蔬菜大棚自动控制系统的设计与实现

蔬菜大棚自动控制系统的设计与实现

0蔬菜从交流至控制系统的转型蔬菜摊位使用密封结构装置，将特定空间与外部环境隔离开来，形成一个半封闭系统。在充分利用自然环境条件的基础上,用人工控制环境因子(如温度、湿度、光照和以及土壤的水分、养分和盐分等)方法来获得作物最佳生长条件,从而达到高产、高效、优质和低耗的目的。这不仅有利于合理开发利用国土、淡水和气候等资源,而且能不断提高劳动、技术和资金有机结合集约经营的程度,从而获得最大的社会效益、经济效益以及生态效益。因此,笔者介绍一种高性能、可编程的以PIC16F873单片机为主构成的蔬菜大棚自动控制系统,能够显示时间、温度、气体湿度、土壤湿度、光照度,可以设置温度、湿度、光照度和土壤湿度的上下限,结合水泵、喷淋装置、开窗装置与遮阳网控制装置来实现蔬菜大棚的测量、控制以及管理的自动化和科学化。该系统还可以查询前24h的温度、气体湿度、土壤湿度和光照度的参数值。1实时时钟电路与传感器的设计本系统的硬件结构框图如图1所示,由传感器、调节放大电路、实时时钟电路、单片机、显示系统和控制系统组成。其中,实时时钟电路的任务是送给单片机时间信息,传感器的任务是把与作物相关的参量(如温度、空气湿度、土壤湿度和光照度)转换为电压,传送给单片机;单片机完成对环境信息的采集、储存以及相关的信息加工整理后,再把相关的信息送给显示与控制模块,从而完成对作物相关信息的采集、处理、显示和自动控制功能。系统的电路原理图如2所示。1.1体温度传感器和土壤湿度传感器的使用传感器负责对蔬菜大棚内环境因子的采集,调节放大器将气体温度传感器和土壤湿度传感器采集的信号转换为0~5V的电压信号,送入单片机供单片机使用,气体湿度传感器和光照传感器直接将采集到的信号送入单片机供单片机使用。1.1.1d-功率输出检测蔬菜大棚的湿度如果能控制在一定范围内,则可以大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。本系统的湿度传感器选北京赛亿凌科技有限公司的集成湿度传感器HS1500LF。HS1500LF是专门适用于需要精确可靠检测湿度的OEM用户。其特点是有很小的且易于安装的接头,可以实现机械自动安装,非常节省成本。由于它是线性的电压输出检测模块,因此能直接与微控制器连接。它具有体积小、浸水无影响、可靠性高、飘逸小、温度依赖性极低、对化学品的抵抗性高、响应时间短以及对光不敏感等特点。在5VDC供电时,0~100%RH的典型输出电压为1~4VDC。其相对湿度—输出电压特性关系表达式为在此直接将HM1500模拟线性输出电压提供给单片机,让单片机根据HM1500相对湿度—输出电压特性关系表达式计算出相对湿度,省去了调节放大电路,同时也增加了整个电路的稳定性和可靠性。1.1.2误差调整方法温度传感器的选择余地较大,可选用集成温度传感器、铂电阻传感器及数字式传感器。本系统采用集成温度传感器AD590。AD590温度传感器输出电流与温度成线性关系,为1μA/K。它以热力学温标零点作为零输出点,在25℃时的输出电流为29812μA。它将温度转换为相应的电流输出后,需要有电流电压转换电路。一般为提高测量准确度,还需要进行误差修正调整。而采用硬件电路进行误差调整的方法是用外部电阻器来实现的,最常用的方法有单点温度调整和双点温度调整。单点温度调整实质是端点平移的方法,是最简单的方法。这种方法仅在一点上调整,使得传感器在整个测量范围上仍有些误差。因此,在本系统中笔者采用双点温度调整。图2中(1)~(19)均为74LS164,其驱动LED数码管的电路形式是一样的,具体电路如图3所示。双点温度调整实质为旋转和平移拟合法。与单点温度调整相比,它可以进一步提高AD590温度传感器的测温精确度。图2中,放大器采用了OP-07单片精密运算放大器,它具有低噪声、低漂移和高增益的特点,是一种通用性强的运算放大器,电容C2在这里起滤波作用。通过R1给AD590传感器提供稳定的电压,所测温度由AD590温度传感器检测,给电压放大器提供电压信号,以供放大。这里,电位器W1起到调零点的作用,W2起到调增益的作用。通过调整W1和W2,使0℃时输出电压定为0V,温度每升高1℃输出电压上升50mV,100℃时所对应的输出电压即为100℃×50mV/℃=5V,从而保证了使传感器的输出电压范围满足PIC16F877内部的ADC输入信号要求。由于使用10位的ADC,因此其分辨率是5mV,精确度为0.1℃,测温范围为0°~100℃。1.1.3土壤温度测量及测量为了在温室大棚中做到既不影响作物生长又不浪费水资源,本系统采用JY2-PTS-1型土壤湿度传感器。它具有体积小、质量轻、测量速度快、操作简便及测量时不破坏土壤结构的特点,能进行远距离测量,并可直接与标准仪表相连。其技术性能如下:--工作条件要满足环境和土壤的温度为0°~40℃,环境相对湿度为≤95%;--测量范围为田间持水量~凋萎湿度;--使用寿命为一次埋设正常使用≥2年;--信号输出为DC0~6V。调节放大器采用了OP-07单片精密运算放大器,电容C3在这里起滤波的作用,电位器W3起到调零点的作用,W4起到调增益的作用。1.1.4变送器光照度检测本系统的光照度传感器采用北京易盛泰和科技有限公司的YS-CG型光照度传感器。该传感器采用先进的电路模块技术开发变送器,用于实现对环境光照度的测量,输出标准的电压及电流信号,具有体积小、安装方便、线性度好、传输距离长和抗干扰能力强的特点,精度达±2%,可广泛用于环境、温室、养殖、建筑和楼宇等的光照度测量,其量程、供电电压和输出信号可选。在此,选择量程为0~2000lux,供电电压为12VDC,输出信号为0~5VDC。1.2自动调整时和时段接待数据本系统的实时时钟电路采用DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302。它附加31B静态RAM,可通过简单的串行总线与单片机进行通讯。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年,每月小于31天时可自动调整,包括闰年,有效期至2100年。可采用12h或24h方式计时,双电源(主电源和备用电源)供电,设置备用电源充电方式。另外,在读写时钟或RAM数据时,可采用单字节或多字节(串模式)方式传送数据。它可在低功率情况下工作,在小于1mW时也可以保持数据和时钟信息。本系统配备了一块3.6V的镍镉电池,使用了DS1302涓流充电功能,在主电源停电的情况下DS1302照常运行,不会丢失所存数据和时钟信息。1.3数码管显示功能本系统使用单片机的串行外围接口SPI将要显示的时间、空气温度、空气湿度、土壤湿度和光照度等信息串行发送给串入并出芯片74LS164,74LS164将串行数据转换为并行数据,驱动LED数码管,从而实现显示功能。图2中,(1)和(2)与相应的数码管显示月;(3)和(4)与相应的数码管显示日;(5)和(6)与相应的数码管显示小时;(7)和(8)与相应的数码管显示分钟;(9)和(10)和(11)与相应的数码管显示温度;(12)至(15)与相应的数码管显示光照度;(16)和(17)与相应的数码管显示空气湿度;(18)和(19)与相应的数码管显示土壤湿度。在这里利用译码器74LS138作为数据分配器,对时钟信号起到分配作用,在显示某一参量时就把时钟信号送给相应的74LS164,其它的74LS164得不到时钟信号就所存原来的数据。1.4电气开关系统由单片机送出的控制信号送给三极管Q1~Q5,Q1~Q5驱动相应的继电器,分别控制室内喷淋、室外喷淋、遮阳网的开关及通风开关装置。本系统中,三级管使用9014,继电器使用额定电压为5V的。J1接室内喷淋装置交流接触器,J2接室外喷淋装置交流接触器,J3接遮阳网装置交流接触器,J4接开窗通风装置交流接触器,J5接水泵交流接触器。1.5pic187简介单片机采用美国MicrochipTechnology公司推出的PIC16F877中档系列单片机。该单片机内含有A/D,PWM,EEPROM等丰富的接口模块和FLASH程序存储器。由于采用在线串行编程和低压编程技术,其内部自带电荷泵升压电路,因而实现读写操作时不需外加高电压;PIC16F877具有IAP功能,可实现在应用中编程;PIC16F877还可以方便地在线多次编程调试,特别适用于在产品的开发阶段使用,具有实用、低价、周期短、指令集小、低功耗、高速度、功能强和简单易学等特点。与其它单片机(如8031芯片)相比,PIC16F877具有如下几个其它芯片无法比拟的特点:内--部带有8个A/D变换通道,仅此一点在需要进行A/D变换时就省去了附加的A/D转换外围芯片;--片内有256B的EEPROM,能够对时间、温度、气体湿度、土壤湿度和光照度的上下限值以及前24h的时间、温度、气体湿度、土壤湿度和光照度的值进行储存,省去了附加的EEPROM外围芯片。2软件设计它的主要功能模块有采集模块、实时时钟模块、显示模块和控制模块。2.1实时时钟电路温度传感器将采集的信号经调解放大后送入单片机的ANO通道,空气湿度传感器和光照度传感器将采集到的信号直接送入单片机的AN1与AN2通道,土壤湿度传感器将采集到的信号经调节放大后送入单片机的AN3通道,实时时钟电路DS1302与单片机的通信使用单片机的通用同步/异步收发器USART模块(本系统采用同步收发)。由于单片机采集数据、转换数据很快,1min内可以采集成千上万条数据,而棚内环境因子变化没有这么快,在实际应用中没有必要对这些数据都进行处理,所以要对采集的周期加以控制。本系统每10min采集一次温度、湿度、土壤湿度和光照,传感器将数据送给单片机,单片机经过处理后将这些数据送显,并进行相应的控制。同样,由于棚内环境因子的变化较慢,笔者将温度、湿度、土壤湿度和光照度的参量每小时储存一次,在单片机的EEPROM中储存前24h的参量,供查询使用,时间只显示月、日、时、分。2.2湿度、光照和灌溉控制控制模块分温度控制、湿度控制、光照控制和土壤湿度控制。当温室内的温度高于设定的温度上限时,通过开窗装置开窗通风和喷淋装置在屋顶上喷淋,达到温室降温的目的。当温室内的温度低于设定的温度下限时,通过关窗来实现保温目的。湿度的控制同样是通过开关窗和温室内喷淋来实现。光照控制是通过遮阳网来实现。当太阳的光照强度高于设定的光照值时,关遮阳网;低于设定的值时,开遮阳网。灌溉控制是当土壤湿度传感器的值低于设定的值时,打开水泵装置进行灌溉。主程序及判断控制子程序流程图如图4所示。2.3土壤湿度设定键盘服务子程序的设计思路是设置一个设定标志寄存器、一个查阅标志寄存器、一个上下限标志寄存器和一个参量时间寄存器,4个标志寄存器的初始值都为0。按设定键进入时间初值、温度、空气湿度、土壤湿度和光照度的上下限值的设定。设定标志寄存器的初值为0,进入设定后默认的设定参量为时间,时间显示闪烁。每按一次前翻键,设定标志寄存器的值加1;每按一次后翻键,设定标志寄存器的值减1。该寄存器的值在0~4之间循环。该寄存器的值0对应时间设定,1对应温度设定,2对应空气湿度设定,3对应土壤湿度设定,4对应光照度设定。该寄存器的值改变时,对应的参量显示就闪烁。上下限标志寄存器的初值为0,按一次上下限键,该寄存器的值变为1,再按一次就变为0。上下限标志寄存器的0对应参量的下限,1对应参量的上限,进入设定后默认的值为0,即为下限设定。查阅标志寄存器的初值为0,进入查阅后按前翻,该寄存器的值加1,按后翻改寄存器的值减1。寄存器的值在0~3之间循环,寄存器的值为0对应查阅温度,1对应查阅空气湿度,2对应查阅土壤湿度,3对应查阅光照度。该寄存器的值改变时,对应的参量显示就闪烁。参量时间寄存器的初值为0,每按一次前翻键,设参量时间寄存器的值加1;每按一次后翻键,寄存器的值减1。该寄存器的值在0~23之间循环,其值对应前24h的参量。设定完成参量后,按确认键后,所有设定的参量存入单片机内的EEPROM,设定标志寄存器、查阅标志寄存器、上下限标志寄存器的值变为0,返回主程序。设定标志寄存器、查阅标志寄存器和上下限标志寄存器和参量时间寄存器等4个标志寄存器,配合实现时间初值、温度、气体湿度、土壤湿度和光照度的设定,可以设置温度、湿度和光照度的设定、土壤湿度上下限的设定和前24h的参量查阅。例如:想设定空气湿度的上限,可按设定键—前翻键2次(空气湿度显示闪烁)--按上下限键—输入数值—按确认键,返回主程序;如果想查阅前2h的土壤湿度参量,按查阅键—前翻键3次(土壤湿度显示闪烁)—确认键—前翻键2次,就可以显示前2h的时间及土壤湿度参量,看完后再按一次确认键,返回主程序。3安装和调试3.1调节放大器的输出将温度传感器AD590放入冰水混合物中,调节W1,使其调节放大器的输出为0;再将AD590放入沸水中,调节W2,使其调节放大器的输出为5V。3.2分子筛中调节w3的作用将土壤湿度传感器放入烘干的或新买的干燥剂(如分子筛)中,调节W3,使其调节放大器的输出为0;再将土壤湿度传感器浸入水中,调节W4,使其调节放大器的输出为5V。3.3湿度测定方法为了减少土壤结构变化的影响,安装传感器时应尽可能少破坏土壤结构。具体步