温室大棚温湿度数据采集系统设计报告(1).doc

装订线1 设计背景植物光合作用和呼吸作用是在不同酶的催化作用下完成的，酶是生物催化剂，在一定的范围内，温度越高活性越大。植物光合作用制造的养料一部分用来供给自己的呼吸作用，另一部分则是储存起来，也就是我们所能够从植物身上得到的养料，适当的提高植物在光合作用时候的温度，降低晚上再没有光照情况下呼吸作用的温度，我们可以得到更多的养料，因此从这个意义上来说，能够方便快捷的测试出蔬菜大棚的室温对于是调节大棚的室温的前提。大棚一般种植喜温植物和耐热性蔬菜，不同的植物温度和湿度不同，相同的植物在不同的生长期所需的温度和湿度也不尽相同。喜温植物不能长期忍受5度以下的低温，10度以下停止生长，如黄瓜，西葫芦，茄果类，菜豆等，生长温度要求在18至26度，而耐热蔬菜如冬瓜，丝瓜，甜瓜，豇豆等，生长温度要求在20至30度。因此在反季节蔬菜栽培中要根据蔬菜的品种对温度进行控制。要求昼夜温差不低于10度。黄瓜类、绿叶蔬菜类对空气相对湿度要求较高，要求空气相对湿度在85-95%；茄果类、豆类要求达60-70%；白菜类、甘蓝类、根菜类要求75-80%。准确的采集农业气象参数，一方面可及时了解作物生长的环境参数，另一方面也可根据采集的参数控制大棚的遮光板、淋灌器、加热器等设备进行环境的调节，从而为农作物的生长提供适宜的生长环境。共 9 页 第 8 页2 设计方案根据种植物的生长特点，本数据采集系统的设计技术指标如下：温度量程： 050；测量精度：1；湿度量程： 50RH100%RH；测量精度：3%；2.1数据采集系统框图该数据采集系统的设计框如图2.1所示。图2.1数据采集系统框图2.2 元器件的选型由于传感器和信号放大电路是系统误差的主要部分，故将总误差的(即的温度误差，的湿度误差)分配至该部分。数据采集、转换部分和其他环节的相对误差为（即温度误差，的湿度误差）。2.2.1温度采集通道的元件选型（1）温度传感器的选择温度传感器选择的是电流输出型集成温度传感器AD592CN，它具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。查技术手册可知 AD592CN的最大线性误差为。 AD592CN的电源抑制误差：当时，AD592CN的电源抑制系数为。设供电电压为10V，.变化为，则由此引起的误差为。 变换电阻的温度系数引入误差：AD592CN是电流输出，须先经电阻变为电压信号送到转换器。电阻值为，对应的信号电压为。设所选电阻的误差为，温度系数为。AD592CN的灵敏度为，在时输出电流为，因此当环境温度最大变化时，它所产生的最大误差电压为：（相当于）(2) 信号放大器的选择AD592CN的电流输出经电阻转换成最大量程为电压，需要加一级放大倍数为78的放大电路，以适合A/D转换器输入模拟电压的范围，这里选用仪用放大器AD522B，放大器输入加一偏置电路，将传感器AD592CN在时的输出值进行偏移，以使时输出电压为零。偏置后，时AD592CN的输出信号为。 参考电源AD580LH的温度系数引起的误差：AD580LH用来产生的偏置电压，其电压温度系数为：，当温度变化时，偏置电压出现的误差为（相当于） AD522B的失调电压温漂引起的误差：它的失调电压温度系数为，温度变化为时，输入端出现的失调偏移为（相当于） AD522B的线性误差：其非线性误差近似等于，输出3.9V摆动范围产生的线性误差为（相当于）按绝对值和的方式进行误差综合，则温度传感器、信号放大电路的总误差为用方根和综合方式，这两部分的总误差为估算结果表明，温度传感器和信号放大电路部分满足误差分配的要求。2.2.2 湿度采集通道的元件选型湿度传感器选择的型号为HIH3610。温湿度的测量在工农业生产、日常生活及科学研究中有着广泛的应用，但由于常用湿度传感器的非线性输出及一致性较差，使湿度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。为此，采用Honeywell公司的湿度传感器HIH3610。它为大信号输出且线性度良好，因此，可省去复杂的信号放大及调理电路，仅需一片A/D转换器将与湿度值成正比的电压值转换成数字量并与单片机接口即可。输出信号电压范围为0.83.9V，可省去信号放大电路。查技术手册得到：精度 2%RH，13%100%RH 非凝结，25（供电电压=5VDC）线性误差 0.5%RH典型值反应时间 30s，慢流动的空气中稳定性 1%RH典型值，50%RH，5年时间内供电电压 45.8VDC（传感器在5VDC下标定）输出电压 按绝对值和的方式进行误差综合，则湿度传感通道的总误差为：用方根综合方式，其误差为：2.2.3 A/D转换器的选型（1）A/D转换位数的确定本系统需要达到的精度：温度为(即)，湿度为。由于温度和湿度共用同一A/D转换器，故根据较高的精度确定位数。A/D转换器环节需满足的精度为。根据公式计算得到，即选择分辨率为12位的A/D转换器。（2）A/D转换器型号的选择由于HIH3610输出信号电压范围为0.83.9V，而一般A/D转换器的输入电压范围为05V，直接使用此类A/D转换器会造成转换分辨率的降低，故这里选用了具有转换最大值、最小值设定功能的A/D转换器TLC2543。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，分辨率可以达到系统的指标要求。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。它的技术参数如下：分辨率12位 转换时间在工作温度范围内10s模拟输入通道11个采样率66kbps线性误差微分线性误差增益误差按绝对值和的方式进行误差综合，则A/D转换器的总误差为用方根综合方式，其误差为2.3 部分电路图2.3.1 温度传感器及信号放大电路温度传感器及信号放大电路方案如图2.2所示图2.2 温度传感器及信号放大电路2.3.2 传感器通道与A/D转换器接口传感器通道与A/D转换器的接口电路如图2.3所示图2.3 传感器通道与A/D接口 3误差估算3.1 温度采集通道的误差估算根据选型部分计算的各种误差，按绝对值和的方式进行误差综合，得温度传感通道的总误差为：用方根和综合方式，这两部分的总误差为：3.2 湿度采集通道的误差计算 同样将湿度传感器的各种误差进行综合，按绝对值的方式综合可得湿度传感通道的总误差为：用方根综合方式，其总误差为：3.3 A/D转换器的误差估算将TLC2543的各个误差按绝对值和的方式进行误差综合，则A/D转换通道的总误差为：用方根综合方式，其误差为：转化为温度为：绝对值 方差 转化为湿度为：绝对值 方差 3.4系统的误差估算温度：绝对值 方差 湿度：绝对值 方差 根据以上的误差估算可知，该数据采集系统温度和湿度都能够满足系统总的性能指标的要求。 4 总结 (1) 以温室大棚的温湿度为对象，根据所要求的误差范围对数据采集系统各部分进行了误差分配，依据大棚的温湿度范围及误差要求讨论了该系统设计中各个元件的选型问题。(2) 该系统选用了大信号线形电压输出湿度传感器HIH3610，省去了复杂的放大电路部分，简化了系统设计，同时减少了误差来源。(3) 从数据采集，信号调理，模数转换各个环节分析了误差的来源并进行了简单的误差估算，估算结果表明各个器件的选择能够满足系统总指标的要求。参考文献1尚振东，张勇. 智能仪器工程设计M. 西安：西安电子科技大学出版社，2008.2李敏，曾明，孟臣. 温室大棚单片机数据采集系统设计J. 黑龙江八一农垦大学学报,2003,15(1)：41-51.3高迟. 基于单片机的智能温室大棚控制系统J. 机电产品开发与创新,2005,18(6)： 131-132.4何希才，任力颖，杨静. 实用传感器接口电路实例M. 北京：中国电力出版社，2007.5/zhaoyanglongye/ShowArticle.asp?ArticleID=145876/%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8%E8%B5%84% E6%96%99/%E6%B8%A9%E5%BA%A6/%E9%9B%86%E6%88%90%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E7%