温室大棚自动控制系统设计.doc

自动化本科毕业论文(设计)题 目： 温室大棚自动控制系统设计(初步) 学 部： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 摘要：本文在简单介绍温室系统控制发展过程的基础上，综述了目前控制系统中的上位机、下位机、传感器及执行机构的研究应用。针对冬季温室蔬菜生长环境问题，提出了一种能够采集多个温室环境信息并自动控制蔬菜生长环境的设计方案。它以计算机控制为核心 ，依据传感器节点采集到的温室环境信息和蔬菜不同生长阶段对环境因子的要求，自动控制调节环境设备开关，提供蔬菜生长所需的最佳环境条件，从而达到改善温室环境的效果。系统具有成本低、功耗低、监控范围大等优点，有效地克服了传统温室管理落后、布线复杂等问题。关键词：控制系统 自动化 温室大棚 传感器 Abstract：Based on the brief introduction of the development process of greenhouse system control reviewed based on current control system under the PC, a machine, sensors and actuators research applications. In winter the greenhouse vegetable growing environmental problem, this paper proposes greenhouse environment information can be collected more vegetable growth environment and automatic control of the design scheme. It with computer control as the core, according to collect sensor nodes greenhouse environment information and vegetables different growth stages to environmental factors, automatic control regulation requirements of environmental equipment switch, provide the best vegetable growth conditions needed to improve the effect of greenhouse environment. System has low cost, low power consumption, monitoring range etc, and effectively overcome traditional greenhouse management problems behind, wiring complex. Keyword：Control systemautomation greenhousesensor21目录：第一章 绪论11.1 课题背景及研究意义11.1.1 温室控制系统的发展11.1.2 研究意义11.2 国内外温室控制技术发展概况11.3 选题的目的和意义2第二章 理论基础22.1 控制理论22.1.1 自动控制系统22.1.2 过程控制系统32.1.3 计算机控制系统32.1.4 MCS-51系列单片机引脚及功能32.2 温室环境控制原理及控制技术42.2.1 温室环境因子42.2.2 常用控制设备62.2.3 常用的温室环境调控设备主要有以下几种：6第三章 温室控制系统的总体设计63.1 控制系统的设计要求63.1.1 能够实时采集并显示温室内外的各个环境参数63.1.2 存储一定时间的温室环境参数值63.1.3 能够根据季节、地区和作物的不同，设置不同的控制参数63.1.4 自动调节温室内的环境参数73.1.5 声、光报警的功能73.1.6 与上位机进行通讯73.1.7 友好的操作界面73.2 控制系统的总体设计7第四章 系统硬件系统设计84.1 系统硬件的组成84.2 传感器的确定104.2.1 传感器的定义104.2.2 传感器的作用104.2.3 传感器的原理104.2.4 本系统所需要传感器114.2.5 串行通讯接口的设计12第五章 系统的软件设计135.1 数据存储器的分配135.1.1 内部RAM 的分配135.1.2 外部数据存储器的地址分配145.2 下位机程序设计155.2.1 主程序设计155.2.2 通讯程序的设计16第六章 总结206.1 系统总体结构和特点206.1.1 根据课题内容，本论文完成内容206.1.2 总体来讲本系统特点206.2 总结20参 考 文 献21第一章 绪论1.1 课题背景及研究意义1.1.1 温室控制系统的发展70年代中期，美国、日本、荷兰、意大利等开始使用微型计算机控制植物的生长环境。80年代，根据不同作物、不同生长阶段及外界环境变化对温室环境进行综合调节控制的技术得到了快速的发展。目前，在温室控制技术方面，荷兰、美国、以色列、日本等国较为先进。90年代中期开始，我国现代温室快速发展。目前，已发展为光温室园艺设施，进而发展为设施农业，成为种植业、养殖业和水产业全面发展的新兴产业。1.1.2 研究意义温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。把自动控制系统引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖、孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。用传感器实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。1.2 国内外温室控制技术发展概况现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，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CO2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。美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。我国的温室栽培管理一直主要靠人工根据经验进行，直到20世纪70 年代从国外引进了设施环境控制设备与手段都很先进的温室设施。然而，一方面由于现代化温室在我国能源消耗太大，国情国力难以承受；另一方面 ，温室生产是一个复杂的过程，是硬件设施和软件技术的统一体，而我国缺乏相应的管理人才；再者由于地域、水土、气候乃至资源的差异，引进的国外系统并不完全适合于我国国情，引进设备并没能充分发挥其作用，且成本高、维护困难。20 世纪 80 年代末到 90 年代初 ，在引进 、吸收 、消化的基础上，我国各科研院校围绕着主要蔬菜的环境控制问题展开了试验研究，取得了一定成效 。特别是“九五”期间 ，国家科技部提出的工厂化高效农业示范工程推动了我国温室监控技术的发展，生产出一批具有我国知识产权的控制系统。但总体来讲，我国设施农业中环境控制能力低，自动化程度十分落后，适应自然条件能力差。目前，我国温室自动控制研究有两个方向：一是由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能环境控制系统，它采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心；二是由中国农业大学电子电力工程学院设计的华北型连栋温室自动控制系统，采用以单片机为主对温室环境进行自动监测与控制。从总体上来说，我国自行开发的温室测控系统的技术水平和调控能力无法满足农业发展的要求，自动化程度和智能化程度在世界上处于落后地位，与发达国家相比存在着较大差距。因此，应通过对温室的结构、材料、能源综合利用、人工补光、环境自动控制的仪器设备及计算机软件等方面进行进一步的研究与开发，以尽快提高我国的温室控制水平。1.3 选题的目的和意义 随着我国蔬菜产业的迅速发展，蔬菜在保障人们身体健康和提高人民生活质量方面发挥了重要作用。冬季是蔬菜生产的淡季，其种类和数量相对较少。在寒冷的北方，蔬菜大多是在温室内种植的气候、光照等因素不利于促进植物的代谢和土壤中养分的吸取，从而降低了蔬菜的生产品质及经济效益。近年来，随着无线通信技术、传感器技术和自动控制技术等多种先进技术广泛应用于温室，温室种植环境得到了很大地改善，蔬菜供给保障能力显著提高，满足了人们对多品种大数量蔬菜的需求。本文提出了一种自动化温室控制系统，由分布于各个温室的若干传感器节点、设备开关节点、有限的路由节点和一个 中心控制节点组成。该系统由管理人员直接通过电脑控制，控制简易、可操作性强，可以根据各个温室传感器节点采集的环境数据信息控制温室环境设备 ，节省了人力，极大地提高了工作效率 ，有效的实现了蔬菜生产环境的自动控制。第二章 理论基础2.1 控制理论2.1.1 自动控制系统为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。2.1.2 过程控制系统以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。过程控制系统建模概念：第一点要确定明确的输入量与输出量；第二点要有先验知识；第三点要有实验数据。过程控制系统建模的两种基本方法：1、机理法建模 用机理建模法就是根据生产中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，如物质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反映等基本规律的方程，物性参数方程和某些设备的特性非常等，从中获得所需要的数学模型。2、测试法建模 测试法一般只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。2.1.3 计算机控制系统计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。2.1.4 MCS-51系列单片机引脚及功能 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）图1 MCS-51系列单片机引脚2.2 温室环境控制原理及控制技术2.2.1 温室环境因子作物的生长发育及产品的最终形成，其产量与质量一方面取决于作物本身的遗传特性，另一方面取则决于外部环境条件。在实际生产中，一方面通过育种技术来获得具有新遗传性的品种，另一方面要通过先进的栽培技术及适宜的环境条件来控制其生长和发育。影响作物生长发育的环境条件主要包括：温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等。所有这些环境条件之间是相互作用、相互联系、相互耦合的，某个控制变量发生改变，会影响其它控制变量的变化。作物的生长发育是所有这些环境条件综合作用的结果。 2.2.1.1 温度 温室内气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、养分的吸收有着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温度最为敏感，也最为重要，对温室环境控制的研究也是最先从温度控制开始的。作物生长发育适宜的温度，随种类、品种、生育阶段及生理活动的变化而变化。为了增加光合产物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，随着光照强度的变化，实行变温管理是一种很有效的管理方法。2.2.1.2 湿度 温室内作物对水分的要求体现为对温室内空气湿度和土壤湿度的要求。空气湿度用相对湿度来表示，因为相对湿度更能反应事实。空气相对湿度的大小直接影响到作物的光合作用，这时就需要增加温室内的空气湿度。当温室内的空气湿度较高时，可能会诱发一些病虫害。温室中空气湿度的管理包括增湿和降湿。土壤湿度对作物的影响也很大。土壤湿度的管理就是把包括渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到温室中来。2.2.1.3 光照 光照是植物环境中的重要因素，是植物生产有机质的能量来源，是作物生长发育的关键条件之一。光照不足，必然影响到植物的生长。对作物生产的影响主要表现在光照强度、光照时间、光质三个方面。 温室中常用的人工光源有白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等2.2.1.4 CO2浓度 CO2是作物进行光合作用的主要原料。使作物获得最大生长率的使作物获得最大生长率的CO2浓度，取决于作物的生长阶段、光照强度、温度等因素。浓度，取决于作物的生长阶段、光照强度、温度等因素。温室内各环境因子之间存在着强烈的相互作用，作物是在各环境因子的综合影响下生长的，而不是单个因素作用的结果，各环境因子对温室作物的作用也不是简单叠加的。因此，单因子控制是不能达到良好效果的。所以设计智能化温室环境测控系统时须辅以有关的调控技术以及各环境因子之间的相互耦合系数，控制各参数因子处在相对最佳组合的水平，这样才能使种植者获得最佳的产量与经济效益。2.2.2 常用控制设备 2.2.3 常用的温室环境调控设备主要有以下几种： 供热系统； 自然通风系统； 强制通风系统； 遮阴保温系统； 人工补光系统； CO2 施肥； 灌溉施肥系统。 第三章 温室控制系统的总体设计3.1 控制系统的设计要求3.1.1 能够实时采集并显示温室内外的各个环境参数 能够实时采集与显示室内外气温、土壤温度、室内相对湿度、室内外光照强度、CO2浓度、土壤水分等参数；并可以同时显示参数采集时的时间与日期。主要参数的检测范围与检测精度如表1 所示。 表1 主要环境参数检测范围 检测精度温度 -1050 0.5 湿度 1595 % RH 3.0 % RH光照强度 100050000 Lx 25 LxCO2浓度 01000 ppm 10 ppm3.1.2 存储一定时间的温室环境参数值 由于下位机对温室环境的检测是一个连续不断的过程，下位机数据存储器的容量需足够大，能够存储数天的数据。需要保存一组由室内、外环境参数及其本组数据采集时间组成的一条测控记录。 本控制系统保存一条测控记录需要 30 个字节的存储单元。32K 外部数据存储器中的0300H7FFFH 为测试数据存储区，共计32000 个字节，最多可以存储 1066 条记录。如果每隔 10 分钟存储一条记录，则一天需要存储 144 条记录。扩展 32K 数据存储器可以存储 7 天的数据。完全可以满足本控制系统的需要。 3.1.3 能够根据季节、地区和作物的不同，设置不同的控制参数 操作人员可以根据不同的季节、地区和作物，来设置不同的环境控制参数，以满足不同的需要达到最佳效益3.1.4 自动调节温室内的环境参数 当强电柜的转换开关都放在“自动”档位时，控制系统能够完全自动的控制温室内的所有环境调节机构，将温室内的环境参数调节到操作人员设定的参数值附近。3.1.5 声、光报警的功能 当对保温被、遮阳网、通风窗以及灌溉系统等执行机构的控制失效时，以及某一环境参数超过操作人员设定的界限时，控制系统能够发出声、光报警信号，提醒操作人员及时采取相应的措施。各环境参数所允许的范围由操作人员在参数表中设定。3.1.6 与上位机进行通讯本系统可以实现下位机与上位机进行通讯，这可以方便的实现温室的远距离控制，尤其是温室群的远距离控制。上位机能以友好的界面显示温室的当前状态，并能以曲线的形式显示温室各环境参数在过去一段时间内的变化过程和变化趋势，这极大的方便了管理人员的操作和科研人员的数据分析。3.1.7 友好的操作界面 通过上位机的操作界面，一般人员可以方便的查看温室的环境状态，但是只有专业人员可以通过密码，设置更改与本系统运行有关的各个环境参数。 3.2 控制系统的总体设计本控制系统是由上位机和下位机组成的智能化温室群环境控制系统上位机为一台PC 机，下位机为多台MCS-51 系列的单片机，实现对数目不超过5 栋的温室群进行环境控制。下位机实现的功能是对各栋温室环境参数的检测与控制，把各种传感器采集的诸如温度、湿度、co 浓度、光照强度等环境参数转换成数字信号，把这些数据暂时储存起来并与相应的给定值进行比较，经过控制计算，发出相应的控制信号控制保温被、通风窗、遮阳网、喷滴灌等执行设备的动作，实现对温室环境的调控以满足温室内作物生长发育的要求。 上位机通过串行通讯接口分别读取各个温室的数据，并完成数据的统计分析、显示、编辑、存储以及打印输出等操作。 本控制系统的原理框图如图2 所示。 室外气温室外光照强度上位机软件室内土壤水分室内相对湿度室内地温通风窗室内光照强度二氧化碳浓度室内气温遮阳网保温被喷滴灌显示系统按钮控制报警信号键盘输入系统通讯接口智能化温室环境测控仪 （下位机）自动测试系统自动控制系统人机对话接口图2 智能化温室环境测控系统原理图系统采用以光照量为基准的变温控制方式，更加符合作物的生长实际。控制执行设备的状态来调节室内的环境使其有利于作物的生长。为防止各种执行设备的控制失效，在采用自动控制方式的同时，采用手动控制方式，操作人员可以在系统声、光报警后手动控制执行设备的动作，提高了系统运行的可靠性。第四章 系统硬件系统设计4.1 系统硬件的组成控制系统是由硬件和软件两大部分组成的。本控制系统的硬件组成如图3 所示。 串行通信口键盘显示器单片机主板卡A/D转换与多路选择开关多路D/A转换开关量输入开关量输出变送器变送器放大器传感器传感器执行机构控制对象图3 系统硬件结构图传感器是把各种非电量被测参数转变为与之有确定关系的电量信号的电子元件。大多数情况下，从传感器中传出的电信号是不能直接送入中央处理器中的，经常要经过必要的后续电处理，才能使其在形式、幅度、信噪比、转换灵敏度和精度等方面达到中央处理器的要求。变送器就是把传感器传出的电信号转变为标准电信号的信号处理电路。常用的信号处理电路有模拟信号放大、调制解调、信号分离、线性化和量程转化、调零与定标电路等。多数情况下，测控系统的信号处理电路较为简单。在本系统中变送器由运算放大电路、采样保持电路组成，完成系统对模拟信号的处理。本测控系统要完成多路模拟信号的数据采集、A/D 转换，为了实现共用 A/D 转换器和信号的分时输入，采用了多路选择开关。多路选择开关在相应控制信号的作用下，选择开通多路输入的某一路，从而实现多路信号的分时输入。由于计算机只能处理数字信号，因此如果传感器中输出的是模拟信号，则需要将其转变为数字量才能送入计算机中。A/D 转换器就是为满足这一要求而设计的。单片机对各传感器采集的数据进行运算处理后，发出指令控制执行机构作出相应的动作。单片机总是以数字量的形式通过I/O 口或数据总线输出控制信号。这些数字信号的形态主要有开关量、二进制数字量、频率量。对于需要由模拟量控制的执行机构，则需要通过 D/A 转换电路转换成模拟电量的控制信号。 单片机输出的控制信号功率很小，不足以直接控制执行机构，所以需要进行功率放大驱动。 如果驱动控制对象的功率负荷很大，则产生的电磁干扰非常严重，此时考虑进行通道隔离，最常用的隔离方法是采用光电隔离。键盘和显示器是控制系统的基本外部设备，是人机对话的联系纽带。通过键盘可以发出各种操作指令，设置环境参数。显示器则可以显示温室当前的环境参数和工作状态，也可以显示要查看的历史数据。串行通讯接口则是与个人计算机进行数据传输的通道。在异步串行通讯中应用最广的标准总线是RS-232C。由于RS-232C 标准规定+3V+15V 之间的任意电平为逻辑0 电平，-3V-15V 之间的任意电平为逻辑 1电平，这与接口电路和计算机接口芯片的电平是不同的。所以在通讯时，必须进行电平转换，以便与RS-232C 标准的电平相匹配。即使用两个RS-484C与RS-232C转换器相连接，完成电平转换以及远程传输。4.2 传感器的确定4.2.1 传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。4.2.2 传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。4.2.3 传感器的原理传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动-静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。4.2.4 本系统所需要传感器系统需要的传感器有：温度传感器、湿度传感器、空气湿度传感器、CO2浓度传感器。4.2.4.1 温度传感器热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度的变化而变化的性质制成的温度敏感元件。具有电阻温度系数大、形小体轻、灵敏度高、响应速度快、分辨度高、结构简单等特点。热敏电阻的阻值与温度之间的关系，是一条指数曲线：R t=AeB/t 式中，A 和B 是常数，其大小取决电阻的材料和制造工艺。 在本系统中温度传感器选用北京森恩传感器技术公司生产的热敏电阻传感器，测量精度为0.1，其测量范围为-40+50。4.2.4.2 湿度传感器湿度是影响温室通风、降温、灌溉乃至植保的一个重要环境参数。温室湿度一般用相对湿度来表示。电容湿度传感器 ：电容湿度传感器是利用材料电容随湿度变化的特性而设计的。在正常条件下，其储存电荷的电量与空气湿度成正比，通过测量电荷量即可求得空气相对湿度。电容湿度传感器的特点是初始精度很高，不受低温的影响，可用于任何气候条件。但是缺点是对化学品特别敏感，测头表面结露后严重影响其测试精度。温室中几乎每天都有结露的问题，而目前化肥、农药的使用将不可避免地污染传感器测头。在本系统中空气湿度传感器选用齐齐哈尔科达敏感仪器厂生产的电容湿度传感器。土壤水分传感器采用澳作生态仪器有限公司的 ML2XThetaProbe 水分探头。4.2.4.3 二氧化碳（CO2）传感器CO2浓度对作物的产量起着重要影响。浓度过低则作物的光合作用受到削弱，限制了作物的生长；浓度过高则又可能对作物造成危害。常用的CO2 浓度分析仪有红外线色谱仪、热导计、声像仪等，在温室环境检测中主要采用红外线色谱仪。为了降低仪器的成本，CO2测试仪基本上都采用了多路采样技术，也就是说用一台分析仪顺序分析多根采样管送来的样品，这样可以基本上实现CO2的连续检测。为了保证在采样线接到分析仪时可以及时获得最新的样品，要求每条采样线上的气流始终保持稳定一致。采样管线最好采用高质量的气密管制做，采样线管径的选择应保证在整个采样线长度上不发生较大的压差，因为分析仪中样品的压力与温室空气的实际压力不同时，可能会造成测量误差。一般生产上CO2浓度大都以体积分数(L/L)为单位，传感器显示浓度(mol)须进行换算。在换算中要涉及到压力的问题，一般取标准大气压，如果当地的大气压变化较大，应作相应的修正。在本系统中CO2浓度传感器采用北京分析仪器厂生产的红外CO2浓度仪。4.2.4.4 光照强度传感器光照强度是温室环境控制中一个重要的参数，其值的大小直接影响着系统对遮阳网和采光设备的操作。温室内光照分为自然光照和人工光照。自然光照主要指太阳辐射。人工光照的作用主要是延长光照周期和补充自然光照的不足。本系统光照强度传感器采用硅光电池，它性能稳定，寿命长，光谱响应范围宽，频率特性好，耐高温。4.2.5 串行通讯接口的设计在微型计算机中，通信（数据交换）有两种方式：串行通信和并行通信。串行通信是指计算机与I/O设备之间仅通过一条传输线交换数据，数据的各位是 按顺序依次一位接一位进行传送。 并行通信是指计算机与I/O设备之间通过多条传输线交换数据，数据的各位同时 进行传送。 二者比较：串行通信的速度慢，但使用的传输设备成本低，可利用现有的通信手段和通信设备，适合于计算机的远程通信；并行通信的速度快，但使用的传输设备成本高，适合于近距离的数据传送。RS-232C 是美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通讯中应用最广的标准总线；适用于终端设备（DTE ）和数据通讯设备（DCE ）之间的接口；最高数据传送速率可达19.2Kb/s，最长传送电缆可以达到 15 米。RS-232C 标准定义了25 根引线，对于一般的双向通讯，只需使用串行输入RXD，串行输出TXD 和地线GND 即可满足要求。 RS-232C 标准的电平采用负逻辑，即规定+3V+15V 之间的任意电平为逻辑 0 电平，-3V-15V 之间的任意电平为逻辑 1 电平，这与TTL和 CMOS电平是不同的。由于在进行电路设计时和单片机接口芯片中大都使用TTL/CMOS 电平，所以在串行通讯时，为了与RS-232C 标准的电平相匹配，必须进行电平转换。在本统中选用MAX232C 芯片来进行电平的转换工作。MAX232C 芯片是MAXIM 公司生产的低功耗，单电源双RS-232C 发送/接受器。MAX232C芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V 电源变换为RS-232C 输出电平所需要的10V 电压，所以采用此芯片接口的串行通讯系统只需单一的+5V 电源就可。MAX232C 外围需要4 个电解电容C11，C12，C13，C14，它们是内部电源转换所需电容，其取值均为 1F/16V，选用钽电容并且应尽量靠近芯片；C10 为 0.1F 的去耦电容如图4-3 所示。MAX232C 的引脚T1IN ，T2IN ，R1OUT ，R2OUT 为接TTL/CMOS电平的引脚，引脚T1OUT ，T2OUT ，R1IN ，R2IN 为接RS-232C 电平的引脚，因此TTL/CMOS 电平的T1IN ，T2IN 引脚应接MCS-51 单片机的串行发送引脚TXD；R1OUT ，R2OUT 应接MCS-51 单片机的串行接收引脚RXD。与之对应的RS-232C 电平的T1OUT ，T2OUT 应接PC 机的接收端RD；R1IN ，R2IN 应接PC 机的发送端TD。图4 MAX232C 接口电路本系统采用MAX232C 的接口电路如图4 所示，选用其中的一路发送/接收， R1OUT 接MCS-51 单片机的RXD，T1IN 接MCS-51 单片机的TXD；T1OUT接PC 机的RD，R1IN 接PC 机的TD。因为MAX232C 具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。 第五章 系统的软件设计本系统软件设计采用模块化的设计思路，即整个系统的程序软件由许多独立的子程序模块组成，它们之间通过软件接口进行连接。连接的原则是：模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散，按功能划分模块。 5.1 数据存储器的分配 在利用汇编语言进行程序开发时，由于需要直接调用特殊功能寄存器和内部 RAM 的某些单元，因而需要对RAM 进行合理的分配。其原则就是既要满足程序开发的需要，完成程序要完成的全部功能，又要使程序简练、对硬件的要求力求最低。5.1.1 内部RAM 的分配MCS-51 系列的单片机内部有 128 字节的 RAM。根据程序设计的要求，将其进行如下分配。表 2 RAM 地址分配地址单元 功能描述 字 节 数00H07H 工作寄存器区R0 R7 8 字节08H2FH 内部用户寄存器区 40 字节30H5FH 堆栈区 48字节60H7FH 临时寄存器（计算用） 32字节其中，内部用户寄存器区是内部RAM 地址分配的重点，其分配的合理与否直接关系到整个系统的工作效果。根据本系统的程序设计要求，将其进行如下划分。表 3 内部用户寄存器区地址分配地址单元 功能描述 字节数08H10H DS1216E 日历时钟信息寄存器 9 字节11H22H 82C79 键盘显示信息寄存器（包括显示缓冲区） 18 字节23H26H X5045 的读写缓冲器 4字节27H 显示缓冲区更新控制字 1 字节28H 显示数据更新控制字 1字节29H 各控制设备状态信息寄存器 1 字节2AH 参数表用户访问权限寄存器 1 字节2BH2FH 留作其它用途 5 字节5.1.2 外部数据存储器的地址分配在本系统中由于需要储存大量的历史数据，扩展了64K的外部数据存储器。根据要求将数据存储器分为两部分，即测试数据存储器和参数存储器。 参数存储器虽然采用了串行EEPROM，不占用片外数据存储器空间。但是片外数据存储器、片外数据区和扩展I/O 口进行统一编址，所有外围接口的地址均占用RAM 的地址单元。因此测试数据存储区设计为32K，由62C256 芯片扩展而成，地址分为如下表：表 4 数据寄存器地址分配62C256 0000H-7FFFH（A15= 0） 32K扩展I/O 口 8000H-0FFFFH （A15= 1） 32K正如上表所示在扩展的 64K的外部数据存储器中用于存储测试数据及其相关操作的只有 32K，其地址划分如下：表 5 外部RAM 地址分配地 址 功 能 描 述 字节数0000H00FFH 外部用户寄存器区 256 字节0100H02FFH 上位机发送来的控制参数缓冲区 512 字节0300H7FFFH 数据区 31.25 字节其中外部用户寄存器区做了如下安排：表 6 用户寄存器区地址分配地 址 功 能 描 述 字节数0000H000FH 备份显示缓冲区 16 字节0010H002DH 测控数据寄存器区 30 字节002EH002FH 数据存储器中现存测试数据记录条数寄存器 2 字节0030H0031H 外部数据存储器记录指针寄存器 2 字节5.2 下位机程序设计本系统软件主要完成数据采集、运算处理、实时 LED 显示、自动报警、键盘响应、参数的设置与查询、与上位机联机通讯、驱动执行等功能。根据程序要完成的功能将整个程序划分为若干个模块，既便于调试、连接，又便于移植、修改。主要的功能模块有主程序模块、通讯模块等。 5.2.1 主程序设计 主程序是整个测控系统中最重要的程序，各个子程序都在主程序的协调指挥下运行，是一个顺序执行的无限循环程序，可以被任何优先级的中断请求所打断。各个环境参数的测试和控制指令的判断都在各个测控子程序中进行，主程序的主要功能是实现系统的初始化、实现系统自检、响应中断请求进而调用数据处理子程序。 主程序的初始化工作主要完成对 X5045 、82C79 、DS1216E 、MAX232C、AD574A、测试数据寄存器、串行口、定时/计数器等的初始化。在程序的开始，编写一段简短的程序，执行该程序并与预定结果进行比较，如果不同，则跳转到错误处理子程序；如果相同，则证明CPU 及其它部件工作正常，程序继续向下执行。主程序流程图如图5： NNYY系统初始化系统自检声光报警正常否开中断调用数据处理子程序有中断请求？开 始图5 主程序流程图5.2.2 通讯程序的设计 通讯程序是本测控系统的一个非常重要的程序，是整个测控系统能否实现分布式控制的关键程序之一。MCS-51 系列单片机的串行口中断入口地址为0023H。设置串行口工作方式为方式3，用于多机通讯、允许接收；利用定时器T 1 做波特率发生器，将电源控制寄存器PCON 的最高位SMOD设置为 1 使波特率加倍，因此经过计算可以得出定时器T1 的初值为#0F3H，使定时器T1 工作于自动装入初值的方式2。所有这些都在初始化中完成。通讯程序流程图如图6：否数据参数是开始返回测试数据存储区赋初值参数接收子程序测试数据发送子程序初始化传参数还是数据？上位机主叫本机？图6 通讯程序流程图在参数接