584 溫室大棚的硬件組成7 HYPERLINK l _Toc31262 7 HYPERLINK l _Toc21338 0 HYPERLINK l _Toc23546 2.4 溫室大棚的軟件組成11 HYPERLINK l _Toc32467 1 HYPERLINK l _Toc13070 2.5 測(cè)試系統(tǒng)的組成與原理13 HYPERLINK l _Toc1845 PAGEREF _Toc1845 14 HYPERLINK l _Toc8875 1 溫度測(cè)量電路 PAGEREF _Toc8875 14 HYPERLINK

9、l _Toc2367 2濕度測(cè)量電路 PAGEREF _Toc2367 15 HYPERLINK l _Toc26765 3CO2含量測(cè)量電路 PAGEREF _Toc26765 15 HYPERLINK l _Toc6065 PAGEREF _Toc6065 16 HYPERLINK l _Toc20621 2.6 程序模塊 PAGEREF _Toc20621 16 HYPERLINK l _Toc2764 PAGEREF _Toc2764 16 HYPERLINK l _Toc18060 PAGEREF _Toc18060 16 HYPERLINK l _Toc18696 PAGEREF

10、_Toc18696 17 HYPERLINK l _Toc202 PAGEREF _Toc202 173.溫室大棚的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)18 HYPERLINK l _Toc14989 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)18 HYPERLINK l _Toc19996 8 HYPERLINK l _Toc25882 9 HYPERLINK l _Toc11922 3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l _Toc23684 9 HYPERLINK l _Toc21134 9 HYPERLINK l _Toc21505 3.3 誤差分析19 HYPERLINK l _Toc15200 3.4 可靠性設(shè)計(jì)19 HY

11、PERLINK l _Toc16077 0 HYPERLINK l _Toc20953 PAGEREF _Toc20953 204.溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)21 HYPERLINK l _Toc8939 4.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) PAGEREF _Toc8939 21 HYPERLINK l _Toc10879 PAGEREF _Toc10879 21 HYPERLINK l _Toc5913 4.2 主要特點(diǎn) PAGEREF _Toc5913 22 HYPERLINK l _Toc11325 PAGEREF _Toc11325 22 HYPERLINK l _Toc27945 PAGEREF

12、 _Toc27945 22 HYPERLINK l _Toc13772 PAGEREF _Toc13772 22 HYPERLINK l _Toc21598 PAGEREF _Toc21598 22 HYPERLINK l _Toc32550 4.3硬件結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc32550 23 HYPERLINK l _Toc23427 4.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23427 23 HYPERLINK l _Toc8125 PAGEREF _Toc8125 23 HYPERLINK l _Toc14541 PAGEREF _Toc14541 245.總結(jié)25致26英漢互譯

13、27參考文獻(xiàn)35附 主程序流程圖36第1章 緒 論1.1 課題背景與研究意義中國農(nóng)業(yè)的開展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成局部。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)展檢測(cè)和控制。例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)展環(huán)境測(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的根本保證，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物到達(dá)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施

14、在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設(shè)施己經(jīng)開展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對(duì)大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可防止的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大與由于測(cè)控不與時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了本錢，浪費(fèi)了人力資源，而且很難到達(dá)預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)的開展，必須大力開展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚溫度、濕度以與二氧化碳的含量，

15、使大棚形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)高效益的重要環(huán)節(jié)。目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對(duì)其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)大棚的自動(dòng)化程度要求也越來越高。由于單片機(jī)與各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋．?dāng)前農(nóng)業(yè)溫室大棚大多是中、 小規(guī)模， 要在大棚引人自 動(dòng)化控制系統(tǒng)，改變?nèi)咳斯す芾淼姆绞?，就要考慮系統(tǒng)的本錢，因此，針對(duì)這種狀況，結(jié)合郊區(qū)農(nóng)戶的需要， 設(shè)計(jì)了一套低本錢的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)和單片機(jī)相結(jié)合，由上位機(jī)和下位機(jī)( 都用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)) 構(gòu)成，采用485接口進(jìn)展通訊，實(shí)現(xiàn)溫室大棚自動(dòng)化控制。中國農(nóng)業(yè)的開展必須

16、走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成局部?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)展檢測(cè)和控制。例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)展環(huán)境測(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的根本保證，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物到達(dá)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果

17、的生長。國外的溫室設(shè)施己經(jīng)開展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對(duì)大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可防止的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大與由于測(cè)控不與時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了本錢，浪費(fèi)了人力資源，而且很難到達(dá)預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)的開展，必須大力開展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚溫度、濕度以與二氧化碳的含量，使大棚形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)、高效益的重要環(huán)節(jié)。目前，隨著

18、蔬菜大棚的迅速增多，人們對(duì)其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)大棚的自動(dòng)化程度要求也越來越高。由于單片機(jī)與各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋?.2國外溫室控制技術(shù)開展概況國外狀況世界興旺國家如荷蘭、美國、以色列等大力開展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室溫度、光照、水、氣、肥實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)調(diào)控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形成了一整套完整的規(guī)化技術(shù)體系。美國是最早創(chuàng)造計(jì)算機(jī)的國家，也是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國有興旺的設(shè)施栽培技術(shù)，綜合環(huán)境控制技術(shù)水平非常高。環(huán)境控制計(jì)算機(jī)主要用來對(duì)溫室環(huán)境(氣象環(huán)境和栽培環(huán)境)進(jìn)展監(jiān)測(cè)和控制。以花卉溫室為例，溫室

19、監(jiān)控項(xiàng)目包括室氣溫、水溫、土壤溫度、鍋爐溫度、管道溫度、相對(duì)空氣濕度、保溫幕狀況、通窗狀況、泵的工作狀況、CO2濃度、Ec調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值、pH調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值；室外監(jiān)控項(xiàng)目包括大氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度等。溫室專家系統(tǒng)的應(yīng)用給種植者帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高了決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時(shí)也為種植帶來了很大方便2。以園藝業(yè)著稱的荷蘭從20世紀(jì)80年代以來就開場(chǎng)全面開發(fā)溫室計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并不斷地開發(fā)模擬控制軟件。目前，荷蘭自動(dòng)化智能玻璃溫室制造水平處于世界先進(jìn)水平，擁有玻璃溫室1.2萬多平方米，占世界1/4以上，有85的溫室用戶使用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境。荷蘭開發(fā)的

20、溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是通過人機(jī)交互界面進(jìn)展參數(shù)設(shè)置和必要的信息顯示，可繪制出設(shè)定參數(shù)曲線、修正值曲線以與測(cè)量的數(shù)據(jù)曲線，可以從數(shù)據(jù)庫調(diào)出設(shè)定的時(shí)間段參數(shù)以便于必要的數(shù)據(jù)查詢，并能直接對(duì)計(jì)算機(jī)串行口進(jìn)展操作，完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。上位機(jī)軟件集參數(shù)設(shè)置、信息顯示、控制等功能于一體，同時(shí)還能夠很好地完成溫室灌溉和氣候的控制和管理。此外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向開展。遙測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中?？刂埔竽茉谶h(yuǎn)離溫室的計(jì)算機(jī)控制室就能完成，即遠(yuǎn)程控制。另外該網(wǎng)絡(luò)還連接有幾個(gè)通訊平臺(tái)，用戶可以在遙遠(yuǎn)的地方通過形象、直觀的圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)對(duì)話，就

21、像在現(xiàn)場(chǎng)操作一樣，給人以身臨其境之感。國狀況我國農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開場(chǎng)于20世紀(jì)70年代，80年代開場(chǎng)應(yīng)用于溫室控制與管理領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代初期，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)氣象研究所和作物花卉研究所，研制開發(fā)了溫室控制與管理系統(tǒng)，并開發(fā)了基于Windows操作系統(tǒng)的控制軟件；90年代中后期，理工大學(xué)毛罕平等人研制開發(fā)了溫室軟硬件控制系統(tǒng)，能對(duì)營養(yǎng)液系統(tǒng)、溫度、光照、CO2、施肥等進(jìn)展綜合控制，是目前國產(chǎn)化溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)較為典型的研究成果。在此期間，中國科學(xué)院現(xiàn)代化研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院植物生理研究所等單位也都側(cè)重不同領(lǐng)域，研究溫室設(shè)施的計(jì)算機(jī)控制與管理技術(shù)?！熬盼迤陂g，國家科技攻關(guān)項(xiàng)目

22、和國家自然科學(xué)基金均首次增設(shè)了工廠化農(nóng)業(yè)(設(shè)施農(nóng)業(yè))研究項(xiàng)目，并且在項(xiàng)目中加大了計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究的力度，其中“九五國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程“工廠化高效農(nóng)業(yè)示工程中，直接設(shè)置了“智能型連棟塑料溫室結(jié)構(gòu)與調(diào)控設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施的專題3。20世紀(jì)90年代末，職業(yè)技術(shù)師學(xué)院的閆忠文研制了作物大棚溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，能對(duì)大棚的溫濕度進(jìn)展實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。中科院智能機(jī)械研究所研制了“農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境DET系列軟件和智能溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠有效地提高作物產(chǎn)量、縮短生長期、減小人工操作的盲目性。農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功“WJG-1溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，采用了分布式控制系統(tǒng)。省農(nóng)科院自動(dòng)化控制中心研制了“GCSI型智

23、能化溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用上位機(jī)加PLC的集散式控制方法，軟件采用智能化模糊算法。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研制的“省大型育苗溫室計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)分布式控制4。1.3 選題的目的和意義溫室是欣賞植物栽培生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，不同種類欣賞花卉對(duì)溫度與濕度等生長所需條件的要求也不盡一樣，為它們提供一個(gè)更適宜其生長的封閉的、良好的生存環(huán)境，以提早或延遲花期，最終將會(huì)給我們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)代科技的開展，電子計(jì)算機(jī)已用于控制溫室環(huán)境。該系統(tǒng)可自動(dòng)控制加熱、降溫、通風(fēng)。根據(jù)需要，通過按鍵將溫度信息輸入MCU，根據(jù)情況可隨時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境。溫室環(huán)境自動(dòng)化控制系統(tǒng)在大型現(xiàn)代化溫室的利用，是設(shè)施

24、栽培高新技術(shù)的表達(dá)。 本文將使用8051型單片機(jī)對(duì)溫度與濕度控制的根本原理實(shí)例化，利用現(xiàn)有資源設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)控制溫室大棚溫度、濕度等的控制系統(tǒng)。目的是通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我們將課本知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，更加深刻的理解自動(dòng)控制的運(yùn)作模式與意義，也能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)和技能更多的運(yùn)用于生活和工作中，學(xué)以致用。第2章 溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)目前,我國農(nóng)村使用的簡(jiǎn)易日光溫室絕大局部采用手動(dòng)控制,生產(chǎn)效率低下 ,單位產(chǎn)品的生產(chǎn)本錢偏高。隨著溫室產(chǎn)業(yè)的開展 ,溫室作物趨向于多樣化 ,對(duì)溫室的控制要求也隨之提高,手動(dòng)控制因其控制精度低已開場(chǎng)不能滿足溫室生產(chǎn)的需求,需要設(shè)計(jì)一種控制器減少手動(dòng)控制。而當(dāng)今國常見

25、的智能溫室系統(tǒng)都是采用工控機(jī)或者PLC方案,價(jià)格昂貴,較大局部用戶經(jīng)濟(jì)能力承受不起。因此,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要充分考慮用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力,減少溫室設(shè)計(jì)中的各種本錢,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,這在溫室上具有較為深遠(yuǎn)的意義。為此,針對(duì)簡(jiǎn)易日光溫室對(duì)溫度、濕度以與光照度等環(huán)境因素的控制要求,設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于STC89C58RD +單片機(jī)的低本錢溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)。2.1 控制方案設(shè)計(jì)植物的生長是在一定環(huán)境中進(jìn)展的,在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響,其中對(duì)植物生長影響最大的是溫度、濕度和光照度。環(huán)境中晝夜的溫度、濕度和光照度的變化大,對(duì)植物生長極為不利。現(xiàn)代溫室有外遮陽系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、自然通風(fēng)系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機(jī)

26、降溫系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等常用的環(huán)境系統(tǒng)，能夠?qū)χ参锏纳L進(jìn)展合理的控制,而如何才能合理地控制這些配套設(shè)備的運(yùn)作和協(xié)同那么需要有一套完善的硬、軟件溫室系統(tǒng)進(jìn)展控制。因此,本系統(tǒng)就是利用價(jià)格廉價(jià)的一般電子器件來設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)精度高,控制操作方便,性價(jià)比高的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的溫室大棚測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)對(duì)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)展巡回測(cè)量,并對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)展優(yōu)化補(bǔ)償,并進(jìn)展調(diào)控,此外主控制器還可以同時(shí)完成系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等,硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。由圖2.1可知,整個(gè)系統(tǒng)采用 STC89C58RD +單片機(jī)為處理核心,通過溫室現(xiàn)有的各種傳

27、感器檢測(cè)溫室的溫度、 濕度、光照度等環(huán)境因素,經(jīng)由控制系統(tǒng)的8路模擬量、數(shù)字量輸入接口傳輸?shù)?CPU中,并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)展比較、判斷、處理以與相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。然后將CPU處理后各種控制結(jié)果通過16路開關(guān)量輸出口傳送到電機(jī)和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的控制。溫室獨(dú)立控制系統(tǒng)上還包擴(kuò)各種人機(jī)界面和數(shù)據(jù)傳輸接口,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交換方式以與實(shí)時(shí)參數(shù)的設(shè)定。本控制系統(tǒng)采用宏晶科技公司生產(chǎn)STC51系列單片機(jī)控制器(STC89C58RD+)。該單片機(jī)具有強(qiáng)加密性,無法解密，具有超強(qiáng)的抗干擾性能,且芯片部自帶看門狗。STC89C58RD+單片機(jī)最高時(shí)鐘頻率為080MHz,32k的 Flash存儲(chǔ)器、12

28、80字節(jié)的RAM、擁有P4口適合需要多I/O的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、16k字節(jié)的E2PROM可以提供比其它單片機(jī)更多的存儲(chǔ)空間。其不需要依靠任何燒錄器,直接通過電腦上的串口以ISP方式進(jìn)展燒錄。這種單片機(jī)的燒錄方式操作簡(jiǎn)單容易,程序的調(diào)試靈活,修改方便,且不受地域、時(shí)間和環(huán)境的影響和限制,可為以后產(chǎn)品的改良和升級(jí)提供方便。圖2.1 總體結(jié)構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)由傳感器和單片機(jī)、控制裝置組成，傳感器將物理參量轉(zhuǎn)換為電壓并完成信號(hào)的調(diào)理，再送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809 ,由下位單片機(jī)AT89S51讀取，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過485總線送給上位機(jī)，上位機(jī)設(shè)有顯示功能，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參

29、數(shù)決定要采取的措施，并將信息傳給下位機(jī)，由下位機(jī)控制通風(fēng)和噴灌裝置，也可以通過鍵盤強(qiáng)制控制。智能溫室大棚控制系統(tǒng)的組成基于兩個(gè)方面：?jiǎn)螚潨厥掖笈锟刂葡到y(tǒng)和集約化生產(chǎn)連棟溫室大棚控制系統(tǒng)。后者建立在前者的根底上，前者適于我國農(nóng)村個(gè)體經(jīng)營的現(xiàn)狀。對(duì)于單棟溫室大棚控制系統(tǒng)，設(shè)置了獨(dú)立的控制和顯示等功能，并設(shè)置了RS-232和RS-485通訊接口，便于和上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)，其模式如圖2.2。另外，在設(shè)計(jì)過程中考慮到農(nóng)生產(chǎn)的特點(diǎn)，每個(gè)系統(tǒng)的各局部接口都作了模塊化設(shè)計(jì)，并增加備用接口和功能，便于大棚生產(chǎn)重建和生產(chǎn)場(chǎng)地的變化，也增加了系統(tǒng)的通用性,擴(kuò)大了適用圍。圖2.2 集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.3 溫

30、室大棚的硬件組成溫室大棚的硬件組成原理如圖2.3所示：圖2.3 溫室大棚系統(tǒng)的主要硬件組成原理圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì)與作物生長發(fā)育有關(guān)的環(huán)境溫度、濕度、光照度、CO2含量與土壤水量等參數(shù)進(jìn)展采集的功能,實(shí)現(xiàn)溫室大棚各種參數(shù)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，傳感器負(fù)責(zé)對(duì)溫室環(huán)境因子的采集，將采集信轉(zhuǎn)換為0-5伏的電壓信號(hào)，送入ADC0809,再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換,供單片機(jī)使用，而使用的各種類型傳感器，分別介紹如下：1. 溫度傳感器 溫度傳感器的選擇余地較大可選用集成溫度傳感器鉑電阻傳感器與數(shù)字式傳感器本系統(tǒng)采用市科技開展公司自動(dòng)化研究室生產(chǎn)的“可選通式溫度傳感器型號(hào)為KSG。優(yōu)點(diǎn)是置選通碼和數(shù)字信號(hào)傳輸，測(cè)溫圍為-10-50

31、，精度為:0.3，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。1.1溫度傳感器AD590簡(jiǎn)介AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。是利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。AD590具有線性好、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無需補(bǔ)償、熱容量小，抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離測(cè)溫并且使用方便等優(yōu)點(diǎn)。這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，測(cè)量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性。它的電源電壓可以在4V6V圍變化，電流Ir變化luA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b一e結(jié)壓降的

32、不飽和值V與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè):V=lnI ，K-波爾茲常數(shù)； q-電子電荷絕對(duì)值 集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時(shí)輸出為0，溫度25時(shí)輸出2.982v;電流輸出型的靈敏度一般為luA/K，本文選用的是電流輸出型溫度傳感器。AD59O的主要特性如下: 流過器件的電流(uA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)，即:Ir/T=luA/K； AD590的測(cè)溫圍為-55+150； AD590的保存溫度為-65+175； AD590的電源電壓圍為4V30V 輸出電阻為710M； 響應(yīng)時(shí)間僅為2

33、0us； 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-5+l50圍，非線性誤差為0.3。濕度傳感器 本系統(tǒng)的濕度傳感器選用Honeywell公司的集成濕度傳感器HIH3610，該傳感器部集成了信號(hào)處理功能電路，可完成將相對(duì)濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出的任務(wù)。輸出電壓為： 在本系統(tǒng)中固定為+5V，那么其輸出電壓值正比于濕度測(cè)量值，因此可由測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的溫度值決定。送LM258，在此處LM258起電壓跟隨作用，以與采集現(xiàn)場(chǎng)隔離和提高帶負(fù)載能力。然后信號(hào)送帶8路開關(guān)以與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件AD轉(zhuǎn)換器ADC0809,經(jīng)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)I/O口。在該

34、設(shè)計(jì)中溫度的極限參數(shù)為：-5OT7O；濕度的極限參數(shù)為lH99；溫度的顯示分度為01；濕度的顯示分度為05；芯片特點(diǎn)：低本錢，大批量OEM設(shè)計(jì)精度2%，激光修正互換性至5%線性電壓輸出對(duì)應(yīng)%RH低功耗設(shè)計(jì)：200A驅(qū)動(dòng)電流快速反響：15秒穩(wěn)定性好、低漂移、抗化學(xué)腐蝕性能HIH-3610有許多性能指標(biāo)，能性能指標(biāo)見表3.5表3.5 HIH-3610性能指標(biāo)RH精度12%RH，0-100%RH非凝結(jié)，25，供電電壓=5VDCRH互換性5%RH，0-60%RH；8%90%RHRH線性0.5%RH典型值RH遲滯1.2%RH滿量程(最大值)RH重復(fù)性0.5%RHRH反響時(shí)間1/e255秒，慢流動(dòng)的空氣中

35、RH穩(wěn)定性1%RH(典型值)，在50%RH環(huán)境，5年時(shí)間供電電源供電電壓消耗電源4到5.8VDC，傳感器在5VDC下標(biāo)定0.2mA5VDC輸出電壓供電電壓=5VDC驅(qū)動(dòng)限制Vout=Vsupply0.0062(Sensor RH)+0.16,典型值25(所附的工廠標(biāo)定數(shù)據(jù)提供類似的、每個(gè)傳感器單獨(dú)標(biāo)定的數(shù)據(jù)250.8到3.9VDC輸出25典型值對(duì)稱的拉/推：50A典型值，20A最小值，100A最大值開啟90%RH時(shí)，將引起3%RH的漂移2、當(dāng)供電電壓處于5V時(shí)，上限可提高3、傳感器對(duì)光敏感，為得到最好的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)防止傳感器接收亮光。3. 光照傳感器 光照傳感器選用硅太陽能電池的感應(yīng)元件與濾光

36、系統(tǒng)構(gòu)成光照傳感器,該傳感器將0-150000LX的光照信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)運(yùn)放電路放大為0-5電壓輸出。4. 土壤水分傳感器土壤水分傳感器采用中科院土壤研究所研制的電阻式土壤濕度傳感器，該傳感器由頭、塑料連接收、壓阻傳感器、真空表頭四局部組成，該傳感器輸出為電壓值此電壓值雖能反映出土壤水勢(shì)的狀態(tài)變化但它不能直觀地反映土壤水勢(shì)指標(biāo)值，所以需對(duì)傳感器進(jìn)展重新標(biāo)定。5. CO2傳感器CO2傳感器選用紅外線氣敏傳感器，此傳感器具有精度高，選擇性好，濃度檢測(cè)圍大等特點(diǎn)，此傳感器將質(zhì)量分?jǐn)?shù)圍在0-100010-6濃度的CO2轉(zhuǎn)換為0-5電壓輸出。傳感器輸出的電壓信號(hào)，直接送至A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)A/

37、D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)進(jìn)展相應(yīng)的運(yùn)算、顯示和儲(chǔ)存。它主要包括：ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換、單片機(jī)89C51、繼電器、侍服電機(jī)、本系統(tǒng)采用啟動(dòng)三環(huán)計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的SCB-51-IU單片機(jī)應(yīng)用板,采用片選法配備了89C51、2764、ADC0809、8155等芯片,具有較強(qiáng)的抗干擾能力微機(jī)系統(tǒng)采用普通的微機(jī)即可。1. A/D 轉(zhuǎn)換該設(shè)計(jì)選用ADC0809 把各被檢測(cè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送至主控制器，其優(yōu)點(diǎn)在于換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，線性度高，并可通過軟件程下直接實(shí)現(xiàn)溫度、土壤含水率等參數(shù)的切換。2. 系統(tǒng)控制器該設(shè)計(jì)選用20K字節(jié)存存儲(chǔ)器和部256字節(jié)RAM 的單片機(jī)AT89C55作為主控器。該系統(tǒng)由單片機(jī)

38、對(duì)溫度濕度等參數(shù)進(jìn)展巡回測(cè)量，并對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)展優(yōu)化補(bǔ)償，并進(jìn)展調(diào)控，此外，主控制器還可以同時(shí)完成系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以與與上位機(jī)通信等功能。主控器控制功能主要包括調(diào)濕、調(diào)溫和室外保溫等控制。調(diào)濕，通過AT89C55 控制加熱爐和風(fēng)機(jī)完成升溫，室降溫主要通過排氣扇完成和風(fēng)機(jī)完成。土壤調(diào)濕主要通過澆水、加肥來實(shí)現(xiàn)，可自動(dòng)完成或采用輔助報(bào)警，由人工完成。室外保溫通風(fēng)調(diào)光主要采用自動(dòng)或半自動(dòng)得外部設(shè)備完成。鍵盤和顯示由HD7279A完成。2.4 溫室大棚的軟件組成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和微機(jī)程序設(shè)計(jì)。它的主要功能模塊有：采集模塊、控制模塊、通訊模塊。1. 采集模塊采集模塊主要完成對(duì)ADC

39、0809的通道的控制和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，并將結(jié)果暫存人數(shù)據(jù)區(qū)。通過對(duì)AT89S51定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)，每15min 采集1 次，用定時(shí)器T,定時(shí)來確定三個(gè)參量的采集時(shí)間間隔，定為0.50s。溫室布置有溫度、濕度、土壤水分、光照傳感器、溫度傳感器將采集的信號(hào)送到89C51的定時(shí)器T0的輸入端, 通過對(duì)定時(shí)器 T0的計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)溫度的采集；度、土壤水分、光照傳感器采集的電壓值分別通過校正，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0-5電壓，送到ADC0809的輸入端，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，變換為數(shù)字信號(hào)，送到89C51。由于傳感器、ADC0809的采集、轉(zhuǎn)換速度快，一分鐘可以采集成千上萬條數(shù)據(jù)，溫室環(huán)境因子變化沒有這么快，在實(shí)際

40、應(yīng)用中，沒有必要對(duì)這些數(shù)據(jù)都進(jìn)展處理，所以要對(duì)采集的周期加以控制。本實(shí)驗(yàn)每五分鐘采集一次溫度、濕度、土壤水分、光照傳感器，將采集值送到89C51。2. 控制模塊控制模塊分溫度控制、空氣濕度控制、光照控制、土壤濕度控制。根據(jù)不同的控制要求，發(fā)出不同的控制信號(hào),。通過繼電器、行程開關(guān)、電機(jī)、控制開關(guān)窗、屋頂噴淋、遮陽網(wǎng)、滴灌，到達(dá)實(shí)時(shí)控制的要求控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)和噴灌裝置的控制，當(dāng)接收到上位機(jī)的控制信號(hào)時(shí)，將相應(yīng)的引腳置零即可開通通風(fēng)和噴灌裝置?？刂颇K分溫度控制、濕度控制、光照控制，當(dāng)溫室的溫度高于設(shè)定的溫度上限時(shí)，通過開窗裝置開窗通風(fēng)，噴淋裝置在屋頂上噴淋，到達(dá)溫室降溫的目的，當(dāng)溫室的溫度低于

41、設(shè)定的溫度下限時(shí)，通過關(guān)窗來實(shí)現(xiàn)保溫目的。濕度的控制同樣是通過開關(guān)窗和溫室噴淋來實(shí)現(xiàn)光照控制是通過遮陽網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)太陽的光照強(qiáng)度高于設(shè)定的光照值時(shí)，關(guān)遮陽網(wǎng)，低于設(shè)定的值，開遮陽網(wǎng)，滴灌控制是當(dāng)土壤水分傳感器的值低于設(shè)定的值時(shí)，翻開滴灌裝置進(jìn)展灌溉。3. 通信模塊通訊模塊可將采集到的參量傳到上位機(jī)，并接收上位機(jī)發(fā)來的控制信息。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信，便于用戶遠(yuǎn)程管理，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)和控制裝置當(dāng)前的狀態(tài)信息通過RS-485送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息的上傳。通訊模塊首先需要初始化設(shè)置,設(shè)置串口的工作方式、波特率、定時(shí)器的工作方式,設(shè)置串口中斷位和全局中斷位。其次設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)的幀格式,向上位機(jī)發(fā)

42、送的數(shù)據(jù)有溫度、濕度、光照、當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)等,不同的數(shù)據(jù)之間需要有區(qū)分標(biāo)志,在數(shù)據(jù)區(qū)的頭部加上聯(lián)絡(luò)標(biāo)志和完畢標(biāo)志；接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)有各種控制信號(hào),在各個(gè)控制信號(hào)間有區(qū)分標(biāo)志,同樣在數(shù)據(jù)區(qū)的頭尾有標(biāo)志信號(hào),目的是區(qū)分是有效數(shù)據(jù)還是誤碼。如果是誤碼, 那么不處理,不執(zhí)行控制處理程序,直接退出中斷；如果是有效數(shù)據(jù), 那么接收, 并根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)展操作,向控制部件發(fā)送命令,控制開關(guān)窗、遮陽網(wǎng)等部件,到達(dá)實(shí)時(shí)控制的目的。最后在主程序中,使用順序方式向微機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；使用中斷方式承受微機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)。單片機(jī)串行通信的工作方式如下:MOV TMOD, #25H；選用定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器,工作模式 2。M

43、OV TH1, #0F3H；定時(shí)器初植,波特率為 1200B/S。MOV TL1, #0F3H；8 位重裝。MOV SCON, #50H；串行口工作方式設(shè)置為方式 1,REN=1。MOV PCON, #00H；設(shè)置波特率的選擇位。SETB TR1；啟動(dòng)定時(shí)器 T1。SETB ES；串口中斷允許SETB EA；中斷允許。微機(jī)軟件設(shè)計(jì)也由動(dòng)態(tài)顯示模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、通信模塊四個(gè)局部組成，通過動(dòng)態(tài)顯示模塊可以與時(shí)監(jiān)控各環(huán)境因子的變化，控制模塊可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)展監(jiān)控，如開關(guān)窗、噴淋等控制，數(shù)據(jù)庫模塊是為作物生長環(huán)境的設(shè)定而積累數(shù)據(jù)，通信模塊是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信，上位機(jī)將控制信號(hào)通過RS

44、-485送到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的下傳。下面給出主程序流程圖，如附錄所示：溫室大棚種植提高了人們的生活水平并得到了迅速的推廣和應(yīng)用。溫室大棚種植的環(huán)境,如溫度、濕度和二氧化碳含量等是對(duì)農(nóng)作物生長影響最大的因素,傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息管理與科學(xué)種植的要求,國對(duì)溫室大棚參數(shù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用尚在起步階段,而引進(jìn)國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴,很難適合中國農(nóng)村的實(shí)際需求。為此,作者研制了一種性價(jià)比較高、運(yùn)行可靠的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),以適合中國溫室大棚種植科學(xué)化管理的推廣與應(yīng)用。2.5 測(cè)試系統(tǒng)的組成與原理本系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)捷的數(shù)字采集系統(tǒng)將其動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)地測(cè)量并顯示,設(shè)計(jì)分

45、為硬件局部和軟件局部。硬件方框圖如圖2.5所示。分為傳感器與其整理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、按鍵與顯示模塊。傳感器把被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并經(jīng)過整理電路調(diào)理變?yōu)?5V的直流電壓信號(hào),再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送入單片機(jī),經(jīng)過計(jì)算,以分時(shí)顯示的形式,把3個(gè)被測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)地輪流顯示出來，軟件采用匯編語言的程序模塊構(gòu)成。圖2.5 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)方框圖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是傳感器與其整理電路。傳感器性能的好壞直接影響到測(cè)量精度、測(cè)量圍和響應(yīng)速度。因此，選擇適宜的傳感器直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能，溫度傳感器選用單片雙端集成溫度傳感器AD590,濕度傳感器選用濕敏電容 HS1100,CO2傳感器選

46、用固態(tài)電化學(xué)型CO2傳感器TGS4160 。1 溫度測(cè)量電路采用溫度傳感器 AD590,其測(cè)溫放大電路設(shè)計(jì)如2.6示。電路中的ICL7650S芯片是斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。直流電壓 +12V通過電阻R1、電位器RP1加到AD590上,AD590的輸出電流在R1,RP1上產(chǎn)生電壓降,使放大器ICL7650S反相輸入端的電位隨溫度而變化,在其輸出端獲得與被測(cè)溫度成正比的直流電壓。電路中的電位器RP1用于調(diào)零,RP3用于調(diào)滿刻度,這樣可以極改善AD590非線性引起的誤差,R用于調(diào)節(jié)放大器ICL7650S的輸入失調(diào),ICL7650S輸出端的R5 和C1構(gòu)成濾波器用于濾除斬波尖峰干擾。電路的測(cè)溫圍為0100

47、,相應(yīng)輸出為05V,呈現(xiàn)線性關(guān)系。圖2.6溫度傳感器 AD590的檢測(cè)電路2濕度測(cè)量電路采用的HS1100濕度傳感器是Sensation公司基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件， HS1100濕度傳感器的原理是由濕度傳感器的干濕介質(zhì)在外界的相對(duì)濕度變化時(shí)，吸附/脫附空氣中的水汽分子,使感濕介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化,引起濕度傳感器的電容值改變，濕度傳感器實(shí)際上相當(dāng)于1個(gè)可變電容,其電容的變化值與空氣中的相對(duì)濕度成一一對(duì)應(yīng)的正比線性關(guān)系,相對(duì)濕度越大,濕度傳感器的電容越大；相對(duì)濕度越小,濕度傳感器的電容越小。將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)承受的信號(hào),常用2種方法:一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與容阻組成的放大器電

48、路中,所產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)直流放大、 再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于振蕩電路中,將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻串信號(hào),可直接被計(jì)算機(jī)所采集。在此采用第1種測(cè)量方法,測(cè)量電路如圖2.7示。Uf為外加的10 kHz方波信號(hào)。C2是固定電容,為了獲得最正確的靈敏度放大系數(shù)取其電容值為180 pF,由此將相對(duì)濕度的基準(zhǔn)點(diǎn)定為55%,并且與濕度傳感器HS1100的電容CT構(gòu)成一開關(guān)電容分壓放大電路,CT 與C2的連接點(diǎn)電壓UC為運(yùn)放的同相輸入電壓信號(hào),U02為運(yùn)放輸出電壓信號(hào),其輸入/輸出特性:當(dāng)輸入電壓UC減小時(shí),輸出電壓U02增大。當(dāng)相對(duì)濕度減小時(shí),CT 容抗增大,UC增大,

49、而U02減小,反之當(dāng)濕度增大時(shí),U02增大。圖2.7 濕度/電壓轉(zhuǎn)換電路3CO2含量測(cè)量電路采用TGS4160型CO2傳感器測(cè)量CO2,它是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件,當(dāng)該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反響,通過監(jiān)測(cè)S(+),S(-)2個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值EMF,就可以測(cè)量CO2的含量值。為使傳感器保持在最敏感的溫度上,需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)展加熱，加熱電壓穩(wěn)定在(50.2)V。為了保證CO2含量的準(zhǔn)確測(cè)量,除了保證加熱電壓穩(wěn)定與對(duì)環(huán)境溫度的變化進(jìn)展溫度補(bǔ)償外,更主要的是要測(cè)量?jī)呻姌O之間變化的電勢(shì)值,而不是絕對(duì)電勢(shì)值。在-10 +50溫度圍,根本不受溫度的影響保持常量.傳

50、感器測(cè)量圍是 3501 000 mLL - 1,但根據(jù)溫室大棚CO2含量的實(shí)際情況,在此設(shè)定所測(cè)量的CO2含量在350900mLL- 1之間,在這個(gè)圍可以滿足測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際需要。但要把TGS4160的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成05V的電壓,需要把傳感器的輸出信號(hào)CO2含量對(duì)應(yīng)的絕對(duì)電勢(shì)值轉(zhuǎn)換到傳感器兩極之間變化的電勢(shì)值,然后再放大。設(shè)計(jì)采用2級(jí)減法運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)(圖2.8) 圖2.8 測(cè)量CO2電路的減法電路微處理器選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī),A/D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809,利用ADC0809轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存功能,直接與AT89C51的總線相連接口電路如圖2.9所示,按鍵電路設(shè)計(jì)為4

51、個(gè)按鍵,其中SW4是復(fù)位鍵,另3個(gè)是功能鍵。設(shè)置的按鍵的功能是:按SW1顯示溫度的參數(shù)值；按S W2顯示濕度的參數(shù)值；按SW3顯示CO2含量參數(shù)值；復(fù)位鍵的作用是,當(dāng)按下“S W1,“S W2或“S W3 任意1個(gè)鍵時(shí),顯示器那么只顯示其對(duì)應(yīng)的參數(shù)值,可以通過按復(fù)位來使顯示器恢復(fù)輪流顯示，顯示采用4位LED顯示，其中3位顯示所測(cè)量參數(shù)信號(hào)的大小,另1位代表所測(cè)信號(hào)的通道，利用AT89C51的P0口和P2口的低4位來驅(qū)動(dòng)顯示。在P0口的8根數(shù)據(jù)線和段碼管的8根數(shù)據(jù)線之間接一單向驅(qū)動(dòng)芯片74LS244,增加P0口的驅(qū)動(dòng)能力,驅(qū)動(dòng)芯片的輸出口又接了8個(gè)470的電阻RP ,可以作為限流電阻,以免段碼管

52、的功耗太大而燒壞管子。P2口的低4位輸出是選擇位段碼。顯示電路的工作方式是動(dòng)態(tài)掃描法。圖2.9 微處理器硬件接口電路2.6 程序模塊系統(tǒng)上電時(shí),初始化程序?qū)?0H,71H,72H存單元清零，P3口置零。剛上電時(shí),系統(tǒng)默認(rèn)位循環(huán)顯示3個(gè)通道的參數(shù)值狀態(tài).當(dāng)進(jìn)展一次測(cè)量時(shí),將顯示每一通道的A /D轉(zhuǎn)換值 ,每個(gè)通道的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為 1 s左右。主程序在調(diào)用測(cè)試子程序,顯示子程序和判斷按鍵之間循環(huán),主程序圖見圖2.10。顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)4位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，測(cè)得的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在70H,71H和72H存單元中,測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需要轉(zhuǎn)換為BCD碼放在 73H,74H和75H單元中,其中7

53、6H存放通道標(biāo)志數(shù)。存放器R3用作3路循環(huán)控制,R0用作顯示數(shù)據(jù)地址指針，由于顯示器用的是段碼顯示,不能顯示各參數(shù)的單位,但各個(gè)通道的單位是一定的。模/數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量子程序用來控制對(duì)ADC0809三路模擬輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換,并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值移入70H,71H和72H存單元。圖2.10測(cè)試系統(tǒng)主程序流程圖溫度的測(cè)量圍是0100,模擬量輸出是05V；濕度的測(cè)量圍是 0100%,模擬量輸出為 03.55 V；CO2含量的測(cè)量圍是 350900mLL - 1,輸出為 03.46V。運(yùn)用程序進(jìn)展數(shù)據(jù)處理可到達(dá)要求的精度。第3章 溫室大棚的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隨著我國經(jīng)濟(jì)的開展,農(nóng)民增收緩慢的問題逐漸成為阻礙我國經(jīng)濟(jì)

54、穩(wěn)定開展的一大隱患。解決此問題的關(guān)鍵是大力開展農(nóng)業(yè)科技,逐步走向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。溫室大棚技術(shù)在農(nóng)業(yè)中有著舉足輕重的作用,是提高農(nóng)業(yè)科技水平的關(guān)鍵。3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡(luò)式的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。上位機(jī)由AT89S51 單片機(jī)作為控制器,外加LCD1602和假設(shè)干按鍵構(gòu)成人機(jī)交互界面,同時(shí)設(shè)有報(bào)警裝置。上位機(jī)硬件框圖如圖3.1所示:上位機(jī)主要完成的功能是接收下位機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)并顯示溫室大棚中的平均溫度和平均濕度。用戶可以通過按鍵對(duì)進(jìn)展溫度和濕度的設(shè)定。同時(shí),還具有報(bào)警機(jī)制,當(dāng)某處的溫度和濕度出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)展聲光報(bào)警并顯示異常點(diǎn)。下位機(jī)由ATtiny2313和溫濕度傳感器組成。主要完成的工作是溫度信號(hào)

55、與濕度信號(hào)的采集,同時(shí)傳輸給上位機(jī)。ATtiny2313是 AT2MEL 公司發(fā)布的AVR 系列中的一款低端產(chǎn)品。該芯片采用的 RISC結(jié)構(gòu),比一樣時(shí)鐘的51單片機(jī)執(zhí)行速度快約12倍。它有20個(gè)引腳,其中有18個(gè)是可編程的I0口,具有豐富的擴(kuò)展功能,并且部集成了RC振蕩器,無需外部晶振。芯片還具有三個(gè)定時(shí)器其中一個(gè)帶有捕獲功能,兩個(gè)外部中斷。芯片價(jià)格低廉也是其優(yōu)點(diǎn)之一。上位機(jī)與下位機(jī)通信采用的RS485總線形式,這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)展多點(diǎn)雙向通信,它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度與可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比較的。圖3.1 上位機(jī)硬件框圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)溫

56、度和濕度,經(jīng)過數(shù)字濾波處理后存儲(chǔ)在控制器中,當(dāng)上位機(jī)查詢下位機(jī)時(shí),下位機(jī)通過RS485總線將溫度值和濕度值傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)每隔10分鐘查詢一次所有的下位機(jī),將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)行處理,排除干擾值,確定當(dāng)前的溫室大棚的溫度和濕度,同時(shí)將其顯示在 LCD 屏上。上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前溫室大棚的溫度和濕度,判斷是否需要操作相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上位機(jī)除了正常的數(shù)據(jù)收集和顯示作用外,還可以通過按鍵進(jìn)展溫濕度的設(shè)定,查詢每個(gè)下位機(jī)的具體值。同時(shí)還具有報(bào)警功能,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫濕度異常時(shí)能經(jīng)行聲光報(bào)警。3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件主要有鍵盤模塊,顯示模塊,控制決策模塊,通訊模塊,和報(bào)警模塊。鍵盤模塊功能包括參數(shù)和功能設(shè)

57、置,下位機(jī)查詢。顯示模塊是用于同時(shí)顯示測(cè)得的溫度值和濕度值?？刂茮Q策模塊根據(jù)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)判斷當(dāng)前是否需要調(diào)溫或調(diào)濕。通訊模塊功能是與下位機(jī)經(jīng)行數(shù)據(jù)的傳輸。報(bào)警模塊是指溫度或濕度出現(xiàn)異常時(shí),發(fā)出警報(bào)。下位機(jī)軟件主要有采集模塊,通訊模塊和控制模塊。采集模塊主要完成溫度采集和濕度采集。通訊模塊主要完成向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的工作?？刂颇K功能是控制調(diào)溫裝置和調(diào)濕裝置。3.3 誤差分析系統(tǒng)誤差來源有兩個(gè),一個(gè)是系統(tǒng)硬件,另一個(gè)是系統(tǒng)軟件。硬件帶來的誤差包括傳感器選型,采樣電路器件選型和電路設(shè)計(jì)等方面。軟件誤差主要是指異常數(shù)據(jù)的干擾和數(shù)值處理的精度。減小誤差的方法有以下幾種:1選擇高精度的傳感器。2設(shè)計(jì)抗

58、干擾性強(qiáng)的電路。3選擇支持浮點(diǎn)運(yùn)算的控制器。4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)字濾波,排除干擾。5數(shù)值處理利用定點(diǎn)算法。本系統(tǒng)在選擇適宜的器件和合理的電路同時(shí),在軟件上也采用了數(shù)字濾波和定點(diǎn)算法,減小了系統(tǒng)誤差。3.4 可靠性設(shè)計(jì)用于工業(yè)控制場(chǎng)合的系統(tǒng)對(duì)可靠性有較高的要求,只有具有較高可靠性的系統(tǒng)才具有實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)的可靠性包括軟件的可靠性和硬件的可靠性。單片機(jī)硬件系統(tǒng)的抗干擾能力與元器件質(zhì)量、裝配質(zhì)量等因素都有關(guān)系,但其中起決定作用的是設(shè)計(jì)過程,因此在設(shè)計(jì)中我們采取了以下抗干擾措施:(1) 采用光電隔離；(2)采用過壓保護(hù)電路；(3)采用抗干擾穩(wěn)壓電源；(4)采用良好的接地系統(tǒng)。軟件局部可靠性主要通過抗干擾設(shè)計(jì)

59、實(shí)現(xiàn),其中本系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì)主要包括以下局部:(1)采用數(shù)字濾波方法來抑制輸入通道的干擾；(2)對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)處理；(3) 對(duì)局部關(guān)鍵控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)展監(jiān)測(cè)；(4) 采用指令冗余、軟件陷阱、“ 看門狗 等方法防止程序混亂。第4章 溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)近年來，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)得到了較大的開展，溫室大棚作為新的農(nóng)作物種植技術(shù)，已突破了傳統(tǒng)農(nóng)作物種植受地域 、自然環(huán)境、氣候等諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。而溫室大棚的檢測(cè)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化的最關(guān)鍵、最為重要的環(huán)節(jié)。目前我國的溫室大棚，多依靠人工經(jīng)歷進(jìn)展管理，或以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路的較多，自動(dòng)化程度不高，效率低下，就農(nóng)

60、作物的生長環(huán)境而言，溫度、 濕度、光照、二氧化碳是其最根本的要素，作為檢測(cè)控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)以上要素的數(shù)據(jù)采集與分析處理，并進(jìn)展相應(yīng)的控制，以使溫室大棚為農(nóng)作物的生長提供一個(gè)良好的環(huán)境。4.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)溫室大棚檢測(cè)控制系統(tǒng)為滿足室環(huán)境檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)采用多級(jí)子系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)和伺服子系統(tǒng)4局部。1. 傳感器子系統(tǒng) 傳感器子系統(tǒng)是檢測(cè)控制系統(tǒng)的主要信息來源，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)，分析加工和控制的可靠性與準(zhǔn)確性。傳感器主要包括檢測(cè)溫室大棚部溫度的溫度傳感器、檢測(cè)室空氣與土壤水分的濕度傳感器、檢測(cè)室光照度的光照傳感器、