（控制理论与控制工程专业论文）基于神经网络的人工气候系统照度控制的研究与开发.pdf

中南夫学硕 。学位论文摘蠖 摘要 神经网络技术是2 0 世纪末迅速发展起柬的一门新技术。由于神经网络 具有良好的非线性映射能力、自学习适应能力和并行信息处理能力，为解决 未知不确定非线性系统的建模和控制问题提供了一种新的思路，因而吸引了 国内外众多的学者和工程技术人员从事神经网络控制的研究，并取得了丰硕 成果。本文对神经网络的控制算法做了深入研究，并以人工气候室的照度控 制为对象，做了大量的仿真研究和实际应用。 本文分为七章。第一、二章介绍了课题的基本情况及其智能控制器的实 现方案；第三章介绍了神经网络的发展现状及几种典型的神经网络模型及学 习算法，讨论了b p 网络模型的结构及算法，分析了传统b p 算法的不足并 提出了几种改进算法，然后重点讨论神经网络p i d 控制器的原理及结构；第 四章结合人工气候室照度控制的要求，讨论了神经网络p i d 照度控制算法的 具体实现，并对仿真及实际应用结果做出分析；第五章介绍了上位机监控系 统的设计方案，重点对掉电保护方案、通信方案设计和差错控制方法进行探 讨；第六章是现场调试情况；第七章是结论部分。 系统的实际运行结果表明，本系统控制方案合理，操作方便，工作可靠 性高，控制算法先进，响应速度快，稳态精度好 关键词：神经网络神经网络p i db p 算法人工气候照度差错控制 ! 堕叁兰竺! 兰壁丝苎 塑墨 a b s t r a c t n e u r a in e t w o r ki san e wt e c h n o l o g yw h i c h d e v e l o p i n gv e r yq u i c k l y s i n c et h e b e g i n n i n g o f2 0 c e n t u r y f o ri t s s t r o n ga b i l i t y o f n o n - l i n e a r l y ，s e i f - s t u d ya n dp a r a l i e li n f b r m a t i o np r o c e s s ，i ta t t r a c t s m a n ys c h o l a r sa n dt e c h n o l o g i s t st os t u d yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o i a n d al o to fa c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e d i nt h i st h e s i sw ed os o m e r e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n to fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o la l g o r i t h m t h i s a i g o r i t h m h a sb e e ns i m u l a t e da n d p r a c t i c a l l ya p p l i e d i n p h y t o t r o ni l i u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i sc o n s i s t so ff l v ec h a p t e r s i nc h a p t e ro n ea n dc h a p t e rt w o 。 t h eb a s i cc i r c so ft h ep r o i e c ta n di t sd e s i g ns c h e m ea r ep r e s e n t e d i n c h a p t e rt h r e e ，t h ec u r r e n t l yd e v e l o p m e n to fn e u r a ln e t w o r ka n ds o m e t y p i c a ln e u r a ln e t w o r km o d e ia n da l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e d t h e s t r u c t u r ea n da l g o r i t h mo fb pn e t w o r km o d e la r ed i s c u s s e d a f ! t e r a n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n g so ft h eg e n e r a lb pa l g o r i t h m ，s e v e r a l i m p r o v e db pa l g o r i t h ma r ep r o v i d e d t h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo f n e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nc h a p t e rf o u r w i t ht h er e q u i r e m e n to fp h y t o t r o ni l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h e n e u r a ln e t w o r kp i da l g o r i t h mo fi n u m i n a t i o nc o n t r o li sp r e s e n t e d a n dt h er e s u i to fs i m u l a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h i sa l g o r i t h ma r e a n a l y z e d c h a p t e rf i v ei n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g ns c h e m eo f m o n i t o rs y s t e m t h ef o c u s e sa r ep a i dt ot h ep o w e 卜l o s i n gp r o t e c t i o n ， c o m m u n i c a t i o ns c h e m ea n de r r o rc o m r o lm e t h o d c h a p t e r s i x i n t r o d u c e ss o m ep r o b i e m sa n ds o l v i n gm e t h o di nd e b u g g i n g c h a p t e r s e v e ns u m m a r i z e st h et a s ka n de f f e c to ft h i sp r o i e c t k e y w o r d ： n e u r a ln e t w o r k sb p l e a r n i n ga l g o r i t h m n e u r a ln e t w o r kp i d a n i f i c i a lw e a t h e r l u m i n a n c e e r r o rc o n t r o l 中南人擘硕卜学位论史 前言 前言 近几十年发展起柬的人工气候室可以实现人为调控环境因子( 照度、温度、湿 度、空气成分等) ，模拟自然气候变化，被广泛用于各种气候条件下的植物，微生物 方面的科学研究。为推动和加速农业科学工作的发展起了直接，有效的作用。照度 是人工气候控制因子中的一个重要因素，国内外的研究表明，光照的强度大小对农 作物的生长发育及其特性有着直接的影响。 受国家水稻研究中心委托，我们承担了人工气候室控制系统的研制丌发工作。 本人的主要任务是实现对照度的精确控制及上位机监控系统的编制，即完成人工气 候室照度控制系统的硬件结构设计软件编程系统及调试。此系统采用上、下位机 两级主从式结构，由下位机完成对照度的过程控制，上位机实现对运行过程的监控。 采用智能神经网络p i d 控制器，通过对亮度可调电子镇流器的闭环控制，实现了照 度高精度的要求。经实践证明，本系统控制方案合理，人面界面友好，完全满足委 托方的要求。 通过此课题，本人受益匪浅，掌握了软、硬件的设计方法，丰富了微机和单片 机的软件编程知识，积累了不少的经验和教训，为今后的工作奠定了坚实的基础。 此论文是本人一年多的工作和学习的总结。由于时间和水平有限，文中错误和 疏漏之处在所难免。恳请各位老师和同学指正。 中南大学硕l 二学位论文第一帝绪论 第一章绪论 1 1 国内外人工气候控制技术的现状 智能人工气候控制系统是近年来逐步发展起束的一种资源节约型高效农业发 展技术，它是在普通同光温室的基础上，结合现代计算机控制技术，智能传感技术 等高科技手段发展起束的i ”。它不受地点和气候的影响，能够有效地改善农业生念、 生产条件，促进农业资源的科学刀：发和合理利用。在计算机综合控制下提供与季节 无关的适合作物生长的环境，以实现各种作物的优质、高效、低耗的工业化生产。 农作物生长发育需要适直的环境，人们可以利用人工气候室( 即温室) 刨造出适 宜农作物生长发育的环境条件，即人工气候控制。环境控制的主要内容是温湿度， 光照度、通风换气、c 0 2 浓度等的自动调节。对环境影响因素采用的控制方法一般 有两种： ( 1 ) 单因子控制。这是对温度、湿度、光照和c 0 2 浓度等进行单独分别控制 的方法。其中主要是控制温度，其次是湿度，包括空气湿度和土壤湿度。例如，在 控制温度时，控制的只是温度的改变，而不能影响到其它因素，要改变其它因素， 则要实施另外的控制过程，才能达到一定温度条件下其它相关环境因素的配合。但 是，外界气候的变化随时影响到温室内的小气候，靠人工指令随时进行相应改变是 很难办到的。所以，这种单因子控制在保证作物获得最佳环境条件方面就有一定的 局限性。 ( 2 ) 多因素综合控制。这是8 0 年代发展起来的利用计算机控制温室环境因素 的方法。它将各种作物在不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要求输入计算机程 序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整。一般以光照 条件为始变因素，温度、湿度和c 0 2 浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随 时处于最佳配合状态。 在国外，历史上最早的人工气候室是建于1 9 4 9 年的巴萨笛纳的人工气候室， 是推动世界各国发展人工气候装置的先导。其它如荷兰瓦赫宁根、日本北海道，前 苏联的莫斯科、澳大利亚堪培拉，法国g i f - y v e t t e 等地都较早地发展了人工气候 室，对推动农业科学的研究起到了明显的效果。 日本由于国土资源缺乏，为了提高农作物的产量，一直以来对人工气候室的研 究利用非常重视，目前人工气候室及其它人工栽培设施在日本已得到普遍的应用， 使用面积居世界之首闭继露天栽培、设施园艺和水耕栽培之后，被称作“第四 高技术农业”的植物工厂，已在日本普及【3 】。植物工厂用钠蒸气灯取代太阳光， 并通过计算机将温度、光照度、湿度、c 0 2 浓度等控制在最适合农作物生长发育的 水平，同旱地相比，农作物的生长速度快了4 5 倍，并且不受气候左右，不施农 药，四季稳定生产。 中南大学颂l 。学位论文第一帝绪论 荷兰的人工气候室应用也很普及，全国现有的玻璃人工气候室超过1 万h 舒， 全部由计算机控制，主要用于蔬菜和园艺生产。高成本的投入，高效率的劳动， 高质量、高产量的产出。高效益的收入，是荷兰温室园艺尘产持续发展，不断提高 的主要原因。荷兰国内肓十大人工气候室制造公司，多数成立于本世纪2 0 年代， 有较长的生产历史，经验丰富，技术精湛【2 i 。 英国农业部对人工气候室的设计和建造很是重视，在一些农业工程研究所进行 人工气候室骨架与荷载、光照与材料、环境( 人工气候室小气候、温、光、湿、通 风、c 0 2 施肥等) 与生理、环境因子的计算机优化、节能、自动化控制，作物栽培 与产后处理、无土栽培等课题的研究。由于英国国内的情况，目前主要与荷兰人工 气候室公司合作推广荷兰的温室设备，自己只生产一些非标准的特殊要求的设旎。 在7 0 8 0 年代，英国的人工气候室加热主要用燃油锅炉，后来由于石油价格暴 涨，能源产生了危机，因此，改为使用燃煤。部分地区也采用燃气锅炉和利用工厂 余热。人工气候室管理全部采用计算机管理，主要控制温度、湿度、光照、通风、 c 0 2 施肥、营养液供给及温度、ph 值、e c 值等。伦敦大学农学院研制的人工气 候室计算机遥控技术，可以观察、遥控5 0k m 以外人工气候室内的温、光、湿、 气、水等环境状况，并进行调控【2 j 我国在人工气候室的发展和使用虽然起步较晚，但发展较快。中国科学院上海 植物生理研究所在7 0 年代仞期就建成的人工气候室，对温、光照、湿、风等因子 都具有较好的控制能力，分成若干个控制室，包括：人工光照部分2 2 问( 含3 间 低温工作室) ，面积2 5 5 m 2 ，温度可控范围为0 5 0 ，相对湿度为3 0 9 0 。人 工光源采用我国自制的高强光照灯，离光源l 米处光强达3 0 l ( l u x 以上；自然光照 部分6 间，面积1 0 5 m 2 。它是我国唯一的大型人工气候室，也是当时远东地区大型 的同类设施之一，可用于广泛条件下的植物、微生物方面的科学研究，成功地研究 和解决了不少有关生理和作物与环境关系的实际问题。而目前新的人工气候室正在 建造之中，新的人工气候室将进一步发挥它的作用。 进入7 0 年代末期，农业科学研究院、哈尔滨理化研究所、中国农业工程研究 设计院先后建成了人工控制箱、自然光照、人工光照人工气候室、自然光照低温人 工气候室，从而满足了农作物低温冷害，水稻遗传育种、作物霜冻和冰核细菌等问 题的研究。近年来，随着农业的发展，我国很多研究所也建立了很多满足各种不同 需要的人工气候室，用于对各种作物生长繁殖及贮藏保鲜等的研究。而1 9 9 9 年建 成的云南昆明世博园的大温室，也是人工气候室的一个应用。作为世界各地、全国 大江南北的各种植物花卉的展示性温室，它需要在保证植物生长所需紫外线透光率 的情况下，营造热带、温带和寒带三种气候。 目前国内外实现人工气候控制的设备主要有： 2 中南夫学颇 学位论文 第一帝绪论 ( 1 ) 温度：加温设备主要有冷暖空调、电加热器、电热锅炉等；降温设备主要 有风冷模块式冷水机、冷暖空调等。 ( 2 ) 光照度：光照度分自然采光和人工光照两种。自然采光足以平扳玻璃为采 光面，吸收自然光。人工光照是以镝灯( 尘物效能灯) 、高压钠灯、卤化灯等光源 模拟太阳光照。 ( 3 ) 湿度：增渝主要用加湿机，湿帘j x l 机等；去湿主要用去湿机及通风机等装 置。 ( 4 ) c o 。：目前普及的c 0 ：发生器主要是l p g 燃烧式，浓度一般由传感器或时丑j 柬进行调节，由于c 0 2 浓度的传感器价格高，因此一般利用时f 日j 调节的方法。 1 2 、光照度控制技术的现状 目前国内人工气候室采用自然采光为主、人工补光为辅的方式为农作物提供光 照，对光照度的调节一般采用如下的控制技术： ( 1 ) 遮光效果 夏季的晴天，中午前后光照强度大，室外空旷地可达8 lo 万l x ，室内也有 5 8 万l x 。强光照不仅使温室提高，湿度过低，造成植株蒸腾强烈，失水过快， 作物呼吸消耗过大，不利于农作物生长，需采取遮光措施。般采用关闭天窗、关 闭室内幕帘、遮阳网等方式。 ( 2 ) 人工补光效果 在阴雨季节和冬季光照不足时，采用人工补光，可以促进作物生长，这在温室 育苗中尤为重要。一般用镝灯( 生物效能灯) 、高压钠灯、卤化灯等作为光源。 可以看出，这种方式对自然光有很大的依赖性，不能按需要调节出适宜的光强 和光谱，为农作物提供最合适的生长条件。实现天窗、室内幕帘的开关的自动控制 一般用开闭控制号进行控制，但由于减速机存在电机的转矩与重量矛盾，停止位置 不准确等问题，控制效果不是很理想，故一般用手动开关，操作不够方便。另外， 在进行人工补光时，只能控制各个灯的开或关，各个灯的发光强度不能调节，光强 的可调范围受到限制。 1 3 本系统的光照度控制方案及特点 现场的实验房间用玻璃窗及遮光板作为自然采光，同时辅以3 6 个高压钠灯作 为人工补光。玻璃窗及遮光板的开闭由操作人员根据需要手动控制。根据委托方要 求，沿用原有的采光设备，我们通过对原有设备进行智能控制。 在生产过程自动控制的发展历程中，p i d 控制是历史最久、生命力最强的基本 控制方式，它以原理简单、适应性强、鲁棒性强等优点，在现代的工业控制中仍得 到广泛的应用但传统p i d 控制器要求被控对象必需有精确的模型，但照度控制是 中商大学硕卜誓位论文 第一章缔论 一个非线性的系统，无法得到其精确的模型。而人工神经网络具有很强的信息综合、 学习记忆和自适应能力以及逼近任意非线性函数的能力，可以处理那些难以用模型 和规则描述的过程。将传统的p i d 控制器与神经网络相结合，利用神经网络柬优化 p i d 控制器的参数，可以获得更好的控制效果。因而，本系统的照度控制采用冲经 网络p 【d 算法，以满足系统高精度的要求。 本系统的照度控制方案如下： ( 1 ) 采用自然采光与人工补光相结合的方式。自然采光仍由操作人员根掘需要 丌闭玻璃窗及遮光扳，人工补光通过对3 6 个高压钠灯的光照度智能精确调节实现。 人工补光的光照度可模拟自然光强的变化，即无需自然采光也可达到农作物生长的 光照要求。 ( 2 ) 用输出频率可调节的电子镇流器柬调节高压钠灯的亮度。 ( 3 ) 光照度精确调节采用神经网络p i d 智能控制算法，通过对电子镇流器的控 制电压调节来实现，精度达5 。 ( 4 ) 采用上、下位机两级控制。上、下位机可联合控制，也可单独用下位机进 行控制。上位机监控实验的运行过程，实现参数设置、数据采集、数据存储，查询、 打印报表等功能；下位机作为控制器，智能控制实验的运行。为了保证实验的可靠、 稳定运行，上、下位机均要有掉电保护功能，一旦系统因停电或误操作等原因导致 中断，重新起动后可按照原设定的参数继续运行。另外，上、下位机还需具有故障 报警功能，以便操作人员及时发现问题。 4 中南人学舻l 学位论文第二帝系境的总体结构设汁 第二章系统的总体结构设计 2 1 系统概况 本课题是国家杂交水稻工程技术研究中心委托我方丌：发的，其控制对象是国家 杂交水稻工程技术研究中心人工气候室的人工气候参数。 要使中国的杂交水稻育种技术继续保持世界先进水平，就必须有一流的试验 条件和水平。人工气候室是育种试验必不可少的条件。它可以缩短试验周期，可 以模拟各种气候条件而不受气候的制约和影响。另外进行育种试验，就必须对几 个月甚至几年的育种试验过程中的温度、湿度和照度数据进行分折，j 能使试验 具有系统性和持久性，得出的试验结果d 具有可靠性。人工气候室是用人工方法 来模拟一年四季的气候变化情况，主要是模拟自然界的温度、照度和湿度这三个 气象因子。 光照度是影响水稻育种的非常重要的一个气象条件，其强度控制的精确度直接 影响着育种的质量。国家杂交水稻工程技术研究中心的人工气候室原来采用空调控 制温度，用高压钠灯模拟光照，其功能和精度不能满足试验的需要。原系统存在的 问题如下： ( 1 ) 原系统的照度用高压钠灯来模拟，由于钠灯的电子镇流器不能调节钠灯的 亮度，只能采用开关钠灯的个数来改变室内的亮度。 ( 2 ) 原系统完全依赖人工操作，无自动控制功能，要求试验人员2 4 小时值班， 试验人员工作负担太重。 ( 3 ) 原系统的监控功能差，无法对系统的被控参数( 温度、湿度和照度) 和操 作过程进行直观显示，不能给出操作提示和报警信号等。 ( 4 ) 原系统为人工手动控制系统，没有管理功能，无法自动存储历史数据和运 行参数，无法统计、打印等，这一切完全依靠人工来实现。 为改善育种试验的条件，提高育种试验的水平，对原控制装置进行计算机自动 化、智能化改造势在必行。 国家杂交水稻工程技术研究中心的人工气候室要求能够在任意时候模拟任意 的气候条件，而且三个气象因子( 温度、照度和湿度) 要能够严格按照给定曲线 变化，并具有掉电保护功能。委托方根据已有控制系统的运行经验和不足之处， 委托我方改造其老系统，要求实现的以下主要功能技术指标： ( 1 ) 整个控制系统采用两级计算机控制系统，上位机采用工控机，下位机采用 自行开发的智能控制器。 ( 2 ) 系统的控制算法采用n n p i d 算法，照度的控制精度要求是5 。 ( 3 ) 上位机应用程序是在w i n d o w s 9 8 环境下开发的应用程序，可以监控多台下 中南夫学硕i 学位论丈 第二帝系统的总体结构改计 位机，要求有参数设定计算、过程监控、数据存储和通信等功能。 ( 4 ) 下位机具有实时监控功能，可靠性要求高。 2 2 系统的硬件基础 2 2 1控制器 随着微电子技术的发展，我们已经进入了以微处理器( m i c r o 口r o c e s s o r ) 和微控 制器( m i c r o c o n t r o i l e ru n i t ，又叫单片机s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 为标志的智 能与信息时代。其中微处理器是利用超大舰模集成工艺，把中央处理单元( c p u ) 的复杂电路制作在一片或几片集成电路芯片上，以其为核心配以随机存储器 ( r a m ) 、只读存储器( r o m ) 、输入，输出( i o ) 接口及相应的辅助电路构成微型 计算机；而微控制器是在一片芯片上既集成c p u 又集成多种控制功能模块、接口 模块，再加上内部r a m 、r o m 等构成一个比较完整的控制器1 4 l f 5 1 微控制器的开发应用发展迅速，自2 0 世纪8 0 年代开展试探性研究起，已从初 级应用阶段进入到深入应用阶段。这种控制器因为有性能价格比高、集成度高、体 积小、易于开发、指令系统丰富等优势，已广泛应用于要求实时响应快、i ，o 功能 强的工业测控、通信终端，智能仪表上【6 】本系统用单片机为核心构成下位机也 主要是考虑到其使用方便、价格低、体积小又有丰富的指令系统及易扩展的存储空 间，可以完成智能控制算法。 m c s 9 61 6 位单片机是一种在工业界应用广泛的嵌入式控制器，由于它的高性能 的寄存器寄存器结构，可以很好地应用于实时控制，如工业自动化控制、车辆控 制、电机控制等。8 x c l 9 6 系列有一个共同的内核，即c p u 是通用寄存器寄存器 结构。c p u 操作直接面向内存所有数据寄存器，消除了某些单片机只用累加器作 运算的瓶颈效应，因而运算速度和数据吞吐能力大大提高。8 x c l 9 6 总线控制器可 以用程序控制等待时间，这样c p u 可和其它外设方便联接，总线宽度也可以控制 为8 位或1 6 位。单片机的h o l d h o l d a 协议可以用于多微控制器系统。 m c s 9 6 单片机系列主要有3 种：主流产品是e 队端口系列，这种类型有丰 富的外设接口，灵活的输入输出系统和事件处理器陈列( e p a ) ；h s i o 系列由带有 高速输，v 输出口的系统构成；电机控制系列主要应用于电机控制应用系统，这一 系列也用ep ：a 作为i ，o 控制。本课题所选用的8 0 c1 9 6 k c 是h s l 0 系统的产品， 主要特点如下1 7 】： 可运行1 6 m h z 的工作主频； 快速寄存器寄存嚣结构； 可达5 1 2 b 寄存器r a m ： 可达3 2 k b 内部e p r o m 瓜o m 可动态配置8 位或1 6 位总线宽度： 6 中南火学碗i 学位论史第二章 系圣竞的乜体坫枷改计 总线h p l d ，h o l d a 协议； 8 通道高速i o 口( h s i o ) ； 1 6 位定时器和1 6 位计数器： 可达三个p w m 发生器： 全双工串行口； 1 6 位看门狗定时器； 8 通道8 位或l o 位，d 变换： 电源的闲置和掉电模式； 外设事件服务器( p t s ) 。 2 2 2 光传感器【8 删 现代信息产业的三大支柱传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成 了信息系统的“感官”，“神经”和“大脑”。传感器是信息采集系统的首要部件， 也是测控系统获得信息的重要环节，在很大程度上影响和决定了系统的功能。 光传感器的基础效应是光电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应。 外光电效应指在光的照射下，物体内的光电子逸出会属表面的现象：内光电效应指 受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的效应。内光电效应可分为两类：光电 导效应和光生伏特效应。光电导效应指物体受到光照时，其内部原子释放的电子留 在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象；光生伏特效应指物体在光的照 射下能产生一定方向的电动势的现象。光生伏特效应根据其产生电热的机理又可分 为以下几种： ( 1 ) 侧向光生伏特效应当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载 流子浓度梯度而产生的光电效应称为侧向光生伏特效应。基于该效应工作的有半导 体位置敏感器件。 ( 2 ) 光磁电口m e ) 效应半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直 于光和磁场的半导体两端面问产生电势的现象称为光磁电效应。g e 、i i l s b 、i n a s 、 p b s 、c d s 等材料均有明显的光电磁效应 ( 3 ) 贝克勒耳( b e c q u e r e l ) 效应贝克勒耳效应指液体中的光生伏特效应。当光照 射浸在电解液中的两个两样电极中的任一个电极时，在两个电极间将产生电势的现 象称为贝克勒耳效应。基于该效应的有感光电池。 ( 4 ) p n 结光生伏特效应光照射到距表面很近的半导体p n 结时，p n 结及附近 的半导体吸收光能。若光子能量大于禁带宽度，则价带电子跃迁到导带，成为自由 电子，而价带则相应成为自由空穴。这些电子空穴对在p n 结内部电场的作用下， 电子移向n 区外侧，空穴移向p 区外侧，结果p 区带正电，n 区带负电，形成光 电动势。 7 中南人学颂l 。学他论文第二霞系统的总体结构i 5 1 计 p n 结光生电流与入射光照度成难比，产生伏特与照度对数成正比。 基于此效应的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。通过设计和制 造工艺，使光电池工作在无外接电源下，则以光尘伏特效应工作；光敏管工作在反 向偏压下，则同时存在光电导效应和光尘效应。它们输出的光电流与光照度均有线 性关系。 本系统所采用的光传感器就是用光敏三极管做成的。在无光照时，光敏管工作 在截止状态，只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电 流，即暗电流。当受光照时，p n 结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子空穴 对，从而使p 区和n 区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反偏和内电场的 作用下，p 区的少数载流子渡越阻挡层进入n 区，n 区的少数载流子渡越阻挡层进 入p 区，从而使通过p n 结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。 2 2 3 光的测量及仪器【s l 1 测光基本方法 ( 1 ) 目视光度法 这是根据人眼的生理感觉( 包括心理作用) ，对两个发光体的亮度进行比较的 方法。在目视光度测量中，必须满足下列条件： 要求眼睛仅是锥体细胞处于工作状态，即2 。视场； 目标亮度要在6 西o c d 玎1 2 范围内： 目视光度计的光谱特性要求平坦： 观察者不应是色盲或色觉异常者。 ( 2 ) 物理光度法 用光电探测热电探测器等物理探测器作为光接收元件的测量方法。 氛分光光度法当己知标准灯的总光通量巾s 及其相对光谱功率分布p x ) ， 则可先测出待测类与标准灯的相对光谱功率分布的比值 r ( 九) ；p e ( x ) p s ( ) 于是待测灯的总光通量巾c 为 九：坦! 堡塑! 塑塑 f b ( a ) 矿( 五) d 兄 式中r ( x ) 被测，p s ( ) 和由s 为已知，则待测灯的总光通量就可求出。 b 光电积分法将探测器的光谱灵敏度s ( ) 匹配成与人眼的光谱光视效率 v ( ) 相一致，然后用这样的探测器测量光通量标准灯和待测灯，测得的光电流分 别为i s 和i s ，则待测灯的总光通量巾c 为 九= 善丸 b 8 中南人学碗b 学位论文第二审系统的总体结构改计 2 测光仪器 在照明工程中，常用照度计是用束测鼍受照面上光照效果的仪器。照度由接受 光能的光度头和信号处理与显示两部分组成。光度头包括光电转换器件、v ( ) 滤 光器、余弦修理器等。光电转换器件一般足硅光电池( 硅光二极管、硅光三极管) 、 硒光电池等光电探测器。由于照度是生理物理心理毫，它与人眼的光谱光视效率有 关，因此照度计的光度头的相对光谱灵敏度必须与人眼的光谱光税效率一致。但一 般的光电探测器的相对光谱灵敏度与人眼的光谱光视效率相差甚远，所在光电探 测器前要加v ( ) 滤光器。此外，为消除光电探测器友面因菲涅耳反射对余弦特性 的破坏，光电探测器前还须加余弦修j 下器。 图2 1 为数字式照度计的线路原理图。光电探测器受光照后输出与照度成比例 的光电流，再经放大后进行a d 转换，最后将照度值显示出来。 图2 1 数字式照度计的线路原理图 2 2 4 高压钠灯 高压钠灯是一种高强度、高发光效率( 光效可达1 2 0 0 ，w ) 的气体放电灯，利 用钠蒸气放电、发光形成照明效果，经常应用于大面积照明场所【引。它由玻璃外管， 发光管等组成，其主要工作特性如下： ( 1 ) 起动、再起动特性。高压钠灯的起动方式通常采用双金属片热开关和电子 触发器。灯被起动后仍处于冷态时，放电在稀有气体中进行稀有气体放电所产生 的热量使发光管中的钠蒸发出来，钠原子参与放电，发出特有的黄光，直至钠原子 放电代替稀有气体放电。高压钠灯重复起动所需的电压比较高，若电源电压中断， 灯将熄灭。待冷却到发光管内的蒸气压足够低，钠原子被1 5 5 k v 的高压脉冲再 次电离后，灯才能启动。 ( 2 ) 电源电压变化的影响。高压钠灯是在饱和钠蒸气压状态下工作的，灯管电 压、功率随电源电压变化的影响比其它放电灯大，因此要求电网电压变化小 ( 3 ) 发光效率。灯的发光效率主要决定于钠和汞的气压、发光管的几何尺寸、 9 中南人学倾i + 学位沧史 第二帝系圣茫的乜体绍掏改计 管壁负载，同时还与缓冲气体的成分和气压、发光管的透光率、电极损耗等因素有 关。 ( 4 ) 使用寿命。高压钠灯的寿命一般可达l 2 万h 。在寿命期内，由于放电管 内壁的黑化及外玻壳内黑色沉积层的形成，放电管内钠晕的减少，光效逐渐下降。 2 2 5 电子镇流器 电子镇流器用于点亮高压钠灯，之后为钠灯提供降压、稳压和稳流的供电电源 以使钠灯能正常工作。它出数种电子元器件构成，实际是大功：搴晶体管高频丌关振 荡电路。晶体管丌关振荡电路的形式有单管振荡型，双管串联推挽振荡型，以及双 管互补推挽振荡型。目前普遍应用的电子镇流器电路大多为串联推挽振荡型，振荡 频率为2 0 娟0 k h z 。基本电路的构成如图2 2 所示【8 l 。 式 l l 一-6n 卜 翰本c ， 。i f 1x 1iil 。， ： ，r l j = e l 2 k 。u ； v d 4 = 翮爿 一【】l 图2 2 电子镇流器电路原理圈 2 3 系统的软件基础 2 3 1 光照度测试计算方法 所谓光照度为每单位面积上入射的光通量，单位为l x 。光照度测量的必备条 件是：光谱特性仅在可见光区域内近似于v ( 九) ，而对紫外和红外区域无灵敏度嗍。 照度计算方法按光的照射方式可分为直射照度计算、反射照度计算以及平均照 度计算，不同方法适用于不同的光源及照明分布条件。本系统中的照明灯数量较多 且分布较均匀，因而被照表面各处照度也比较均匀，故采用平均照度来表征实验室 的照明水平 2 3 2 上、下位机编程工具 l 、上位机监控程序 考虑到易用性、易于维护和扩展性，本系统上位机采用基于w i n d o w s 操作系 统的d e l p h i 5 o 开发平台。d e l p h i 是b o r l a n d 公司推出的大型开发工具，它将 l o 中南人学帧i 学位论立 第一二帝 系统的总体结构设计 w i n d o w s 编程的复杂性隐减起来，用户不必了解w i n d o w s 内部的繁杂的工作原理 及其属性，就可以在短期内丌发自己的w i n d o w s 应用软件。d e l p h i 5 o 是b o r l a j l d 公 司1 9 9 8 年推出的，在以前各版的基础上又增加了很多新特性，如语言进一步扩展、 用户界面和丌发环境更加友好、支持w i n d o w s 9 8 及w i n d o w sn ts e i c e s 的丌发等， 是非常适用的丌发平台1 9 j 。 2 、下位机控制程序 下位机软件_ 玎：发采用p l ，m 语言，p l ，m 语言是i n t e l 公司为丌发微处理器和 微控制器而专门设计的程序设计语言，可用于m c s 5 l 、m c s 9 6 等系列的单片机。 与汇编语言及其它高级语言如c 等相比较，p l ，m 具有以下特点： p u m 语言接近人类的思维习惯，易于编写程序； p l m 可以直接利用c p u 的硬件特性进行程序设计，即能方便地进行i o 操作、内存访问等，并支持中断服务； 代码转换率高： p l ，m 的语句功能强，具有条件转移、循环等多种流程控制功能。采用p l m 语占编写的程序简洁，能提高开发的效率； 程序的可读性、可维护性好； 支持模块化程序设计，可将一个复杂的程序分解成多个功能模块，每个模 块单独编辑、编译和调试，便于实现程序共享； 支持混合语言编程，可以使用汇编、p l m 及其他的高级语言来编写各个模 块，分别由各自的编译器进行编译、调试，最后用连接程序将这些模块连 接生成一个完整的绝对地址目标文件，这样可以增加编程的灵活性； 由于以上特点，并且大部分的单片机开发系统都配有p l m 软件，所以本系统 的下位机软件采用p l m 编写。 2 4 系统硬件结构设计 2 4 1 总体控制方案的设计 根据课题的要求，我们采用两级计算机集散型控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e d c o n 仃o ls y s t e m ) 控制人工气候室的光照度。第二级直接数字控制级d d c ( d i 托c t d i g i t a lc o n n d l ) 完成下层各光照度的数据采集、过程控制等任务；第一级计算机监 控级s c c ( s u p e f v i s o r yc o m p u t e rc o n 昀1 ) 主要实现综合监视生产过程主要信息、 历史数据存档及给d d c 级命令等。对于中、小型系统来说，这种集散型系统有可 靠性高、性能稳定、易于操作维护等优点。本系统s c c ( 上位机) 采用5 8 6 工控机， 在w i n d o w s 9 8 环境下自行开发本系统应甩程序；d d c ( 下位机) 采用自行研制的单片 机微型控制器，采用智能算法进行过程控制：单片微控制器通过控制高压钠灯的镇 流器来调节高压钠灯的亮度，模拟自然光照的变化；上、下位机采用r s 4 2 2 全双 中南夫学顾1 学位论之第二帝系皖的总体结构设计 工通讯。系统整体结构图如图2 3 所示。 单片微控制器的控制结构如图2 4 所示。8 0 c 1 9 6 k c 单片机经d a 模块输出 o l o v 电压，通过控制电子镇流器束调节高压钠灯的亮度。 图2 3 系统结构框图 8 誉h 蹴h 囊h 孽h 翥等 图2 4 下位机控制结构图 2 4 2 控制对象 本系统主要是对光照度进行控制，而原有的光照设备情况如下： ( 1 ) 水稻研究中心共有4 个试验区，每个试验区均有3 6 个光源，以高压钠灯为 主，另配有2 3 个金属卤化物灯，这种方式的最大弱点是各点分布不均匀，光源全 部打开的情况下，直射处强度最高可在1 8 万l x ，交间隙处最低只有6 千l x 。 ( 2 ) 不能调节光照度的强弱。采用关掉部分灯以调节光照度的方式不合理。 ( 3 ) 水稻生长所需光谱，光照强度不够； 针对以上问题，我们进行了调查了解，市场上除高压钠灯、金属卤化物灯以外， 还有氙灯、氙钠灯和光谱灯等。氙灯有强度大、辐射面广等优点，但其缺点是寿命 较短( 1 千小时左右) ，且其价格较高( 约8 0 0 元，组) ；光谱灯的强度少、辐射范围 较窄。故综合各方面因素考虑，本系统还是沿用原来的高压钠灯，根据标准光照测 量仪所测出的光照强度，采用计算机控制系统来调节光照强弱。 2 4 3 光照度传感器设计【i i l 1 2 中南人学砀卜学位论文 第二帚系统的总体结构改计 本系统中，为了使用户即农业科技工作者方便、准确地研究光照度、波长对 农作物的影响，就必须提供精确的照度测量值。目前常用的照度计不能适应这方 面的要求，主要有以下两方面问题需要解决： 厂 f j f 、 、 _ ，一 图2 5 光谱曲线图 ( 1 ) 光照传感器相对灵敏度的频率特性。当今半导体光敏器件品种繁多，均有 其频率响应范围，而用于日光照度计的光敏器件其相对灵敏度的光谱曲线如图2 5 所示。可见，波长在6 4 0 m m 传感器灵敏度最高，成正态分布，两面的灵敏度均会 下降。众所周知，绿色农作物( 叶绿素) 对蓝光和红光吸收较强，而对紫外光和 绿光吸收很少。而在“人工光源”中，制造能使植物吸收的红、蓝光为主的光源， 以促进农作物的丰产、高效。这就需要对光传感器光谱曲线进行合理补偿。 ( 2 ) 所有的光电测量都是处理传感器接收到的两个光量( 明与暗) 之间的差异 的计量过程。在有光条件下传感器感受到的光强度与在无光条件下感受到的光强度 之比，即光对比率，反映了传感器的灵敏程度。为了优化农业光照传感器的光对比 率，设计好传感器的内腔结构和透镜镜头就显得尤为重要。 针对这两个问题，我们委托某公司研制出一种新的、能满足本系统要求的光照 度传感变送器，其结构图如图2 6 所示以上两个问题的解决方法具体如下： 采光补偿簋 图2 6 一体化照度变送器结构图 胁 。 对 t 蓐 压 中商大学彤! l 学位论文第二章系统的总体结构设计 ( 1 ) 光谱曲线补偿 如图2 6 所示，传感器的采光面使用了“采光补偿膜”对被测光进行了衰减。 这种稀土材料制成的衰减膜对不同波长的光有不同的衰减系数，其特性如图2 7 的b 所示。此特性恰与图2 7 的a 所示的光传感器光谱曲线互相补偿，使新型的 一体化照度变送器相对灵敏度在可见光范围内，基本趋f 一致，实测结果如图2 7 的c 所示。因此，解决了测量不同颜色光源照度时的不准确( 色差) 问题。 ，飞 、b 7 i 、 o ：、。& 吖j ，：o o c o 、 7 弋 _ ，一一 a 为光传感器光谱曲线b 为采光补偿膜光谱衰减曲线c 为一体化照度变送器光谱曲线 图2 7 采光补偿蟆光谱特性 ( 2 ) 光对比率的确定及调整 在测农作物环境光照时，为优化在实地测量条件下的光对比率，选择好传感器 和采光镜头就尤为重要。其次是照度变送器的内腔结构和背衬材料的选择。图2 6 所示的结构能满足测量时光对比率为3 的经验值的要求。 光对比率为3 是任何感测条件下的最小值。一般恰好能克服传感器采光面上的 微小污染物和感光器件缺陷引起的灵敏度变化，提高测量的准确性，提高测量精度。 之所于将光传感器设计成一体化照度变送器，主要原因是能简便地调整对比率 的值是否为3 ，。首先可将变送器的放大比例( 灵敏度) 调整到最小，在暗光条件 下，使之输出下限值( 4 m a ) ，然后在高光条件下增加灵敏度，使输出改变为满量程 的l ，3 ( 9 3 m a ) 。这样反复测试，直至符合要求。 2 4 4 电子镇流器设计 目前市场上高压钠灯的电子镇流器起触发和镇流作用，品种繁多，但都存在如 下问题： ( 1 ) 工作不够稳定，有时需多次触发才能启动钠灯而多次连续触发很可能对 钠灯的发光管有破坏性影响，易产生声共振，引起自灭现象。 ( 2 ) 功率因数低，只有o 5 8 左右。 1 4 胁 相 对 矗 辱 虞 中南人擘硕卜学位论史第二章系统的总体结构设计 ( 3 ) 存在较严重的高频于扰，有时会导致周边设备无法正常工作。 ( 4 ) 只能控制灯的丌与关，亮度不可调节。 本系统要求有精确的控制精度，这就需要钠灯的亮度可调节，另对可靠性要求 也比较高，因此必须用高可靠性及可调节的电子镇流器j 能满足要求。在市场上多 方寻求未果的情况下，我们自行设计这种可调节亮度的电子镇流器。经多次改进， 终获得成功。其结构原理图如图2 7 所示。 譬c r k 芦臼径目。 i ”i 。 j 务口 型高u tr 工三i 剧y f 圳；：r | f 。， 商 剑 。撼r 1 一 一 再i 龌f 词 毗2 、( ) ， v “ 。章 蚓。扣 型广；。i ，卜。 訾下。： x p，邕i 鹜：翌i 一 辨 瓦1 。 一舻出w 匹4 ， 汛 c ：；： 慕 一j 1 一 圈2 8 可调节亮度的电子镇流器结构图 t l 4 9 4 ( u 1 ) 是一种p w m 发生器，它的主要特点有：内含两路独立的4 0 v 、2 0 0 m a 输入晶体管；参考电压基准精度高达l ；内置双误差放大器；脉宽及死区时间可 方便改变；推挽，单端输出；双脉冲保护功能；可主从式振荡工作等。 图中v d l 和d l 组成桥式整流电路，与e c l 、e c 2 滤波电容相配合，构成电 子镇流器开关振荡电路的直流供电电源。 二极管d 9 、d l l 和