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基于单片机的温室自动控制系统设计.pdf基于单片机的温室自动控制系统设计.pdf -- 1 元

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文章编号16714598200701一0073一03中图分类号TP302.1文献标识码B基于单片机的温室自动控制系统设计季宝杰,邹彩虹,王永田河南农业大学机电工程学院,河南郑州450002摘要温度、湿度和coz浓度等是影响作物生长的重要环境因子,为有效进行作物生长的环境控制,针对日光温室的特点,以模糊控制理论为基础,计算机控制技术为平台,设计了一个基于模糊控制技术的计算机温室控制系统介绍了以Pc机为上位计算机,Mcs一51单片机为核心的智能仪表为下位机的智能温室分布式测控系统的工作原理及主要功能详细阐述了该系统的软、硬件实现方法该套控制系统符合我国现阶段的国情且能很好地满足生产要求,成本低,运行可靠,便于推广应用。关键词智能温室计算机分布式自动控制系统Rs~485通信网络智能设备模糊控制DistributedTⅥeasurementandControlSvstemUsedinAgriculturalGreenhouseBasedonSinglechipControllerJiBaojie,ZouCaihong,WangYongtianCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HenanAgricultureUniversity,Zhengzhou450002,ChinaAbst憎ctTemperature,humidityandthicknessofC02haveanimportanteffectonthecrops.Basedonfuzzycontroltheoryandcomputercontroltechnology,theworkingprincipleandmainfunctions。ftheintelligentgreenhouseswithdistributedcontrolsystemareintroduced.ThissystemusesPcasahostcomputerandintelligentinstrumentswithMes一51singlechipmicrocomputersassecondarycomputersystems.ThedesignmethodsofsystemhardwareandsoftwarearefuUydescribed.Thesystemisaccordwiththerealityofagriculturalproductionofourcountryandisconsideredsuitabletoagriculturalgreenhouseanditcanreachproducingrequirements,lowcostandhighreliability.KeywordsintelligentgreenhousecomputerdistributedautocontrolsystemRS一485communicationnetworkintelligentinstrumentfuzzycontrolO引言智能化温室是集农业科技的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进的农业生产设施,是现代农业科技向产业转化的物质基础。它能营造相对独立的作物生长环境,彻底摆脱传统农业对自然环境的高度依赖。随着我国加入wTo,科技兴省是使我省在21世纪取得长足发展的必然选择,当然,农业也不例外,河南省作为一个农业大省,如何发展高效、节能、高科技农业以产出高质量、高附加值的农产品对于我省经济的发展起着举足轻重的作用。目前,智能化温室控制系统的研究国内已经受到重视,省内已有采用工控机为控制手段的成套设备,并已投入使用,但其控制成本高,性价比低。本文结合我国国情和生产要求,以单片机为控制核心,研制了智能化温室控制系统,其成本较工控机要低,运行可靠,便于大批量推广。l控制系统原理与结构设计1本系统原理结构框图如图l所示,它是一个小型的分布式数据采集与控制系统,是由数据采集工作站下位机和中心计算机上位机组成的控制系统。其中数据采集工作站又由相应的传感器如温度传感器、湿度传感器、C0z浓度传感器、光照度传感器等、模拟量输入输出通道、开关量输出通道所组成。工作站既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储任务,又可接受从中心计算机送来的控制参数设置,启动增温降温、加湿除湿、遮阳补光等调控设备.从而按不同要求调控温室的微气候环境。上位机系统机将工作站送来的数据,及时在线地用动态数据、曲线的方式显示起来,并储存在相应的数据库中,一般可以保存一个生长季节的数据,对存储起来的数据,按研究需要,进行分析、统计,可显示、打印成表格或曲线或直方图,同时系统机也向下级机传递控制。图1温室测控系统结构图嫠霎昙嚣鍪萼黑筹、墨烈墨嚣_5二。砸丰兽2温室控制系统的硬件设计一s作者简介季宝杰1975一,男,河南开封县人,助教,硕士,主要从。皿王】z例尔纠L日,1%ITⅨpl事工业计算机网络方向的研究。温室要求对温室内温度、湿度、光照、二氧化碳等环境因中华测控网CnlnamCa.C0m万方数据74计算机测量与控制第15卷子进行控制,为实现有效的控制,一要采集环境信息,二要实串行口即8255芯片来实现。现实时控制。温室内的监控系统是以单片机为核心组成的监测测量模块实现了对温室的环境温度、湿度、光照、二氧化与调控系统,系统可以独立地完成温室环境信息的采集、处理碳的测量。测量模块通过传感器把各种环境因子非电量转换为和显示,也可以通过标准的RS一485接口与上位机实现通讯。电量,通过信号整理电路把电信号线性化、放大滤波为o~5V该系统硬件电路设计包括4大部分单片机核心控制模块、测的标准信号,传输至核心控制模块,然后通过A/D转换器内量模块、控制模块、通讯模块部含有的8选1多路选择开关分别对信号进行模数转换,将数2.1单片机核心控制模块字量送入单片机。单片机中心控制模块是以AT89C51系列单片机为基础,温度测量采用温度传感器DSl820实现,该传感器测量精为扩展单片机系统的功能而设立的,包括程序存储器E2度高,线性度好,DSl820的输出值是一个9位的二进制数值,PROM、数据存储器RAM的扩展,输入输出口I/0其测温范围在一55~125℃,当温度值在一10~85℃时,误差的扩展,键盘、LED显示电路的扩展,硬件时钟电路等。程为±o.5℃。它的方便之处在于单线接口设计,使处理器只需序存储器用来存放监控程序、采集程序、显示程序、通信程要接一条数据线就能对它进行全部的操作,实现操作指令和测序、自动控制设备程序等。数据存储器SRAM用来存放系统量数据的传输。连续监测所采集的数据。测量精度为士o.1℃,信号放大和滤波电路利用高精度集.w1_■j。毒主il竺}圈军爿外爱画圈ld要塞k园酬嚣J圆至日一..。.广嘬誓一圆.十要飘I虫骆IlRs22瓜s4晒图2测量控制终端结构图环境因子的变化有很强的时间性,环境信息的采集需要准确、可靠的时钟。系统扩展有硬时钟电路DSl2887可以向系统提供年、月、日、时、分、秒的计时。报警电路是当某环境因子超出设置的上限、下限参数时,响铃报警,提醒操作人员注意。该模块接收来自测量模块的数据,根据设定的各环境因子值,命令控制模块动作。2.2测量控制模块图3模拟量的采集模拟量输入温室系统需要采集的数据分为一般模拟量和开关量、电量3种。需要采集的电量为电机的三相电压和三相电流。设计中采用多功能智能电表进行电量的数据采集,多功能电表采集电量数据后,传递Rs485信号,通过保护电路传递到电平转换器MAX485芯片,将智能电表传送的三相电压、三相电流、电度量数据转化为TTL格式,再以串口通信的方式传送给CPU进行接收。一般模拟量是指现场的湿度、C0。浓度、风速风向等模拟量,需要通过多路复用芯片完成多路数据的采集和模数转换器完成模拟量和数字量的转换如图3所示,再将采集的数据给CPU处理。开关量信号是指电机运行状态、继电器状态等参数,开关量的采集通过扩展的中华测控网成放大电路CA3140完成。湿度测量采用湿度传感器HSlSWDLL实现,该传感器测量精度高、线性度好,测量范围o~100%RH,测量精度为士3%RH,信号放大、对数压缩电路、交流信号电路和全波整流电路利用集成放大电路TI。062完成。光照测量采用光电池实现,测量范围o~100光照单位,测量精度为士3光照单位,信号放大和.滤波电路利用高精度集成放大电路TL062完成。二氧化碳测量采用二氧化碳传感器GS一160实现,该传感器测量精度高,线性度好,测量范围o~100PPM,测量精度为士3PPM,信号放大和滤波电路利用高精度集成放大电路CA3140完成。控制模块实现了对温室大棚各环境参数的控制,共八路,分别控制升温、降温设备,加湿、去湿设备,补光设备,定时灌溉设备,定时二氧化碳施肥设备,遮阳网设备等,控制电路是外部控制设备的自动开关,根据温室某环境因子超出设置的适宜参数范围时,自动打开或关闭控制设备,调节相应的环境因子。其实现电路中,光电藕合器MOC3041的作用是触发双向晶闸管以及隔离单片机系统与控制设备,双向晶闸管的选择要满足额定工作电流为控制设备工作电流的2~3倍,额定工作电压为控制设备工作电压的2~3倍,压敏电阻为双向晶闸管由导通到关断状态变化时瞬间电动势提供通路。输出控制电路完成现场多个电机的开、停控制,通过8255的PC口经ULN2803与外部的继电器连接,控制电机实现了弱电控制强电,如图4所示。2.3通讯模块通讯模块实现了单片机与微机之间长距离数据通讯,利用RS一485标准设计。微机串口利用RS一232标准,单片机串行输出的为TTL标准,必须实现标准信号间的转换。实现电髑T89C5lpAI光耦DOD7咖秘l光耦Ib删。DlUU啦粕瓜D雁Dl2闩吼胍Pcp2.SP2.7屯耍r一托s已三图4开关量采集和输出控制电路框图万方数据第l期季宝杰,等基于单片机的温室自动控制系统设计75路中485集成电路75176使用的TTL信号标准,传输的信号片机为核心的智能仪表监控管理程序,利用汇编语言编制,主为两路差动信号,传输效果、传输距离较长,以9600波特率要侧重于现场过程或对象的控制上位机利用可视化语言传输可达1200m。RS232集成电路实现信号由TTL标准到VisualBasic6.O编制,重点放在对各终端智能仪表的节点管RS232标准的双向转换。理和控制的协调,一般情况下,并不直接参与控制。这两部分采集的环境因子数据可以上传计算机保存,各环境因子参软件有些功能相似,某些参数既可以在智能仪表的面板上设数的设置,如适宜温度、湿度范围、上限、下限等参数,可以置,也可在上位计算机的集成管理软件上设置,如温湿度设定通过计算机设置。值,上下限报警值等。两种可各自独立操作和运行,并不依赖3温室系统的控制方案3.1温室环境的控制特性温室控制系统是由广义的温室对象和调节器所组成,对于温室控制系统的要求是稳定性、准确性和快速性,这三者是相互制约、相互矛盾的。如果稳定性过高,相比之下快速性就受到一定的影响,因此对于温室控制系统来说,控制系统质量的好坏,不仅与调节器有关,而且很大程度由控制对象的动态特性决定,对于温室控制对象,其动态特性表现在它是一个具有多容积系数、惯性大和滞后特性的系统,很难建立精确的数学模型来描述它的变化过程。因此选择合适的控制算法,对提高温室环境参数的控制品质将起到重要的作用。3.2模糊控制61在自然界中,对于很多复杂的\多因素影响的生产过程,即使不知道该过程的数学模型,有经验的操作人员也能根据长期的实地观察和操作经验进行有效地控制,而采用传统的自动控制方法效果并不理想。模糊控制理论就是在这样的环境中产生并逐渐发展完善起来的。随着计算机和模糊控制理论的结合,形成了模糊控制器,其任务正是要用计算机来模拟这种人的思维和决策方式,对这些复杂的生产过程进行控制。模糊控制器在设计时不需要建立被控对象的数学模型,尤其适用于非线性时变、滞后、惯性大的系统的控制。它用一些定性的、不确定的模糊语言来表达控制这些规则,然后再应用一系列的模糊控制算法,得到一组确定性的模糊控制表,通过模糊控制到输出确切的控制值对系统进行控制。由于模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上来实现对系统控制,因此它是解决不确定系统的一种有效选择。在本系统中模糊控制的实时算法,就是得出采样值的偏差e和偏差变化率ec,并根据量化因子K、Kz模糊化成相应等级值E、EC,然后再根据已经获得的模糊控制总表,推算出相应的模糊控制输出量的等级值。若等级值代表的是离散量,则转换成该等级值所代表的意义若等级值代表的是连续量,则乘以比例因子K。转化成相应的模拟量,并用此模拟量用于温室的控制机构的控制量。其模糊控制器确定示意图如图5所示。4系统软件设计温室分布式测控系统的软件包括两部分,位于现场的以单于对方,这样才能作到整个测控系统功能的真正分布,也增强了系统的冗余性和容错性。设置上位计算机的必要性是1自动保存历史数据,以供科学研究2提供友好的用户观测界面,操作方便3对于下一步连接温室大棚自动控制提供接口。VB语言是以过程体为单元,以事件触发执行过程体完成软件功能,因此上级机的软件是由多个模块组成,每一个模块完成一项功能,如图6所示。图6上位机系统软件结构系统软件主要由7大模块组成,即系统参数设定模块、传感器标定曲线模块、控制参数设定模块、模糊控制总表确定模块、数据实时采集监控模块、历史数据再现模块、帮助文件模块。主模块的流程图如图6所示,它主要完成多任务系统的管理窗口,该窗口利用VB中命令按扭的单击事件进行任务选择,然后进入相应模块的管理窗口并进行相应的操作,同时对各个窗口的进入顺序有一定的要求,系统会对用户的操作过程进行一定的提示,使操作人员对整个管理系统一目了然。如用户只有在对传感器控制窗口进行确定之后才能进入控制参数设定窗口,而数据实时采集监控窗口只有在对传感器控制窗口、系统参数设定窗口、控制参数设定窗口、模糊控制设定窗口之后才能进入数据实时采集监控窗口。编写的系统管理软件,是必备的用于生产操作和监视的控制软件包,其主要功能为1实时数据采集。采集现场的实时数据送入上位计算机,并以数值和实时曲线的形式显示数据,并置入实时数据库中保存。2报警监视。根据生产过程的测量值变化,对信号越限图5模糊控制器确定示意图进行相应的报警处理,如声光报警等。3运行参数的画面显示。带有实时数据的流程图、棒图、历史趋势显示等。4报表输出。完成生产报表的打印输出。5参数的修改。实现操作人员对生产过程的人工干预,如修改给定值、控制参数和报警限等。6历史数据库查询和历史曲线的绘制。下转第105页中华测控网CnlnamCa.COm万方数据第1期牛军浩,等基于VXI总线的任意波形发生器模块设计105频率控创些丝垡数据总线一参考电压源14位DA转换器写磊军磊lfii葛翮警钟输出参考频率源Hv/F转换器}一图4波形频率控制电路在该模块中,参考频率源为2MHz,使用14位的D/A芯片控制V/F转换器,D/A转换参数由频率控制寄存器设置。通过该方法实现的频率输出误差主要由D/A转换器的量化误差产生,该模块每周期1024个采样点,那么由D/A的量化误差而引起的波形频率误差为钾一斋型黑‰≈o.12Hzo钾一历百了0丁而u1Ilz3.3波形幅度程控电路在波形发生电路中的另一个关键技术问题是对输出波形幅度进行线性控制。幅度控制电路由参考电压源、幅度控制D/A和波形输出电路组成,如图5所示。图5波形幅度控制电路波形D/A转化电路的参考电压V一为14位波形幅度控制D/A转换器的电压输出,可以通过设置波形幅度控制寄存器来控制波形输出的幅度,为了减小由D/A转换所引起的直流失调和毛刺,每路输出都接有低通滤波电路,如图5所示。波形输出电压幅度误差主要由14位幅度控制D/A量化误1差引起,由D/A转换器所产生的量化误差为±÷个LsB所对L应的幅度误差值化、波形设置以及幅度频率设置,是用户完成对模块操作的纽带。本文以VISA虚拟仪器软件结构为基础编写了模块的驱动程序,并使用A西lent公司200MHz的多功能计数器模块E1420对自行研制的VXI任意波形发生器模块进行了性能测试6一,图6为任意波形发生器软件运行软面板。该波形发生器模块共有3路独立的信号通道,每路有4种不同类型的波形,信号输出幅度为o~loV,幅度误差±1mV信号频率为o~1.5kHz,频率误差±o.2Hz。该模块输出波形信号有较高精度和稳定度。图6任意波形发生器软件运行界面5结论本文着重讨论了VxI总线接口电路和任意波形发生电路的设计原理和实现方法。所设计的VXI总线任意波形发生器模块符合VxI总线规范,可方便的应用于VXI自动测试系统中。目前,该模块已经投入到某型导弹发射机构自动测试系统中工作。实践证明,该模块性能稳定,使用简单、灵活,具有很高的性价比和较好的应用价值。参考文献1张毅刚.自动测试系统M.哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,2001.2陈光福.VrXI总线测试平台技术M.成都电子科技大学出版社,1996.厂3IEEEStandard11551992.IEEEstandardforVMEbusextensions耵一±丢是≈挑ooos吲V,。附孑三慧黑蚤。淼黑篡篙㈣.4软件设计与实验{i黧j2鎏蠢箸鬓言£鬻体系结构与关键技术Ⅲ.任意波形发生器模块的驱动程序主要完成对模块的初始计算机测量与控制,2005,13113.母蛐尊口淳哆艘孚峭4淖i坤凹秽淳旦9尊驰罅曲锄9溥啦≈畔哆乎牡乎哆津妇守蚋婷鲫博鲫秽净眵渺淖曲尊口溥鲫尊9蹿曲谛旦9守眇溥鲫辞鲫诤曲守掣归淖旦90韭诤旦|渺串哆溥站谆驷诤蛐博驴守旦9诤曲乎曲诤蚰博i,淖业上接第75页5结论该套系统实现了温室系统自动控制,研制成本低,运行可靠,操作简单,可以根据要求完成单个温室系统的控制,系统控制精度高,响应速度快,完全可以满足其它设施农业的需求。下一步的工作重点通过系统的扩展,以无线或有线的方式公网或建立专网实现同一区域多个温室的互联,从而实现温室系统的网络化集成控制。参考文献1蔡象元.现代温室设施和管理M.上海上海科学技术出版社,2000.2程月华,毛罕平,左志宇.基于单片机的设施农业营养液供给控制系统J.计算机测量与控制,2002,103172174.3季宝杰,姚传安,邹彩虹,等.铁路远程自动供水系统设计J.计算机测量与控制,2006,142z05209.4董乔雪,王一鸣.温室计算机分布式自动控制系统的开发J.农业工程学报,2002,1849497.5何立民.Mcs一51系列单片机应用系统设计M.北京北京航空航天大学出版社,1990.6张曾科.模糊数学在自动化技术中的应用M.北京清华大学出版社,1997.中华测控网万方数据
编号:201311161755304822    大小:473.59KB    格式:PDF    上传时间:2013-11-16
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