溫室大棚畢業(yè)設(shè)計(jì)論文正文

1、第1章 緒 論1.1 課題背景及研究意義 中國農(nóng)業(yè)的發(fā)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)重要組成部分。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)行檢測和控制。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)行環(huán)境測控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，通過對(duì)監(jiān)測數(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，使作物達(dá)到優(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

2、。大棚內(nèi)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)發(fā)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與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(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)的發(fā)展，必須大力發(fā)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)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生

3、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)及各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡?。?dāng)前農(nóng)業(yè)溫室大棚大多是中、 小規(guī)模， 要在大棚內(nèi)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)的成本，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)了一套低成本的溫濕度自動(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)行通訊，實(shí)現(xiàn)溫室大棚自動(dòng)化控制。中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著

4、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)重要組成部分?，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)行檢測和控制。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)行環(huán)境測控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，通過對(duì)監(jiān)測數(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，使作物達(dá)到優(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。大棚內(nèi)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

5、經(jīng)發(fā)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與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(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)的發(fā)展，必須大力發(fā)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)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)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，

6、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)及各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋?.2國內(nèi)外溫室控制技術(shù)發(fā)展概況溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。國外對(duì)溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場

7、信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。 從國內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，溫室環(huán)境控制技術(shù)大致經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段:（1）手動(dòng)控制。這是在溫室技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，其時(shí)并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對(duì)溫室作物進(jìn)行管理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，他們是溫室環(huán)境控制的核心。通過對(duì)溫室內(nèi)外的氣候狀況和對(duì)作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經(jīng)驗(yàn)和直覺推測及判斷，手動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境。種植

8、者采用手動(dòng)控制方式，對(duì)于作物生長狀況的反應(yīng)是最直接、最迅速且是最有效的，它符合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)律。但這種控制方式的勞動(dòng)生產(chǎn)率較低，不適合工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，而且對(duì)種植者的素質(zhì)要求較高。（2）自動(dòng)控制。這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器的實(shí)際測量值與事先設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱、降溫和通風(fēng)等動(dòng)作。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的溫室控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高。通過改變溫室環(huán)境設(shè)定目標(biāo)值，可以自動(dòng)地進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境氣候調(diào)節(jié)，但是這種控制方式對(duì)作物生長狀況的改變難以及時(shí)做出反應(yīng)，難以介入作物生長

9、的內(nèi)在規(guī)律。目前我國絕大部分自主開發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進(jìn)的國外設(shè)備都屬于這種控制方式。（3）智能化控制。這是在溫室自動(dòng)控制技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、技術(shù)和各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建專家系統(tǒng)，以建立植物生長的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同作物生長的溫室專家控制系統(tǒng)技術(shù)。溫室控制技術(shù)沿著手動(dòng)、自動(dòng)、智能化控制的發(fā)展進(jìn)程，向著越來越先進(jìn)、功能越來越完備的方向發(fā)展。由此可見，溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動(dòng)采集及智能控制趨勢發(fā)展。1.3 選題的目的和意義溫室是觀賞植物栽培生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，不同種類觀賞花卉對(duì)溫

10、度及濕度等生長所需條件的要求也不盡相同，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)代科技的發(fā)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)施栽培高新技術(shù)的體現(xiàn)。 本文將使用8051型單片機(jī)對(duì)溫度及濕度控制的基本原理實(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)作模式及意義，也能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)和技

11、能更多的運(yùn)用于生活和工作中。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)村使用的簡易日光溫室絕大部分采用手動(dòng)控制 ,生產(chǎn)效率低下 ,單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本偏高。隨著溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)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始不能滿足溫室生產(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)今國內(nèi)常見的智能溫室系統(tǒng)都是采用工控機(jī)或者 PLC方案 ,價(jià)格昂貴 ,較大部分用戶經(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)中的各種成本 ,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)簡易日光溫室對(duì)溫度、

12、 濕度以及光照度等環(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)的低成本溫室自動(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)行的 ,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)代溫室有內(nèi)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)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)行合理的控制 ,而如何才能合理地控制這些配套設(shè)備的運(yùn)作和協(xié)同則需要有一套完善的硬、軟件溫室系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此 ,本系統(tǒng)

13、就是利用價(jià)格便宜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)行巡回測量 ,并對(duì)測量的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償 ,并進(jìn)行調(diào)控 ,此外主控制器還可以同時(shí)完成系統(tǒng)參數(shù)測量 ,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)有的各種傳感器檢測溫室的溫度、 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)行比較、判斷、處理以及相關(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

14、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)交換方式以及實(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) STC 51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 ,且芯片內(nèi)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、1280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IS

15、P方式進(jìn)行燒錄。這種單片機(jī)的燒錄方式操作簡單容易 ,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)品的改進(jìn)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：單棟溫室大棚控制系統(tǒng)和集約

16、化生產(chǎn)連棟溫室大棚控制系統(tǒng)。后者建立在前者的基礎(chǔ)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)的各部分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)場地的變化，也增加了系統(tǒng)的通用性，擴(kuò)大了適用范圍。圖2.2 集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.3 溫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2.3.1 傳感器本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì)與作物生長發(fā)育有關(guān)的環(huán)境

17、溫度、濕度、光照度、CO2含量及土壤水量等參數(shù)進(jìn)行采集的功能，實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)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 鉑電阻傳感器及數(shù)字式傳感器本系統(tǒng)采用廣州市科技發(fā)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)是內(nèi)置選通碼和數(shù)字信號(hào)傳輸，測溫范圍為-10-50，精度為：0.3，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。2. 濕度傳感器 溫室的濕度如果能控制在一定范圍內(nèi)，則可以大大降低雙霉病、炭

18、霉病及疫害病的發(fā)病率。 本系統(tǒng)的濕度傳感器選用 Honeywell公司的集成濕度傳感器HIH3610, 該傳感器采用熱固,聚脂電容式傳感頭, 同時(shí)在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路, 因此該傳感器可完成將相對(duì)濕度值轉(zhuǎn)換為線性電壓輸出的任務(wù)。傳感器的輸出電壓為 0.8-3.9，A/D 采集電路的標(biāo)準(zhǔn)電壓為0-5,故需進(jìn)行電壓變換。該傳感器的性能指標(biāo)如表2.1所示。但當(dāng)該濕度傳感器工作的溫度發(fā)生變化時(shí)，相同的濕度值，其輸出電壓值也將不同，其輸出電壓與濕度的關(guān)系曲線如圖2.4所示，因此該傳感器在使用時(shí)還需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。表2.1 HIH3610相對(duì)濕度傳感器的性能指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)RH精度±2%RH，1

19、3%100%RH非凝結(jié)，25（供電電壓=5VDC）RH互換性±5% RH,0%-60% RHRH線性±0.5% RH典型值RH遲滯±1.2%的RH最大量程RH重復(fù)性±0.5%RHRH反應(yīng)時(shí)間30s，慢流動(dòng)的空氣中RH穩(wěn)定性±1%RH典型值，50%RH，5年時(shí)間內(nèi)供電電壓49VDC（傳感器在5 VDC下標(biāo)定）消耗電流0.2mA 5 VDC,2mA典型值 9 VDC輸出電壓V1=V00.0062(sensor%RH)-0.16溫度補(bǔ)償RH=(sensor %RH)/(1.0546-0.0216)圖2.4 HIH3610輸出電壓與濕度的關(guān)系曲線3.

20、光照傳感器 光照傳感器選用硅太陽能電池的感應(yīng)元件及濾光系統(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南京土壤研究所研制的電阻式土壤濕度傳感器，該傳感器由陶頭、塑料連接管、壓阻傳感器 、真空表頭四部分組成，該傳感器輸出為電壓值 此電壓值雖能反映出土壤水勢的狀態(tài)變化 但它不能直觀地反映土壤水勢指標(biāo)值，所以需對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(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，濃度檢測范圍大等特點(diǎn)，此傳感器將質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在0-1000×10

21、-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/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算、顯示和儲(chǔ)存。2.3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)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

22、、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)內(nèi)存存儲(chǔ)器和內(nèi)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)對(duì)溫度濕度等參數(shù)進(jìn)行巡回測量，并對(duì)測量的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，并進(jìn)行調(diào)控，此外，主控制器還可以同時(shí)完成系統(tǒng)參數(shù)測量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及與上位機(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，室內(nèi)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

23、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)。2.4.1 單片機(jī)軟件設(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)ADC0809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 。溫室內(nèi)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內(nèi)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

24、-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 ，一分鐘內(nèi)可以采集成千上萬條數(shù)據(jù)，溫室內(nèi)環(huán)境因子變化沒有這么快 ，在實(shí)際應(yīng)用中，沒有必要對(duì)這些數(shù)據(jù)都進(jìn)行處理， 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, 達(dá)到實(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

25、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)溫室內(nèi)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，達(dá)到溫室降溫的目的，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度低于設(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)窗和溫室內(nèi)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)，打開滴灌裝置進(jìn)行灌溉。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

26、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)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)志和結(jié)束標(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, 則不處理,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), 則接收, 并根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行操作,向控制部件發(fā)送命

27、令,控制開關(guān)窗、遮陽網(wǎng)等部件, 達(dá)到實(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); 使用中斷方式接受微機(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。MOV 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。2.4.2 微機(jī)軟件設(shè)計(jì)微機(jī)軟件設(shè)計(jì)也由

28、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)部分組成， 通過動(dòng)態(tài)顯示模塊可以及時(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)行監(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-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 ,國內(nèi)對(duì)溫室大棚參數(shù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與

29、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 測試系統(tǒng)的組成及原理本系統(tǒng)采用最簡捷的數(shù)字采集系統(tǒng)將其動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)地測量并顯示 ,設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分.硬件方框圖如圖2.5所示。分為傳感器及其整理電路模塊、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、按鍵與顯示模塊.傳感器把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并經(jīng)過整理電路調(diào)理變?yōu)?05V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)內(nèi),經(jīng)過計(jì)算,以分時(shí)顯示的形式,把 3個(gè)被測信號(hào)實(shí)時(shí)

30、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)測試系統(tǒng)方框圖2.5.1 測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是傳感器及其整理電路。傳感器性能的好壞直接影響到測量精度、測量范圍和響應(yīng)速度。因此，選擇合適的傳感器直接關(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傳感器選用固態(tài)電化學(xué)型 CO2傳感器TGS4160 。（1） 溫度測量電路采用溫度傳感器 AD590,其測溫放大電路設(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

31、輸出電流在 R1 , RP1上產(chǎn)生電壓降 ,使放大器 I CL7650S反相輸入端的電位隨溫度而變化 ,在其輸出端獲得與被測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 ,這樣可以極大地改善 AD590非線性引起的誤差 , R用于調(diào)節(jié)放大器 I CL7650S的輸入失調(diào) , I CL7650S輸出端的 R5 和 C1 構(gòu)成濾波器用于濾除斬波尖峰干擾。電路的測溫范圍為 0100,相應(yīng)輸出為 05V,呈現(xiàn)線性關(guān)系。圖2.6 溫度傳感器 AD590的檢測電路（2）濕度測量電路采用的 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， HS110

32、0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)接受的信號(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

33、。在此采用第 1種測量方法 ,測量電路如圖 2.7示。Uf為外加的 10 kHz方波信號(hào)。C2 是固定電容 ,為了獲得最佳的靈敏度放大系數(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,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（3）CO2含量測量電路采用 TGS4160型 CO2 傳感器測

34、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)反應(yīng),通過監(jiān)測 S( + ) ,S ( - ) 2個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢值EMF,就可以測量 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)行加熱 ,加熱電壓穩(wěn)定在(5±0.2)V內(nèi)。為了保證CO2含量的準(zhǔn)確測量 ,除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對(duì)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外 ,更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值 ,而不是絕對(duì)電勢值.在-10 +50溫度范圍內(nèi) ,基本不受溫度的影響保持常量.傳感器測量范圍是 3501 000 mL·L - 1,但根據(jù)

35、溫室大棚 CO2 含量的實(shí)際情況 ,在此設(shè)定所測量的 CO2 含量在 350900 mL·L - 1之間,在這個(gè)范圍內(nèi)可以滿足測試系統(tǒng)的實(shí)際需要.但要把 TGS4160的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成 05 V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)電勢值轉(zhuǎn)換到傳感器兩極之間變化的電勢值 ,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 測量CO2電路的減法電路.2.5.2 微處理器系統(tǒng)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

36、電路如圖2.9所示 ,按鍵電路設(shè)計(jì)為 4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 S W1顯示溫度的參數(shù)值；按 S W2顯示濕度的參數(shù)值；按 S W3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) ,顯示器則只顯示其對(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位顯示所測量參數(shù)信號(hào)的大小 ,另1位代表所測信號(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)

37、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2.6.1 主程序系統(tǒng)上電時(shí),初始化程序?qū)?0H,71H,72H內(nèi)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)行一次測量時(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。2.6.2 顯示子程序顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) 4位數(shù)碼管的

38、數(shù)值顯示.測得的 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在 70H,71H和72H內(nèi)存單元中 ,測量數(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76H存放通道標(biāo)志數(shù)。寄存器 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。2.6.3 A /D轉(zhuǎn)換測量子程序模/數(shù)轉(zhuǎn)換測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內(nèi)存單元。圖2.10測試系統(tǒng)主程序流程圖2.6.4 顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序溫度的測量范圍是0100,模擬量輸出是05V；濕度的測量范圍

39、是 0100%,模擬量輸出為 03.55 V；CO2含量的測量范圍是 350900mL·L - 1,輸出為 03.46 V。運(yùn)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可達(dá)到要求的精度。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)的發(fā)展 ,農(nóng)民增收緩慢的問題逐漸成為阻礙我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的一大隱患。解決此問題的關(guān)鍵是大力發(fā)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)3.1.1 系統(tǒng)組成本系統(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 和若干按鍵構(gòu)成人機(jī)交互界面 ,同時(shí)設(shè)有報(bào)警裝置。上位機(jī)

40、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)行溫度和濕度的設(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)行聲光報(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)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),比相同時(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,并且內(nèi)部集成了RC振蕩器,無需外部晶振。芯片還具有三

41、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單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)雙向通信,它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。圖3.1 上位機(jī)硬件框圖3.1.2 系統(tǒng)工作原理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)采集現(xiàn)場溫度和濕度 ,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

42、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)行溫濕度的設(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)3.2.1 上位機(jī)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)置,下位機(jī)查詢。顯示模塊是用于同時(shí)顯示測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)。3.2.2

43、 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)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)行數(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)在選擇合適的器件和合理的電路同時(shí) ,在軟件上也采用了

44、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。3.4.1 硬件可靠性設(shè)計(jì)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)。3.4.2 軟件可靠性設(shè)計(jì)軟件部分可靠性主要通過抗干擾設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn), 其中本系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì)主要包括以下部分: (1) 采用數(shù)字濾波方法來抑制輸入通道的干

45、擾；(2)對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)處理；(3) 對(duì)部分關(guān)鍵控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；(4) 采用指令冗余、軟件陷阱、“ 看門狗” 等方法避免程序混亂。第4章 溫室大棚的GPRS監(jiān)控系統(tǒng) GRPS的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng),是基于目前我國溫室大棚生產(chǎn)的特點(diǎn),既能滿足個(gè)體農(nóng)民生產(chǎn)的需要,又便于企業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)的需要。該系統(tǒng)不但能完成對(duì)溫室大棚參數(shù)實(shí)時(shí)高精度測量,而且能實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)、灌溉等的智能控制及報(bào)警提示,而且也能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保濕、通風(fēng)和光照調(diào)節(jié)。并可聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示及語音播報(bào),進(jìn)行溫度報(bào)警。報(bào)警通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信的方式發(fā)送到管理員的手機(jī)上,以便及時(shí)處理。4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)主要由兩部分組成:下位機(jī)系統(tǒng)和上位

46、機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmega16為核心,采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT15測量溫室溫度和濕度。ATmega16接受多路傳感器模塊信息并進(jìn)行處理、判斷,控制LCD液晶模塊FYD12864-0402B實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)；然后控制溫度、濕度、光照控制器調(diào)節(jié)溫室環(huán)境參數(shù),最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；監(jiān)控中心為通過串口與GPRS模塊連接的計(jì)算機(jī),完成各種信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和控制命令發(fā)送功能。如系統(tǒng)出現(xiàn)異常,則通過控制GPRS模塊將異常信號(hào)發(fā)送到管理員的手機(jī)上。本設(shè)計(jì)采用SonyEricsson公司工業(yè)GPRS模塊GR64。該模塊接收ATmega16指令信息, 將信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上

47、位機(jī)系統(tǒng)是以X86計(jì)算機(jī)為核心的C/ S 模型的網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理和保存。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是以數(shù)據(jù)庫的方式存儲(chǔ)的,以SQL Server 2005為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)3,4。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)訪問采用ODBC方式,用SQL 語句進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的操作。保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),可以通過表格控件顯示其數(shù)據(jù),也可以通過圖形控件畫出用戶所需的各種曲線。用戶還可以根據(jù)需要打印數(shù)據(jù)表格和圖形。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2 硬件電路設(shè)計(jì) 4.2.1 信號(hào)檢測 溫室大棚各點(diǎn)的溫度、濕度及光照等與位置的不同而分布不均勻,各點(diǎn)差異較大,為提高測量精度, 對(duì)于室內(nèi)不同位置,采用多點(diǎn)檢測和循環(huán)檢測的方式。4.2

48、.2 空氣溫濕度的檢測 濕濕度的檢測即溫室內(nèi)的空氣溫度和濕度,采用數(shù)字溫度傳感器 SHT15,該傳感器是瑞士 Sensirion 推出的 SHTxx系列數(shù)字溫濕度傳感器,基于領(lǐng)先世界的CMOSens®數(shù)字傳感技術(shù),具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。全量程標(biāo)定,兩線數(shù)字接口,可與單片機(jī)直接相連,大大縮短研發(fā)時(shí)間、簡化外圍電路并降低費(fèi)用。此外,體積微小、響應(yīng)迅速、低能耗、可浸沒、抗干擾能力強(qiáng)、溫濕一體,兼有露點(diǎn)測量,性價(jià)比高,使該產(chǎn)品能夠適于多種場合的應(yīng)用。4.2.3 溫室參數(shù)的 LCD顯示 LCD 模塊選用帶中文字庫的FYD12864-0402B ,它是可以顯示8 ×4 行

49、16×16漢字的帶背光的液晶模塊?？梢院芊奖愕貜腖CD 直觀地讀出溫度數(shù)據(jù)。4.2.4 GPRS通信模塊 GPRS 通用分組無線業(yè)務(wù)( general packet radio service)作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)( GSM)向第三代移動(dòng)通信(3G)的過渡技術(shù),采用先進(jìn)的無線分組技術(shù),將移動(dòng)通信與INTERNET緊密結(jié)合GPRS數(shù)據(jù)終端支持TCP /IP、PPP協(xié)議和透明數(shù)據(jù)傳輸,每個(gè)用戶可占用多個(gè)信道,同一信道又可以為多個(gè)用戶共享。GPRS無線網(wǎng)的優(yōu)勢在于能提高資源利用率,在通信過程中不需要建立保持電路,符合數(shù)據(jù)通信突發(fā)性的特點(diǎn),它組網(wǎng)迅速靈活、成本低、覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)在線、按數(shù)

50、據(jù)流量計(jì)費(fèi)、登錄網(wǎng)絡(luò)快捷等。由于GPRS的這些特點(diǎn),使它適合多點(diǎn)分散的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)選用GPRS通信取代GSM短消息的原因,是因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高,GPRS具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn),所以無論從性能或是經(jīng)濟(jì)角度, GPRS 較GSM 短信都有很大優(yōu)勢。設(shè)計(jì)中采用GPRS模塊GR64, GR64是Sony/Ericsson公司最新推出的一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊,可向下兼容GR4,基于EGSM 900/GSM 1800 網(wǎng)絡(luò),串行接口符合V24 協(xié)議,支持語音、數(shù)據(jù)、傳真和短信息功能。本文采用其串行接口,SIM卡接

51、口和電源接口。通過連接開通GPRS 功能的SIM卡系統(tǒng)就能夠通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接到Internet上。在本系統(tǒng)中 ,它帶有GSM /GPRS全套語音和數(shù)據(jù)功能,具有M2M通信解決方案的全部核心功能。GR64內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,通過其異步串行通信接口UART1,使用相應(yīng)AT指令進(jìn)行開發(fā),可方便地實(shí)現(xiàn)GPRS通信。 4.2.5 系統(tǒng)控制器 該設(shè)計(jì)AVR單片機(jī)ATmega16作為主控器。該系統(tǒng)由單片機(jī)對(duì)溫度濕度等參數(shù)進(jìn)行巡回測量,并對(duì)測量的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償,并進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)啟動(dòng)溫濕度轉(zhuǎn)換后, SHT15 開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后的數(shù)據(jù)值暫存在AVR單片機(jī)ATmega16的寄存器中,最后通過GPRS網(wǎng)

52、絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。通過AVR單片機(jī)ATmega16控制SHT15 每3 s啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。此外,主控制器同時(shí)完成系統(tǒng)參數(shù)測量,數(shù)據(jù)存儲(chǔ), LCD顯示以及與上位機(jī)通信等功能。主控器控制功能主要包括調(diào)濕、調(diào)溫、調(diào)節(jié)光照、自動(dòng)灌溉等控制。調(diào)濕調(diào)溫通過AVR單片機(jī)ATmega16控制加熱爐和風(fēng)機(jī)完成升溫,室內(nèi)降溫主要通過水簾、風(fēng)機(jī)完成。土壤調(diào)濕主要通過澆水來實(shí)現(xiàn),由自動(dòng)噴頭來完成。室外保溫通風(fēng)調(diào)光主要采用自動(dòng)頂棚（帶遮光布）、自動(dòng)側(cè)窗完成。當(dāng)超過報(bào)警限時(shí),通過語音芯片和發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警。GPRS通信通過ATmega16向GPRS模塊發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)。 4.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件采用C51語言設(shè)

53、計(jì)。該語言庫函數(shù)豐富、運(yùn)算速度快、占用資源少、可靠性高。在設(shè)計(jì)中采用模塊化方式,主要由主程序,溫度、濕度、光照、土壤濕度等參數(shù)采集子程序, 外圍設(shè)備控制子程序, GPRS模塊控制子程序等模塊組成。 軟件系統(tǒng)主要包括兩部分,一部分是單片機(jī)軟件,一部分是控制中心計(jì)算機(jī)軟件。4.3.1 單片機(jī)部分軟件 主要完成的功能是: 接收溫度、濕度數(shù)據(jù)采集信息,與設(shè)定值進(jìn)行比較, 如果超出設(shè)定范圍向GPRS模塊發(fā)送告警信息,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心和管理者告警。接收手機(jī)模塊中的控制信息控制溫濕度等控制器,如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)接受不到控制信息, 則對(duì)于大棚參數(shù)數(shù)據(jù)按照默認(rèn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。AVR單片機(jī)與GPRS模塊的

54、通信其實(shí)就是單片機(jī)通過AT 指令控制GPRS模塊,通過向GPRS手機(jī)模塊寫入不同的AT 指令能完成多種功能,如網(wǎng)絡(luò)登陸、發(fā)送GPRS消息、讀取GPRS消息等。4.3.2 計(jì)算機(jī)部分軟件 主要完成對(duì)溫室大棚的控制以及信息管理,通過串口與工業(yè)GPRS模塊連接, 讀取模塊中接收到的信息流,進(jìn)行相關(guān)處理,或者完成控制信息的發(fā)送。同樣是通過AT 指令完成,也就是通過串口向GPRS模塊發(fā)送AT 指令。4.3.3 常用的GPRS AT指令以及設(shè)置 通過PC 的超級(jí)終端使用AT 命令對(duì)GPRS 模塊進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)SOCKET 通信。 (1)建立一個(gè)TCP通信: AT*E2IPO=X,“XXX. XXX.

55、XXX. XXX”,PORT 建立SOCKET 連接,XXX. XXX. XXX. XXX為監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)端IP 地址,PORT 為端口號(hào)。 (2)接收數(shù)據(jù): AT*E2IPACT=XX=1時(shí)為接收數(shù)據(jù)共享是在局域網(wǎng)中共享的,通過Windows 套接字實(shí)現(xiàn)的。用戶目前可以使用兩種套接字,它們是數(shù)據(jù)報(bào)套接字( datagram socket s) 和流式套接字( stream socket s)。數(shù)據(jù)報(bào)套接字使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP) ,流式套接字使用傳輸控制協(xié)議( TCP)。由于溫度數(shù)據(jù)的共享是隨機(jī)訪問的,不需要一直訪問數(shù)據(jù),所以本文使用UDP方式。UDP典型的通信過程為：在服務(wù)器端一直采集

56、串口的數(shù)據(jù),默認(rèn)情況下每5分鐘存入一次數(shù)據(jù)庫中,可以隨時(shí)讀取當(dāng)前的溫度值和畫出溫度曲線。在客戶端也可以隨時(shí)請(qǐng)求服務(wù)器端的數(shù)據(jù),以達(dá)到溫度數(shù)據(jù)的共享。第5章 溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)近年來，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)得到了較大的發(fā)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)驗(yàn)進(jìn)行管理，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)作物的生長環(huán)境而言，溫度、 濕度、光照、二氧化碳是其最基本的要素，作為檢測控制

57、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)行相應(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。5.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)5.1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 溫室大棚檢測控制系統(tǒng)為滿足室內(nèi)環(huán)境檢測的實(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部分。1. 傳感器子系統(tǒng) 傳感器子系統(tǒng)是檢測控制系統(tǒng)的主要信息來源，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)檢測，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溫室大棚內(nèi)部溫度的溫度傳感器、檢測室內(nèi)空氣及土壤水分的濕度傳感器、檢測室內(nèi)光照度的光照傳感器、 檢測二氧化碳濃度的二氧化碳濃度傳感器。由

58、于溫室大棚一般構(gòu)造面積較大，傳感器屬定點(diǎn)使用的一次性儀表，故各類傳感器的使用數(shù)量較多。2. 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要完成對(duì)傳感器子系統(tǒng)傳送來的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和采樣。在檢測控制系統(tǒng)中，為滿足實(shí)時(shí)性要求，一般應(yīng)選用速度較高，多種采樣觸發(fā)方式，多路采樣保持的多通道數(shù)據(jù)采集卡。為了減輕后級(jí)處理工作量，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對(duì)采得的原始數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行一定程度的預(yù)處理。3. 信息處理子系統(tǒng) 信息處理子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，包括環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)置、信號(hào)處理和控制3個(gè)部分。環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)置一方面可將某一時(shí)間范圍內(nèi)，農(nóng)作物正常生長對(duì)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度的要求進(jìn)行設(shè)置。另一方面可將作物不同生長期對(duì)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度要求進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以確定其在整個(gè)生長過程中對(duì)上述因素的要求。信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與本階段環(huán)境參數(shù)值進(jìn)行比較分析，為控制提供決策依據(jù)，控制部分則由此發(fā)出各種相應(yīng)的控制信號(hào)。4. 伺服子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)包括溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過對(duì)降溫設(shè)備（如濕簾風(fēng)機(jī)）、加熱設(shè)備（如