基于单片机的温室智能测控系统的设计1

!74!!!!!!!!传感器与微系统（"#$%&’()*#$%’+,)#-&.&/*0"*)1%-2-3,*&）!!!!!!!!!4556年第47卷第7期基于单片机的温室智能测控系统的设计徐志如8，4，崔继仁4（!9东北林业大学机电学院，黑龙江哈尔滨!"###!；$9佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯!"%##&）摘!要：在传统的温室自动化监测系统的基础上，针对目前温室面积不断增大，温室内传感器种类及数量不断增多等情况，采用新型传感器设计出基于单片机的温室环境智能测控系统。该系统实现对温室环境参数数据的显示、存储、查询、统计、控制等。通过控制不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，实现了温室的智能化管理。具有操作简便、自动化程度高和良好的人机交互功能，提高了产品质量和生产效率。实验结果表明：系统运行稳定、可靠。关键词：单片机；探测器；控制程序中图分类号：":484!!!文献标识码：;!!!文章编号：8555<=>?>（4556）57<5574<5@’()*+,-.+/((,0-1)(*,2(33*+(,24(5)1/*,+5,67-,2/-33*,+)8)2(495)(6-,)*,+3(:70*;4*7/-7-4;12(/ABC1,D#(

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，EBFG,D#*%4（!<=-33(+(-.>(705,*7)5,6?3(72/*7*28，@-/20(5)2A-/()2/8B,*C(/)*28，D5/9*,!"###!，=0*,5；$<’(;5/24(,2-.E,.-/452*-,5,6?3(72/-,*7F(70,-3-+8，G*541)*B,*C(/)*28，G*541)*!"%##&，=0*,5）H9)2/572：F%/1*)$&*-H/1$//1*I,%’$%’%(0J*#-H/#$%&’()*#&$#*,%)#*$&,%3$2-%3K,/1/1*$#*$-H/1*3#**%D1-(&*,%)#*&$&,%3，J$&*’-%/1*/#$’,/,-%$23#**%D1-(&*$(/-0$/,)0-%,/-#,%3&.&/*0&，$,%/*22,3*%/0*$&(#,%3$%’)-%/#-22,%3&.&/*0(&,%3&,%32*D)1,L0,)#-)-0L(/*#,&’*&,3%*’9M-0*H(%/,-%&$#*#*$2,N*’&()1$&’,&L2$.，&/-#$3*，O(*#.，&/$/,&/,)$%’)-%/#-29"1*3#**%D1-(&*,&0$%$3*’,%/*22,3*%/2.J.)-%/-22,%3-L/,0(0*%P,#-0*%/L$#$0/*#/1$/’,HH*#*%/D/,0*)#-L,&%**’*’9"1,&&.&/*01$&1,31$(/-0$/,)’*3#**，3--’H(%)/,-%&-H1(0$%D)-0L(/*#,%/*#$)/,-%，&-/1*L#-’()/,-%*HH,),*%).,&,0L#-P*’9"1**QL*#,0*%/$2#*&(2/&1-K&/1$//1,&&.&/*0#(%&K*22，$%’1$&J*//*#P$2(*-HL#$)/,)$2,/.$%’L-L(2$#,N$/,-%9I(8J-/6)：&,%32*D)1,L0,)#-)-0L(/*#；’*/*)/-#；)-%/#-2L#-3#$0#K引K言在传统的温室自动化监测系统的基础上，设计出基于RM<S?7总线方式下的温室环境智能监测系统［8］。实现从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业的转化，该系统实现温室中各环境因子的检测与调控。系统温度量程为<45T?5U，测量精度为V597U；湿度量程为5WT855WRX，测量精度为V7WRX；EY4量程为（5T@755Z85<6）；测量精度为V7Z85<6；光照量程为（5T85）Z85S2Q，测量精度为85W。!K系统设计898!下位机系统设计89898!下位机组成下位机主要实现对温室环境参数的现场采集、显示、控制及与上位机进行数据传递。如图8所示，环境探测器由收稿日期：4557方数据

图!K下位机系统结构框图A*+!KL2/1721/(6*5+/54-.3-752*-,4570*,()8)2(4环境温、湿度探测器、土壤湿度探测器及EY4和光照探测器组成，各探测器将传感器的非电量转化成随环境参数改变的电量，进而传送给微处理器进行处理。微处理器实现对各探测器输出的循环采集，并根据其与环境参量的对应关系转换成相应的环境温度、土壤湿度及EY4浓度值，并通过通信接口将数据向上位机传送。同时，通过通信接口，万<84<4S万<84<4S第!期"""""""""""""徐志如等：基于单片机的温室智能测控系统的设计""""""""""""""!3下位机接收上位机的控制指令，实现相应的操作。下位机采集的环境参数监测值与用户通过键盘设定的报警阈值进行比较，并通过报警器实现超限报警，实现相应的控制［#］。$%$%#"传感器的选择与应用本系统采用美国&’((’)公司的单总线数字式温度传感器&)$*+#,实现温室内温度信号的采集。温度测量范围为-!!.$#!/，可编程为0.$#位’1&转换精度，测温分辨力可达,%,2#!/，被测温度用符号扩展的$2位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个&)$*+#,可以并联到3根或#根线上，456只需$根端口线就能与诸多&)$*+#,通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。综合比较各种可用于温室土壤水分测量的传感器的性能，决定选用测量精度高、响应快的硅湿敏电阻传感器，其电阻率随水分呈线性变化，在#!/时的响应小于!7，为了能真实地反映整个温室的情况，该设计采用#个土壤水分传感器，一个放置在中央水量较多的地方；另一个放在边缘附近。这样，其他地方的土壤水分就介于这两者之间。测得的数据采用加权平均的方法进行处理，来获得最后的土壤水分值。其权重，根据获得水量多少的面积来确定。按照灌溉系统的设计要求，其喷灌系统覆盖面积必须在*,8以上，因此，取水量多的传感器的权重为,%*，水量少的传感器的权重为,%#。对于具体的温室，可根据实际情况合理选取。本系统的49#探测器的探头采用的是费加罗公司的:;)<$2,。:;)<$2,由49#传感元件和内部热敏元件组成。49#敏感元件是由存在于两极间的固态电解质形成的阳离子（=>的阳离子）和敷在底层的加热丝（5?）构成的。美国微型半导体公司推出了一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器(@$0A,，其性能特点：内含5B=型光电二极管、高增益放大器和#个互补式电流输出端，该光电二极管阵列的光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似，因而，能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，并将接收到的可见光转换成电流信号，进而对温室的照度进行控制。$%#"上位机系统设计整个系统软件采用高级语言C+2%,进行开发［3］，操作平台是DEFGHI7@5。C+语言简单灵活，可以方便实现系统要求的功能。系统软件实现的功能主要有两部分：（$）按照对温室内作物选定的生长环境曲线，并根据当时的光照、温度、湿度等实际情况，对温室内的温度、湿度进行在线最优控制，求得在保持作物生长的条件下，使系统的能耗、水耗达到最少；#）主界面上实时显示室内温度、湿度万方数据和各执行机构的状态；3）当室内温度或湿度超过界限时，

系统报警。可以设置报警上下限和工程量上下限，当设备更改时，可方便地更改量程范围［<］。!"系统软件设计本控制软件由下位机采集控制、上位机与下位机通信等主要程序和单项采集、键盘、显示、中断等子程序组成。主程序负责初始化、测量及其子程序的调用，各子程序负责数据的采集、控制计算、控制输出，状态显示等功能。下位机主程序框图如图#所示。图!"下位机主程序框图#$%!"&’()*+,+-%+’..*/0-123$’%+’.-40-1’)$-5.’16$5*7"系统的调试与运行本系统主要是对温室现场温度、湿度进行检测，土壤湿度传感器需要在系统运行之前设定土壤湿度上限和土壤湿度下限，还要测量出探针间土壤电阻值与其含水量的关系。3%$"土壤电阻随其含水率增大而减小规律的验证在室外取土壤若干，对其进行烘干，在其质量随时无明显变化时，将$%!(土壤装入一个直径$$JK的塑料瓶内，并使其密实，然后，探头插入土中，测量其电阻，记录数据，探头不取出，向瓶内加入$!,K(的水，待水不再下渗时，测其电阻记录数据，反复加几次水，至土壤饱和时的电阻值约为#!L!。3%#"温室内49#体积分数的控制49#是绿色植物进行光合作用的主要原料之一，植物每生成$,,M干物质，需要吸收$!,M。由于温室内环境相（（（（!#(!!!!!!!!!!!!!!!!!!传感器与微系统!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第"#卷对密闭，气体交换受限，日出后，随着蔬菜光合作用的增强，室内$%"的体积分数急剧降低，即使光照、温度、水肥等条

表!"系统运行数据表#$%!"#&’($)$)$%*’+,-.-)’/0122324件均好，但因$%"缺乏，也不能制造出更多的光合产物，致使蔬菜生长、开花、坐果处于饥饿状态。若能给温室内增施

"00#年读数时间

空气温度（3）

空气湿度土壤湿度（)45）（)45）

灌水通风一定量的$%"气体，可大大改善$%"供给，强化蔬菜的光合作用，促进其生长发育，提高产量和品质。当系统中的传感器检测到所处温室空气环境中的$%"体积分数不符合设定标准时，控制装置便起动吹风机和打开$%"发生器的输气电磁阀，通过输送管道及支管上的喷孔，把含有高体积分数$%"气体，以一定流速喷射到温室空气中。由于吹风机就设置在温室内，吸入的是温室内的空气，它和支管上喷口处大气压力相同，如略去温室温度场

,月,0日/：&0,月,0日,0：&0,月,0日,"：&0,月,0日,(：&0,月,0日,-：&0,月,0日,/：&0,月,,日/：&0,月,,日,0：&0

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否否是是否否否是的梯度影响，当含有较高$%"体积分数的气体从喷口喷出时，呈气体自由淹没等温射流特性，在射流卷吸的作用下，射流边界临近的静止空气会随之运动，形成流量更大的射流。从而使$%"气体在具有一定气流速度运动的空气状态中进一步和温室空气混合达到均匀分布。在$%"发生

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否是否否

否否是否器高效产气率和系统功能的保证下，对封闭的温室环境实现了空气环境的调控［#］。&’&!温室内光照度的控制光照是影响作物生长的重要环境因素之一，光照不足，影响作物的光合作用，导致作物生长受抑，从而严重影响作物的生长。人工补光是根据作物对光照的需求，采用人工光源改善温室的光照条件，调节对作物的光照。采用荧光灯作为人工补光的光源，荧光灯的灯管内壁覆盖了一层荧光物质，由紫外线激发荧光物质而发光。其光谱能量分布：红、橙光占(()*(#)，绿、黄光占&+)，蓝、紫光占,-)。生理辐射量所占比例较大，能被植物吸收的光能约占辐射光能的.#)*/0)，是较适于植物补充光照的人工补光光源。为了均匀补光，在植物行间上方0’#1处架设灯组，当光照度低于下限时接通电源开关，进行人工补光，该功能只在作物的结果期等特殊时期使用。考虑经济效益，一般一天人工补光不超过,-2。系统在温室现场运行时，需根据该温室所种作物设定相应的土壤湿度上下限，空气温度上下限，空气湿度上下限。本系统是在种植番茄的温室内运行，系统运行时，番茄处于结果期，设定空气温度上限为"/3，下限为,-3；设定空气湿度上限为/#)45，下限为#0)45；设定土壤湿度上限为/#)45，土壤湿度下限为-0)45。本系统在温室内对番茄结果期的现场参数采集，如万方数

!!经过,个种植期后，整个系统的设备工作正常，达到了良好的控制效果。5"结束语采用先进的传感器技术开发了一种经济型的日光温室智能测控系统，该系统是一种集监、控、管于一体的大棚温室智能化监控设施。集中控制室可以设在距离监测点671的范围内，可以通过程序的智能管理与选择，实现对装置的集中智能控制，实现对温室环境的智能调节和预报警，从而实现对作物生长环境的智能化控制和温室作物的科学管理，实现资源的优化配置，以达到作物稳产、高产、高效益的现代农业要求。参考文献：［,］!张金波，胡!钢，张学武，等’自动化控制系统在节水灌溉中的应用［8］’微计算机信息，"00&，,+（,）：+9,0’［"］!纪建伟’微型计算机温室环境监控系统的研究［8］’沈阳农业大学学报，"00,，&"（"）：#(9#-’［&］张瑞华’温室环境自动监控［8］计算机与农业，"00"，"）：/9,0’［(］!徐立鸿，任雪玲’工控系统在设施农业中的应用［8］’基础自动化，"00,，/（&）：(,9(&’［#］!王双喜，高昌珍，杨存栋等’温室$%"气体浓度环境自动调控系统的研究［8］’农业工程学报，"00"，,/（&）：/(9/-’作者简介：徐志如（,+."9），男，吉林榆树人，硕士研究生，研究方向为机电一体化。表,所示（每天读数据-次）。!’（表,所示（每天读数据-次）。!’（基于单片机的温室智能测控系统的设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

徐志如，崔继仁，XUZhi-ru，CUIJi-ren徐志如,XUZhi-ru(东北林业大学,机电学院,黑龙江,哈尔滨,150001;佳木斯大学,信息电子技术学院,黑龙江,佳木斯,154007)，崔继仁,CUIJi-ren(佳木斯大学,信息电子技术学院,黑龙江,佳木斯,154007)传感器与微系统TRANSDUCERANDMICROSYSTEMTECHNOLOGIES2006，25(5)2次参考文献(5条)1.张金波.胡钢.张学武.李致金.柯小干自动化控制系统在节水灌溉中的应用[期刊论文]-微计算机信息(测控仪表自动化)2003(1)2.纪建伟微型计算机温室环境监控系统的研究[期刊论文]-沈阳农业大学学报2001(1)3.张瑞华温室环境自动监控[期刊论文]-计算机与农业2002(2)4.徐立鸿.任雪玲工控系统在设施农业中的应用[期刊论文]-基础自动化2001(3)5.王双喜.高昌珍.杨存栋.刘淑珍温室CO2气体浓度环境自动调控系统的研究[期刊论文]-农业工程学报2002(3)相似文献(10条)1.期刊论文李玮.赵书俊.张伟征.张大伟.LIWei.ZHAOShujun.ZHANGWeizheng.ZHANGDawei单片机P87LPC767在智能化γ相机探测器系统中的应用-现代电子技术2005,28(22)主要介绍了单片机P87LPC767在所设计的智能化γ相机探测器系统中的应用.其中包括为保证系统的可靠工作,在系统工作过程中运用单片机对探头的工作温度、光电倍增管供电高压及工作电源电压的测量;以及在系统校正过程中通过单片机对主放大电路增益和能窗阈值的控制.并在文中分别给出了这两部分的应用原理图及单片机程序流程图.利用单片机对γ相机探测器系统的检测和校正大大提高了系统的可控性和可维护性.2.期刊论文张永立.沈天健.ZHANGYong-li.SHENTian-jian基于PIC16F676单片机的点型光电感烟探测器设计-国外电子元器件2005(4)介绍了点型光电感烟探测器的工作原理,阐述了PIC16F676单片机的特殊功能,同时给出了该功能在探测器设计中的应用方法,最后给出了基于PIC16f676单片机设计的探测器的硬件构成和软件程序.3.期刊论文范丽珍.李树华.FANLi-zhen.LIShu-hua基于单片机的智能型金属探测器的设计-内蒙古大学学报（自然科学版）2006,37(2)介绍了一种基于AT89S52单片机控制的智能型金属探测器的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能.该金属探测器以AT89S52单片机为核心,采用线性霍尔元件UGN3503作为传感器来感应金属涡流效应引起的通电线圈周围磁场的变化,并将磁场变化转化为电压的变化,单片机将测得电压值与试验测定的基准电压值相比较,以确定是否探测到金属.在软件设计中,采用了数字滤波技术消除干扰,提高了探测器的抗干扰能力,确保了系统的准确性.4.期刊论文杨国.李兴国.朱育飞.YANGGuo.LIXing-guo.ZHUYu-fei基于AVR单片机的毫米波主被动复合探测器测距电路设计-测控技术2007,26(1)针对毫米波主被动复合探测器的特点和应用背景,提出了一种基于AVR高速单片机的毫米波主被动复合探测器测距电路设计方法,并详细介绍了电路结构和工作流程图.室内测试和室外实验表明采用本方法设计的探测器测距电路采样速度快,测距精度高.5.期刊论文张宇.姜玲玲基于单片机的手持式金属探测器的研制与开发-警察技术2008(3)本文阐述了金属探测器的工作原理和手持式金属探测器的现状,介绍了一款基于单片机控制的新型手持金属探测器MD50的设计与实现.文中详细说明了系统的硬件组成和软件结构,突出其技术上的创新、工艺上的先进和对用户的广泛适用性.6.会议论文王晶.孙越强应用于空间环境探测器中单片机抗干扰技术探讨2006单片机系统在空间环境探测器中担负着非常重要的任务,由于单片机对干扰属于敏感器件,容易受到干扰影响,导致整个系统瘫痪,因此在系统设计上充分考虑抗干扰设计,提高系统的可靠性尤为重要.本文根据干扰产生的原因,从硬件和软件两方面归纳了空间环境探测器中单片机系统抗干扰措施.7.期刊论文孙纲灿.周常柱.苏贝.Sun.Gangcan.Zhou.Changzhu.Su.Bei用单片机实现瓦斯探测器-微计算机信息2005,21(23)设计了一种基于单片机控制的瓦斯探测器,具有简单实用可控性强等特点.从组成框图、硬件设计以及程序流程及代码等几方面对其进行了介绍.8.学位论文刘淑琴智能型金属探测器研究2005金属探测器在现代社会生活中的应用越来越广泛。从最初应用在探雷和探测地下金属开始发展到现在的食品、成衣制品、橡胶、木材加工等方面的质量安全检测，它的作用越来越凸现，与此同时功能上的提高和完善也受到广大客户的关注。本文提出了一种由数字信号处理器(DSP)、单片机、数字直接合成芯片(DDS)、滤波电路等构成的能够进行自学习的智能型金属探测器的实现方案。这种金属探测器广泛应用于食品、医药、纺织、服装、玩具等，能够检测并排除混入其中的金属颗粒，确保食品和人身安全。与当前用模拟线路实现的金属探测器相比，它的最大特点是采用数字信号处理器(DSP)和直接数字合成技术(DDS)产生一个频率、相位均可以通过数字调节的正弦波。该方案中采用了TI公司定点数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407完成信号采样、数据处理和判断及动作信号输出功能。根据铁和非铁金属的特性，提出了自学习方法的实现方案，大量实验证明该方案能达到自动辨识产品信号和金属杂质信号的效果。该探测器还采用了ATMEL公司的AT89C55单片机完成液晶显示和键盘修改参数的功能，变更后的参数存贮在EEPROM中，建立良好的人机对话界面。而两者之间