温室环境自动控制系统的设计

温室环境自动控制系统的设计

0系统的主要功能为了实时检测和显示温室内的二氧化碳浓度，并为作物提供良好的生长环境，作者设计了自动监测co2浓度的系统。系统主要具有如下功能:测量并记录当前的环境因子;采用4位LED显示数码管,实时显示当前测量值;当采集到的当前值高于上限值或低于下限值时,能够实现超限声光报警;当测量值低于或高于适宜值时,输出相应的开关量控制信号;与计算机串口通信,提供人机对话界面,可以在计算机上显示当前的采集值,并可随时修改数据,设置高、低阈值。1pc机、上位机系统有两项任务:一是要实现对室内环境因子的实时采集;二是要实现实时控制。该系统采用“上位机+下位机”控制系统结构,如图1所示。PC机(上位机)用作系统监控中心和用户操作平台,单片机控制器(下位机)负责采集环境参数及输出信号对设备进行控制。单片机通过RS232通信协议与上位PC机进行串口通信,系统既可以由单片机系统独立完成温室环境信息的采集、处理和显示,也可以由PC机完成监控工作。系统的硬件部分主要由单片机控制模块、CO2浓度检测模块、控制输出模块、串口通信模块4个部分组成。1.1显示电路的设计该模块用来接收CO2浓度检测模块发出的数据,并根据要求,命令控制模块执行动作。单片机中心控制模块采用了8051系列CPU外围芯片,包括程序存储器(E2PROM)、数据存储器(RAM)、输入输出口(I/O)、LED显示电路的扩展,报警电路,复位电路等。其中,程序存储器是用来存储系统所有的程序代码;数据存储器是用来存储系统运行时要调用的数据及系统实时检测到的数据;LED显示电路配置了4个发光二极管,用来动态显示数据,显示方式为xxxx,显示范围为0～3000㎎/㎏。系统采用声光报警电路,当环境因子(CO2浓度)超出设置的上限或下限参数时,响铃亮灯,以提醒工作人员注意;系统还采用两只发光二极管分别代表超上限和超下限,并用1只蜂鸣器来产生声音报警。1.2d.2传感器该模块由传感器和A/D转换器电路构成,负责实时采集现场数据,并将数据送给单片机进行处理。其中,CO2浓度传感器选用AM-4。AM-4是一种固体电可测型气体传感器,可测CO2浓度范围为0～3000㎎/㎏,其工作电压为DC5.0V±0.2,输出0～3V的电压信号,且输出量与CO2浓度值呈线性关系为1mV/1(㎎·㎏-1),测量误差为±5%,基本符合温室大棚内的测量要求。传感器的任务是获取当前浓度值,但获取的是模拟信号,此模拟信号必须经由前向通道转换成数字信号(通过由模数转换芯片ADC0809来实现)。转换器0809内部含有的8选1多路选择开关分别对信号进行模数转换,数字量送给单片机进行数据处理和判断分析,并对偏差及其变化率按模糊控制理论进行分析运算后再输出。1.3酶活剂用量对温室蔬菜生长的影响控制电路是外部控制设备的自动开关,本设计采用二氧化碳发生器。CO2是植物光合作用的主要碳源,适宜的二氧化碳浓度可以增加植物的光合作用,从而达到增产的目的。一般认为,不同植物在生长期对CO2浓度的要求不同,同一植物的不同生长期对CO2浓度的要求也不同。因此,及时、准确地了解温室内的CO2浓度是保证温室蔬菜高质、快速生长的前提条件。该模块根据事先设定的室内CO2浓度适宜值范围,输出不同的浓度值。当检测的实际浓度超出设置的适宜值范围时,自动打开或者关闭控制设备,从而调节相应的环境因子。实现该模块的电路如图2所示。1.4电平转换电路本系统实现了单片机与微机之间的串口通信。采集的数据可以上传给计算机保存,也可以通过计算机来设置适宜的浓度值范围;当前采集的实时数据既可以用单片机系统的LED显示,又可以在计算机的人机界面上显示出来。由于8051单片机输入、输出电平为TTL电平,而IBM-PC系列机配置的是RS-232C标准串行接口,而二者的电气规范不一致,因此要完成PC机与单片机的数据通信,必须进行电平转换。IBM-PC机与8051单片机通讯时经RSC-22C接口的电平转换原理图如图3所示。2系统软件设计系统软件包括单片机和PC机两个部分。其中,单片机程序利用C51编制,PC机程序利用C++编制。考虑到系统的功能,系统软件包括以下模块:一是浓度采样;二是数字滤波;三是物理量标度转换;四是BCD码转换;五是浓度扫描显示;六是模糊控制算法;七是超限报警和处理;八是串口通讯等等。通常,符合上述功能的控制程序由主程序和T0中断服务程序组成。程序流程如图4所示。3通讯口及报警为了方便书面说明,笔者以人机界面为入口,来说明系统的工作过程。图2中的窗口是人机对话的全部内容,包括通讯参数栏、当前状态栏、告警范围栏。其中,通讯口的选择、波特率的选择、低报警值及高报警值的设置均为输入部分;当前采样值、通讯状态、系统板上的报警声和发光二极管为输出部分。图5中实例表示,当前设置的适宜浓度值为800～2500mg/kg,而采集的实时浓度值显示392mg/kg,表明当前实际二氧化碳浓度是正常的。4向智能化温室控制接口温室内CO2浓度自动监控系统能测量、