基于單片機的溫室智能測控系統(tǒng)的設計1

!74!!!!!!!!傳感器與微系統(tǒng)（"#$%&’()*#$%’+,)#-&.&/*0"*)1%-2-3,*&）!!!!!!!!!4556年第47卷第7期基于單片機的溫室智能測控系統(tǒng)的設計徐志如8，4，崔繼仁4（!9東北林業(yè)大學機電學院，黑龍江哈爾濱!"###!；$9佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江佳木斯!"%##&）摘!要：在傳統(tǒng)的溫室自動化監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，針對目前溫室面積不斷增大，溫室內傳感器種類及數(shù)量不斷增多等情況，采用新型傳感器設計出基于單片機的溫室環(huán)境智能測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示、存儲、查詢、統(tǒng)計、控制等。通過控制不同時期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了溫室的智能化管理。具有操作簡便、自動化程度高和良好的人機交互功能，提高了產品質量和生產效率。實驗結果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。關鍵詞：單片機；探測器；控制程序中圖分類號：":484!!!文獻標識碼：;!!!文章編號：8555<=>?>（4556）57<5574<5@’()*+,-.+/((,0-1)(*,2(33*+(,24(5)1/*,+5,67-,2/-33*,+)8)2(495)(6-,)*,+3(:70*;4*7/-7-4;12(/ABC1,D#(

8，4

，EBFG,D#*%4（!<=-33(+(-.>(705,*7)5,6?3(72/*7*28，@-/20(5)2A-/()2/8B,*C(/)*28，D5/9*,!"###!，=0*,5；$<’(;5/24(,2-.E,.-/452*-,5,6?3(72/-,*7F(70,-3-+8，G*541)*B,*C(/)*28，G*541)*!"%##&，=0*,5）H9)2/572：F%/1*)$&*-H/1$//1*I,%’$%’%(0J*#-H/#$%&’()*#&$#*,%)#*$&,%3$2-%3K,/1/1*$#*$-H/1*3#**%D1-(&*,%)#*&$&,%3，J$&*’-%/1*/#$’,/,-%$23#**%D1-(&*$(/-0$/,)0-%,/-#,%3&.&/*0&，$,%/*22,3*%/0*$&(#,%3$%’)-%/#-22,%3&.&/*0(&,%3&,%32*D)1,L0,)#-)-0L(/*#,&’*&,3%*’9M-0*H(%/,-%&$#*#*$2,N*’&()1$&’,&L2$.，&/-#$3*，O(*#.，&/$/,&/,)$%’)-%/#-29"1*3#**%D1-(&*,&0$%$3*’,%/*22,3*%/2.J.)-%/-22,%3-L/,0(0*%P,#-0*%/L$#$0/*#/1$/’,HH*#*%/D/,0*)#-L,&%**’*’9"1,&&.&/*01$&1,31$(/-0$/,)’*3#**，3--’H(%)/,-%&-H1(0$%D)-0L(/*#,%/*#$)/,-%，&-/1*L#-’()/,-%*HH,),*%).,&,0L#-P*’9"1**QL*#,0*%/$2#*&(2/&1-K&/1$//1,&&.&/*0#(%&K*22，$%’1$&J*//*#P$2(*-HL#$)/,)$2,/.$%’L-L(2$#,N$/,-%9I(8J-/6)：&,%32*D)1,L0,)#-)-0L(/*#；’*/*)/-#；)-%/#-2L#-3#$0#K引K言在傳統(tǒng)的溫室自動化監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，設計出基于RM<S?7總線方式下的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)［8］。實現(xiàn)從傳統(tǒng)農業(yè)向以優(yōu)質、高效、高產為目的的現(xiàn)代化農業(yè)的轉化，該系統(tǒng)實現(xiàn)溫室中各環(huán)境因子的檢測與調控。系統(tǒng)溫度量程為<45T?5U，測量精度為V597U；濕度量程為5WT855WRX，測量精度為V7WRX；EY4量程為（5T@755Z85<6）；測量精度為V7Z85<6；光照量程為（5T85）Z85S2Q，測量精度為85W。!K系統(tǒng)設計898!下位機系統(tǒng)設計89898!下位機組成下位機主要實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場采集、顯示、控制及與上位機進行數(shù)據(jù)傳遞。如圖8所示，環(huán)境探測器由收稿日期：4557方數(shù)據(jù)

圖!K下位機系統(tǒng)結構框圖A*+!KL2/1721/(6*5+/54-.3-752*-,4570*,()8)2(4環(huán)境溫、濕度探測器、土壤濕度探測器及EY4和光照探測器組成，各探測器將傳感器的非電量轉化成隨環(huán)境參數(shù)改變的電量，進而傳送給微處理器進行處理。微處理器實現(xiàn)對各探測器輸出的循環(huán)采集，并根據(jù)其與環(huán)境參量的對應關系轉換成相應的環(huán)境溫度、土壤濕度及EY4濃度值，并通過通信接口將數(shù)據(jù)向上位機傳送。同時，通過通信接口，萬<84<4S萬<84<4S第!期"""""""""""""徐志如等：基于單片機的溫室智能測控系統(tǒng)的設計""""""""""""""!3下位機接收上位機的控制指令，實現(xiàn)相應的操作。下位機采集的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測值與用戶通過鍵盤設定的報警閾值進行比較，并通過報警器實現(xiàn)超限報警，實現(xiàn)相應的控制［#］。$%$%#"傳感器的選擇與應用本系統(tǒng)采用美國&’((’)公司的單總線數(shù)字式溫度傳感器&)$*+#,實現(xiàn)溫室內溫度信號的采集。溫度測量范圍為-!!.$#!/，可編程為0.$#位’1&轉換精度，測溫分辨力可達,%,2#!/，被測溫度用符號擴展的$2位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個&)$*+#,可以并聯(lián)到3根或#根線上，456只需$根端口線就能與諸多&)$*+#,通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。綜合比較各種可用于溫室土壤水分測量的傳感器的性能，決定選用測量精度高、響應快的硅濕敏電阻傳感器，其電阻率隨水分呈線性變化，在#!/時的響應小于!7，為了能真實地反映整個溫室的情況，該設計采用#個土壤水分傳感器，一個放置在中央水量較多的地方；另一個放在邊緣附近。這樣，其他地方的土壤水分就介于這兩者之間。測得的數(shù)據(jù)采用加權平均的方法進行處理，來獲得最后的土壤水分值。其權重，根據(jù)獲得水量多少的面積來確定。按照灌溉系統(tǒng)的設計要求，其噴灌系統(tǒng)覆蓋面積必須在*,8以上，因此，取水量多的傳感器的權重為,%*，水量少的傳感器的權重為,%#。對于具體的溫室，可根據(jù)實際情況合理選取。本系統(tǒng)的49#探測器的探頭采用的是費加羅公司的:;)<$2,。:;)<$2,由49#傳感元件和內部熱敏元件組成。49#敏感元件是由存在于兩極間的固態(tài)電解質形成的陽離子（=>的陽離子）和敷在底層的加熱絲（5?）構成的。美國微型半導體公司推出了一種能實現(xiàn)人眼仿真的集成化可見光亮度傳感器(@$0A,，其性能特點：內含5B=型光電二極管、高增益放大器和#個互補式電流輸出端，該光電二極管陣列的光譜特性及靈敏度都與人眼十分相似，因而，能代替人眼去感受環(huán)境亮度的明暗程度，并將接收到的可見光轉換成電流信號，進而對溫室的照度進行控制。$%#"上位機系統(tǒng)設計整個系統(tǒng)軟件采用高級語言C+2%,進行開發(fā)［3］，操作平臺是DEFGHI7@5。C+語言簡單靈活，可以方便實現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的功能主要有兩部分：（$）按照對溫室內作物選定的生長環(huán)境曲線，并根據(jù)當時的光照、溫度、濕度等實際情況，對溫室內的溫度、濕度進行在線最優(yōu)控制，求得在保持作物生長的條件下，使系統(tǒng)的能耗、水耗達到最少；#）主界面上實時顯示室內溫度、濕度萬方數(shù)據(jù)和各執(zhí)行機構的狀態(tài)；3）當室內溫度或濕度超過界限時，

系統(tǒng)報警?？梢栽O置報警上下限和工程量上下限，當設備更改時，可方便地更改量程范圍［<］。!"系統(tǒng)軟件設計本控制軟件由下位機采集控制、上位機與下位機通信等主要程序和單項采集、鍵盤、顯示、中斷等子程序組成。主程序負責初始化、測量及其子程序的調用，各子程序負責數(shù)據(jù)的采集、控制計算、控制輸出，狀態(tài)顯示等功能。下位機主程序框圖如圖#所示。圖!"下位機主程序框圖#$%!"&’()*+,+-%+’..*/0-123$’%+’.-40-1’)$-5.’16$5*7"系統(tǒng)的調試與運行本系統(tǒng)主要是對溫室現(xiàn)場溫度、濕度進行檢測，土壤濕度傳感器需要在系統(tǒng)運行之前設定土壤濕度上限和土壤濕度下限，還要測量出探針間土壤電阻值與其含水量的關系。3%$"土壤電阻隨其含水率增大而減小規(guī)律的驗證在室外取土壤若干，對其進行烘干，在其質量隨時無明顯變化時，將$%!(土壤裝入一個直徑$$JK的塑料瓶內，并使其密實，然后，探頭插入土中，測量其電阻，記錄數(shù)據(jù)，探頭不取出，向瓶內加入$!,K(的水，待水不再下滲時，測其電阻記錄數(shù)據(jù)，反復加幾次水，至土壤飽和時的電阻值約為#!L!。3%#"溫室內49#體積分數(shù)的控制49#是綠色植物進行光合作用的主要原料之一，植物每生成$,,M干物質，需要吸收$!,M。由于溫室內環(huán)境相（（（（!#(!!!!!!!!!!!!!!!!!!傳感器與微系統(tǒng)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第"#卷對密閉，氣體交換受限，日出后，隨著蔬菜光合作用的增強，室內$%"的體積分數(shù)急劇降低，即使光照、溫度、水肥等條

表!"系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)表#$%!"#&’($)$)$%*’+,-.-)’/0122324件均好，但因$%"缺乏，也不能制造出更多的光合產物，致使蔬菜生長、開花、坐果處于饑餓狀態(tài)。若能給溫室內增施

"00#年讀數(shù)時間

空氣溫度（3）

空氣濕度土壤濕度（)45）（)45）

灌水通風一定量的$%"氣體，可大大改善$%"供給，強化蔬菜的光合作用，促進其生長發(fā)育，提高產量和品質。當系統(tǒng)中的傳感器檢測到所處溫室空氣環(huán)境中的$%"體積分數(shù)不符合設定標準時，控制裝置便起動吹風機和打開$%"發(fā)生器的輸氣電磁閥，通過輸送管道及支管上的噴孔，把含有高體積分數(shù)$%"氣體，以一定流速噴射到溫室空氣中。由于吹風機就設置在溫室內，吸入的是溫室內的空氣，它和支管上噴口處大氣壓力相同，如略去溫室溫度場

,月,0日/：&0,月,0日,0：&0,月,0日,"：&0,月,0日,(：&0,月,0日,-：&0,月,0日,/：&0,月,,日/：&0,月,,日,0：&0

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是否否否否是否否

否否是是否否否是的梯度影響，當含有較高$%"體積分數(shù)的氣體從噴口噴出時，呈氣體自由淹沒等溫射流特性，在射流卷吸的作用下，射流邊界臨近的靜止空氣會隨之運動，形成流量更大的射流。從而使$%"氣體在具有一定氣流速度運動的空氣狀態(tài)中進一步和溫室空氣混合達到均勻分布。在$%"發(fā)生

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否是否否

否否是否器高效產氣率和系統(tǒng)功能的保證下，對封閉的溫室環(huán)境實現(xiàn)了空氣環(huán)境的調控［#］。&’&!溫室內光照度的控制光照是影響作物生長的重要環(huán)境因素之一，光照不足，影響作物的光合作用，導致作物生長受抑，從而嚴重影響作物的生長。人工補光是根據(jù)作物對光照的需求，采用人工光源改善溫室的光照條件，調節(jié)對作物的光照。采用熒光燈作為人工補光的光源，熒光燈的燈管內壁覆蓋了一層熒光物質，由紫外線激發(fā)熒光物質而發(fā)光。其光譜能量分布：紅、橙光占(()*(#)，綠、黃光占&+)，藍、紫光占,-)。生理輻射量所占比例較大，能被植物吸收的光能約占輻射光能的.#)*/0)，是較適于植物補充光照的人工補光光源。為了均勻補光，在植物行間上方0’#1處架設燈組，當光照度低于下限時接通電源開關，進行人工補光，該功能只在作物的結果期等特殊時期使用?？紤]經濟效益，一般一天人工補光不超過,-2。系統(tǒng)在溫室現(xiàn)場運行時，需根據(jù)該溫室所種作物設定相應的土壤濕度上下限，空氣溫度上下限，空氣濕度上下限。本系統(tǒng)是在種植番茄的溫室內運行，系統(tǒng)運行時，番茄處于結果期，設定空氣溫度上限為"/3，下限為,-3；設定空氣濕度上限為/#)45，下限為#0)45；設定土壤濕度上限為/#)45，土壤濕度下限為-0)45。本系統(tǒng)在溫室內對番茄結果期的現(xiàn)場參數(shù)采集，如萬方數(shù)

!!經過,個種植期后，整個系統(tǒng)的設備工作正常，達到了良好的控制效果。5"結束語采用先進的傳感器技術開發(fā)了一種經濟型的日光溫室智能測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種集監(jiān)、控、管于一體的大棚溫室智能化監(jiān)控設施。集中控制室可以設在距離監(jiān)測點671的范圍內，可以通過程序的智能管理與選擇，實現(xiàn)對裝置的集中智能控制，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的智能調節(jié)和預報警，從而實現(xiàn)對作物生長環(huán)境的智能化控制和溫室作物的科學管理，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，以達到作物穩(wěn)產、高產、高效益的現(xiàn)代農業(yè)要求。參考文獻：［,］!張金波，胡!鋼，張學武，等’自動化控制系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應用［8］’微計算機信息，"00&，,+（,）：+9,0’［"］!紀建偉’微型計算機溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究［8］’沈陽農業(yè)大學學報，"00,，&"（"）：#(9#-’［&］張瑞華’溫室環(huán)境自動監(jiān)控［8］計算機與農業(yè)，"00"，"）：/9,0’［(］!徐立鴻，任雪玲’工控系統(tǒng)在設施農業(yè)中的應用［8］’基礎自動化，"00,，/（&）：(,9(&’［#］!王雙喜，高昌珍，楊存棟等’溫室$%"氣體濃度環(huán)境自動調控系統(tǒng)的研究［8］’農業(yè)工程學報，"00"，,/（&）：/(9/-’作者簡介：徐志如（,+."9），男，吉林榆樹人，碩士研究生，研究方向為機電一體化。表,所示（每天讀數(shù)據(jù)-次）。!’（表,所示（每天讀數(shù)據(jù)-次）。!’（基于單片機的溫室智能測控系統(tǒng)的設計作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次數(shù)：

徐志如，崔繼仁，XUZhi-ru，CUIJi-ren徐志如,XUZhi-ru(東北林業(yè)大學,機電學院,黑龍江,哈爾濱,150001;佳木斯大學,信息電子技術學院,黑龍江,佳木斯,154007)，崔繼仁,CUIJi-ren(佳木斯大學,信息電子技術學院,黑龍江,佳木斯,154007)傳感器與微系統(tǒng)TRANSDUCERANDMICROSYSTEMTECHNOLOGIES2006，25(5)2次參考文獻(5條)1.張金波.胡鋼.張學武.李致金.柯小干自動化控制系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應用[期刊論文]-微計算機信息(測控儀表自動化)2003(1)2.紀建偉微型計算機溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究[期刊論文]-沈陽農業(yè)大學學報2001(1)3.張瑞華溫室環(huán)境自動監(jiān)控[期刊論文]-計算機與農業(yè)2002(2)4.徐立鴻.任雪玲工控系統(tǒng)在設施農業(yè)中的應用[期刊論文]-基礎自動化2001(3)5.王雙喜.高昌珍.楊存棟.劉淑珍溫室CO2氣體濃度環(huán)境自動調控系統(tǒng)的研究[期刊論文]-農業(yè)工程學報2002(3)相似文獻(10條)1.期刊論文李瑋.趙書俊.張偉征.張大偉.LIWei.ZHAOShujun.ZHANGWeizheng.ZHANGDawei單片機P87LPC767在智能化γ相機探測器系統(tǒng)中的應用-現(xiàn)代電子技術2005,28(22)主要介紹了單片機P87LPC767在所設計的智能化γ相機探測器系統(tǒng)中的應用.其中包括為保證系統(tǒng)的可靠工作,在系統(tǒng)工作過程中運用單片機對探頭的工作溫度、光電倍增管供電高壓及工作電源電壓的測量;以及在系統(tǒng)校正過程中通過單片機對主放大電路增益和能窗閾值的控制.并在文中分別給出了這兩部分的應用原理圖及單片機程序流程圖.利用單片機對γ相機探測器系統(tǒng)的檢測和校正大大提高了系統(tǒng)的可控性和可維護性.2.期刊論文張永立.沈天健.ZHANGYong-li.SHENTian-jian基于PIC16F676單片機的點型光電感煙探測器設計-國外電子元器件2005(4)介紹了點型光電感煙探測器的工作原理,闡述了PIC16F676單片機的特殊功能,同時給出了該功能在探測器設計中的應用方法,最后給出了基于PIC16f676單片機設計的探測器的硬件構成和軟件程序.3.期刊論文范麗珍.李樹華.FANLi-zhen.LIShu-hua基于單片機的智能型金屬探測器的設計-內蒙古大學學報（自然科學版）2006,37(2)介紹了一種基于AT89S52單片機控制的智能型金屬探測器的硬件組成、軟件設計、工作原理及主要功能.該金屬探測器以AT89S52單片機為核心,采用線性霍爾元件UGN3503作為傳感器來感應金屬渦流效應引起的通電線圈周圍磁場的變化,并將磁場變化轉化為電壓的變化,單片機將測得電壓值與試驗測定的基準電壓值相比較,以確定是否探測到金屬.在軟件設計中,采用了數(shù)字濾波技術消除干擾,提高了探測器的抗干擾能力,確保了系統(tǒng)的準確性.4.期刊論文楊國.李興國.朱育飛.YANGGuo.LIXing-guo.ZHUYu-fei基于AVR單片機的毫米波主被動復合探測器測距電路設計-測控技術2007,26(1)針對毫米波主被動復合探測器的特點和應用背景,提出了一種基于AVR高速單片機的毫米波主被動復合探測器測距電路設計方法,并詳細介紹了電路結構和工作流程圖.室內測試和室外實驗表明采用本方法設計的探測器測距電路采樣速度快,測距精度高.5.期刊論文張宇.姜玲玲基于單片機的手持式金屬探測器的研制與開發(fā)-警察技術2008(3)本文闡述了金屬探測器的工作原理和手持式金屬探測器的現(xiàn)狀,介紹了一款基于單片機控制的新型手持金屬探測器MD50的設計與實現(xiàn).文中詳細說明了系統(tǒng)的硬件組成和軟件結構,突出其技術上的創(chuàng)新、工藝上的先進和對用戶的廣泛適用性.6.會議論文王晶.孫越強應用于空間環(huán)境探測器中單片機抗干擾技術探討2006單片機系統(tǒng)在空間環(huán)境探測器中擔負著非常重要的任務,由于單片機對干擾屬于敏感器件,容易受到干擾影響,導致整個系統(tǒng)癱瘓,因此在系統(tǒng)設計上充分考慮抗干擾設計,提高系統(tǒng)的可靠性尤為重要.本文根據(jù)干擾產生的原因,從硬件和軟件兩方面歸納了空間環(huán)境探測器中單片機系統(tǒng)抗干擾措施.7.期刊論文孫綱燦.周常柱.蘇貝.Sun.Gangcan.Zhou.Changzhu.Su.Bei用單片機實現(xiàn)瓦斯探測器-微計算機信息2005,21(23)設計了一種基于單片機控制的瓦斯探測器,具有簡單實用可控性強等特點.從組成框圖、硬件設計以及程序流程及代碼等幾方面對其進行了介紹.8.學位論文劉淑琴智能型金屬探測器研究2005金屬探測器在現(xiàn)代社會生活中的應用越來越廣泛。從最初應用在探雷和探測地下金屬開始發(fā)展到現(xiàn)在的食品、成衣制品、橡膠、木材加工等方面的質量安全檢測，它的作用越來越凸現(xiàn)，與此同時功能上的提高和完善也受到廣大客戶的關注。本文提出了一種由數(shù)字信號處理器(DSP)、單片機、數(shù)字直接合成芯片(DDS)、濾波電路等構成的能夠進行自學習的智能型金屬探測器的實現(xiàn)方案。這種金屬探測器廣泛應用于食品、醫(yī)藥、紡織、服裝、玩具等，能夠檢測并排除混入其中的金屬顆粒，確保食品和人身安全。與當前用模擬線路實現(xiàn)的金屬探測器相比，它的最大特點是采用數(shù)字信號處理器(DSP)和直接數(shù)字合成技術(DDS)產生一個頻率、相位均可以通過數(shù)字調節(jié)的正弦波。該方案中采用了TI公司定點數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320LF2407完成信號采樣、數(shù)據(jù)處理和判斷及動作信號輸出功能。根據(jù)鐵和非鐵金屬的特性，提出了自學習方法的實現(xiàn)方案，大量實驗證明該方案能達到自動辨識產品信號和金屬雜質信號的效果。該探測器還采用了ATMEL公司的AT89C55單片機完成液晶顯示和鍵盤修改參數(shù)的功能，變更后的參數(shù)存貯在EEPROM中，建立良好的人機對話界面。而兩者之間