基于单片机的智能温室控制系统的设计26752

1、基于单片机的智能温室控制系统的设计1 引言设施农业是世界现代农业发展的主要方向之一 , 我国农业正处于从传统也向 高产、优质、高效为目的的现代化农业转化新阶段 , 设施农业是我国今后比较长 的时间内农业发展的一个主要方向。 现代大型温室中 , 室内的温度、 湿度、CO2 浓 度、营养液养分状况等所有环境因子的监测、传感、调节 , 都由计算机进行综合 管理, 实行自动控制。国内现有的大多数温室系统是从国外引进的 , 这些系统一是价格昂贵 , 二 是存在水土不服的问题。 国内在温室的自动控制与智能化方面进行了许多有价值 的研究, 但研制的温室环境调控与生产管理设施未完善配套 , 较多温室环境监测

2、与控制系统硬件与软件依赖国外进口。因此 , 开发出符合中国国情的自动化温室 系统, 才是解决问题的关键。托普物联网研究目标是开发一款基于单片机的温室控制系统 , 能独立对各个 温室模块进行控制。同时也可以和上位机进行通信 , 接受上位机指令对各个模块 进行控制 , 并把采集的数据传给上位机。2 系统组成及工作原理本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成 , 硬件部分主要完成各种传感器 信号的采集、转换、各种信息的显示等 ; 软件主要完成信号的处理及控制功能等。图 1 智能温室系统结构图系统原理结构框图如图 1所示, 它是一个小型的分布式数据采集与控制系统 , 是由单片机为核心的下位机和 PC机构

3、成的上位机组成的控制系统 其中下位机又 由相应的传感器 （如温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器等 ） 、 模拟量输入输出通道、 开关量输出通道所等部分组成。 下位机既可以独立完成各 种信息的采集、预处理及存储任务 , 又可接受从上位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。上位机将下位机送来的数据 , 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 ,同时也 向下

4、位机传递控制。3 硬件构成3.1 系统控制器控制器是系统的核心 ,主要用于现场实地检测及控制 , 完成数据处理。每个控 制器都有自己的显示、键盘系统 , 可以独立于上位机来控制和调整系统的运行状 态。显示系统提供系统设备运行参数 ,系统设备状态等菜单 , 可以通过操作键盘来 调整参数 , 这样使系统可以脱离 PC机运行。由温室内各传感器采集到的数据通过 总线传输到上位机 ,利用其丰富的指令进行数据处理 , 再通过 RS232RS485转换 器传输给下位机和执行机构动作 , 完成各项控制功能。3.2 测量模块测量模块实现了对温室的环境温度、 湿度、光照和二氧化碳的测量。 测量模 块通过传感器把各

5、种环境因子非电量转换为电量 , 通过信号整理电路把电信号线 性化、放大滤波为 0V的标准信号 ,传输至核心控制模块 ,然后通过 A/D 转换器对信 号进行模数转换 , 将数字量送入单片机。3.2.1 传感器信号检测电路系统通过各种传感器对温室内的温度、湿度、 CO2含量及养分的 PH值进行实 时数据采集 , 并将测量结果通过接口送至上位机中 ,上位机根据控制要求对整个 温室进行综合控制。为了增强下位机采集子系统的抗干扰性、简化信号接口, 系统优先选用数字输出信号传感器 , CO2 浓度、EC 值、PH 值等模拟信号传感器均 选用标准 4 0mA输出, 模拟信号经多路模拟开关选择后送模数转换器转

6、换 , 转换后 的数据以并行方式送单片机处理。本系统中温度测量采用温度传感器 PT100.1实现,该传感器测量精度高、 线性 度好,测量范围-40-450 ,测量精度为士 0.1 。湿度测量采用湿度传感 HS15W-DL-L实现,测量范围 0-100%RH。测量精度为士 3%R。H光照测量采用光电池 实现,测量范围0-100光照单位,测量精度为士 3光照单位。二氧化碳测量采用二氧 化碳传感器 GS-160 实现, 该传感器测量精度高、线性度好 , 测量范围 0-l00PPM, 测量精度为士 3PPM。3.2.2 A/D 转换由于单片机只能处理数字信号 , 所以由传感器采集的温室内光照、温度、湿

7、 度、PH、EC 等模拟量,需要经过 A/D 转换,才可输入单片机。 A/D 转换电路种类 很多,在选择 A/D 转换器时,主要考虑以下技术指标 :转换时间和转换频率、 量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。对于本控制器 , 选择的 A/D转换芯 片为TLC1543。连接图如图 2 所示,在本设计中 TLC1543 主要用来采集温室内的温度、湿度、热水的进出口温度、以及天窗、侧窗开启的角度。图2 TLC1543的连接3.3 通信模块由于系统要求控制器不仅能够独立工作 , 而且能够与上位机进行必要的数据 传输, 所以需要进行通信接口电路设计。当 PC机与下位单片机距离介于 20m 到 2Km

8、之间时,不能直接采用 RS-232, 可采用RS-485。在本控制系统中 ,采用RS-485 总线来实现上位机与下位机之间的通信。 485总线构成的分布式控制系统框架如 图3所示。图 3 分布式控制系统框图一般PC 机只有RS-232 接口,若实现RS-485 标准接口通信必需采用 RS-232/485 转换器。本系统使用的 MAX1480B是 一种完全电气隔离 RS232/RS485 数据通信接口 ,在一个标准的 DIP封装中有完整的接口 ,包括收器、光耦合器和变 压器, 逻辑侧的单电源 +5V给接口两侧供电。信号与电源在内部跨过隔离层进行传 送,电源通过中心抽头的变压器从隔离层的逻辑侧 （

9、非隔离侧）变换至隔离侧 ,信 号由高速的光耦合器从隔离的一侧传至另一侧。4 软件设计在进行单片机软件程序设计时 , 使用C语言编写和调试。设计过程中从以下几 个方面进行考虑（1）合理利用单片机资源 ,包括 RAM、定时器计数器以及外扩 资源（ 2）实行结构化、模块化 , 各功能均由子模块实现（ 3）键盘输入与显示部 分的设计本着方便用户的原则 , 在完成某特定功能时尽可能使操作简单化。整体上软件程序主要完成信号采集运算、 实时监控、 显示、通信、参数设定、 声光报警等功能 , 包括主循环程序模块、信号采集和处理模块、实时控制块、采 样模块、串行通信程序模块、键盘输入和显示输出模块、声光报警模块

10、等。4.1 主循环程序模块单片机系统启动后 , 首先系统初始化 , 然后进入主循环程序。 在主循环程序中 , 系统不断对一些端口或标志位进行检测或判断 , 然后根据设定的规则进行控制。 在执行主循环程序的过程中 , 当出现中断 , 程序转入到中断处理子程序 , 执行完中 断处理,则程序返回主循环程序 ; 当检测某标志量的状态发生变化时 , 程序跳入到 相应子程序 , 子程序执行完后 , 程序返回主程序继续往下执行。 主循环程序模块包 括各变量初始化子程序、看门狗复位子程序和显示子程序等。4.2 采样模块进行采样时 ,根据选择开关选择传感器的类型 ,对每个传感器采样十次 , 平滑 滤波后将实际的采样值最终作为显示和驱动用。4.3 串行通信程序模块 分布式控制网络系统的核心部分就是数据通信 , 它的成功与否往往制约着系统的成功与失败。本通信程序设计采用主从方式