【正文】 速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進行檢測和控制。大棚內(nèi)的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數(shù)，直接關(guān)系 到蔬菜和水果的生長。 目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多 ， 人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。美國有發(fā)達的設施栽培技術(shù)，綜合環(huán)境控制技術(shù)水平非常高。 以園藝業(yè)著稱的荷蘭從 20世紀 80年代以來就開始全面開發(fā)溫室計算機自動控制系統(tǒng)，并不斷地開發(fā)模擬控制軟件。 此外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。 國內(nèi)狀況 我國農(nóng)業(yè)計算機的應用開始于 20世紀 70年 代， 80年代開始應用于溫室控制與管理領域。 20世紀 90年代末，河北職業(yè)技術(shù)師范學院的閆忠文研制了作物大棚溫濕度測量系統(tǒng)，能對大棚內(nèi)的溫濕度進行實時測量與控制。中國農(nóng)業(yè)大學設計研制的 “ 山東省濟寧大型育苗溫室計算機分布式控制系統(tǒng) ” ，實現(xiàn)了計算機分布式控制 [4]。根據(jù)需要，通過按鍵將溫度信息輸入 MCU，根據(jù)情況可隨時調(diào)節(jié)環(huán)境。 基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 5 第 2 章 溫室大棚自動控制系統(tǒng)的控制方案設計 目前 ,我國農(nóng)村使用的簡易日光溫室絕大部分采用手動控制 ,生產(chǎn)效率低下 ,單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本偏高。為此 ,針對簡易日光溫室對溫度、濕度以及光照度等環(huán)境因素的控制要求 ,設計和開發(fā)了基于 STC89C58RD +單片機的低成本溫室自動化控制系統(tǒng)。因此 ,本系統(tǒng)就是利用價格便宜的一般電子器件來設計一個參數(shù)精度高 ,控制操作方便 ,性價比高的應用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的溫室大棚測控系統(tǒng)。溫室獨立控制系統(tǒng)上還包擴各種人機界面和數(shù)據(jù)傳輸接口 ,實現(xiàn)了人機交換方式以及實時參數(shù)的設定。其基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 6 不需要依靠任何燒錄器 ,直接通過電腦上的串口以 ISP 方式進行燒錄。后者建立在前者的基礎上，前者適于我國農(nóng)村個 體經(jīng)營的現(xiàn)狀。優(yōu)點是內(nèi)置選通碼和數(shù)字信號傳輸，測溫范圍為 10℃ 50℃，基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 8 精度為 :≤ ℃，適用于遠距離傳輸。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。電壓輸出型的靈敏度一般為 10mV/K，溫度 0℃時輸出為 0，溫度 25℃時輸出 。 2. 濕度傳感器 本系統(tǒng)的濕度傳感器選用 Honeywell 公司的集成濕度傳感器 HIH3610，該傳感器內(nèi)部集成了信號處理功能電路，可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出的任務 。 在該設計中溫度的極限參數(shù)為： 5O℃≤ T≤ 7O℃； 濕度的極限參數(shù)為 l％≤ H≤ 99％； 溫度的顯示分度為 0． 1℃；濕度的顯示分度為 0． 5％； 基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 9 芯片特點： ●低成本，大批量 OEM 設計 ●精度 2%，激光修正互換性至 5% ●線性電壓輸出對應 %RH ●低功耗設計： 200μ A驅(qū)動電流 ●快速反應： 15秒 ●穩(wěn)定性好、低漂移、抗化學腐蝕性能 ● HIH3610 有許多性能指標，能性能指標見表 表 HIH3610 性能指標 RH精度（ 1） 177。 %RH 典型值 RH遲滯 177。 %RH/℃（可忽略） %RH/℃（一般小于 1%RH 典型，固定環(huán)境 ， 15℃以上） 濕度范圍 工作 儲存 0到 100%RH，非凝結(jié) (1) 0到 90%RH，非凝結(jié) 溫度范圍 工作 儲存 40～ +85℃ 51～ +125℃ 操作 對靜電干擾敏感，二級管最大保護至 15KV 注： 長時間處于 90%RH 時，將引起177。 5. CO2 傳感器 CO2 傳感器選用紅外線氣敏傳感器，此傳感器具有精度高，選擇性好，濃度檢測范圍大等特點，此傳感器將質(zhì)量分數(shù)范圍在 01000 106濃度的 CO2轉(zhuǎn)換為05ⅴ電壓輸出。 2. 系統(tǒng)控制器 該設計選用 20K字節(jié)內(nèi)存存儲器和內(nèi)部 256字節(jié) RAM 的單片機 AT89C55作為主控器。 土壤調(diào)濕主要通過澆水、加肥來實現(xiàn)，可自動完成或采用輔助報警，由人工完成。 單片機軟件設計 它的主要功能模塊有：采集模塊、控制模塊、通訊模塊。由于傳感器、 ADC0809 的采集、轉(zhuǎn)換速度快，一分鐘內(nèi)可以采集成千上萬條數(shù)據(jù)，溫室內(nèi)環(huán)境因子變化沒有這么快，在實際應用中，沒有必要對這些數(shù)據(jù)都進行處理，所以要對采集的周期加 以控制。 通過繼電器、行程開關(guān)、電機 、 控制開關(guān)窗、屋頂噴淋、遮陽網(wǎng)、滴灌 ， 達到實時控制的要求控制模塊實現(xiàn)對通風和噴灌裝置的控制，當接收到上位機的控制信號時，將相應的引腳置零即可開通通風和噴灌裝置。 實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信，便于用戶遠程管理，單片機將采集的數(shù)據(jù)和控制裝置當前的狀態(tài)信息通過 RS485 送到上位機 ， 實現(xiàn)信息的上傳。最后在主程序中 ,使用順序方式向微機發(fā)送數(shù)據(jù) ； 使用中斷方式接受微機發(fā)來的數(shù)據(jù)。 MOV SCON, 50H；串行口工作方式設置為方式 1,REN=1。 微機軟件設計 微機軟件設計也由動態(tài)顯示模塊、控制模塊 、 數(shù)據(jù)庫模塊、通信模塊四個部分組成，通過動態(tài)顯示模塊可以及時監(jiān)控各環(huán)境因子的變化，控制模塊可對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，如開關(guān)窗、噴淋等控制，數(shù)據(jù)庫模塊是為作物生長環(huán)境的設定而積累數(shù)據(jù)，通信模塊是實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信，上位機將控制信號通過RS485 送到單片機實現(xiàn)信息的下 傳。 基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 13 測試系統(tǒng)的組成及原理 本系統(tǒng)采用最簡捷的數(shù)字采集系統(tǒng)將其動態(tài)參數(shù)實時地測量并顯示 ,設計分為硬件部分和軟件部分 。 溫 度 傳 感 器 及 整 理 電 路濕 度 傳 感 器 及 整 理 電 路二 氧 化 碳 傳 感 器 及 整 理電 路A/D轉(zhuǎn)換器單片機顯 示按 鍵 圖 動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)方框圖 測試系統(tǒng)的設計 設計的關(guān)鍵是傳感器及其整理電路 。電路中的 ICL7650S芯片是斬波穩(wěn)零運算放大器。 圖 溫度傳感器 AD590 的檢測電路 （ 2）濕度測量電路 采用的 HS1100濕度傳感器是 Sensation公司基于獨特工藝設計的電容元件， HS1100 濕度傳感器的原理是由濕度傳感器的干濕介質(zhì)在外界的相對濕度變化時，吸 附 /脫附空氣中的水汽分子 ,使感濕介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化 ,引起濕度傳感器的電容值改變 ， 濕度傳感器實際上相當 于 1 個可變電容 ,其電容的變化值與空氣中的相對濕度成一一對應的正比線性關(guān)系 ,相對濕度越大 ,濕度傳感器的電容越大 ； 相對濕度越小 ,濕度傳感器的電容越小。 C2 是固定電容 ,為了獲得最佳的靈敏度放大系數(shù)取其電容值 為 180 pF,由此將相對濕度的基準點定為 55%,并且與濕度傳感器 HS1100 的電容 CT 構(gòu)成一開關(guān)電容分壓放大電路 ,CT 與 C2 的連接點電壓 UC 為運放的同相輸入電壓信號 ,U02 為運放輸出電壓信號 ,其輸入 /輸出特性 :當輸入電壓 UC減小時 ,輸出電壓 U02增大。 )V內(nèi)。 L 1 之間 ,在這個范圍內(nèi)可以滿足測試系統(tǒng)的實際需要 。在 P0 口的 8根數(shù)據(jù)線和段碼管的 8根數(shù)據(jù)線之間接一單向驅(qū)動芯片 74LS244,增加 P0 口的驅(qū)動能力 ,驅(qū)動芯片的輸出口又接了 8個 470Ω的電阻 RP ,可以作為限流電阻 ,以免段碼管的功耗太大而燒壞管子。 剛上電時 ,系統(tǒng)默認位循環(huán)顯示 3 個通道的參數(shù)值狀態(tài) .當進行一次測量時 ,將顯示每一通道的 A /D 轉(zhuǎn)換值 ,每個通道的數(shù)據(jù)顯示時間為 1 s 左右。 A /D 轉(zhuǎn)換測量子程序 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換測量子程序用來控制對 ADC0809三路模擬輸入電壓的 A/D轉(zhuǎn)換 ,并將對應的數(shù)值移入 70H,71H 和 72H 內(nèi)存單元。 基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 18 第 3 章 溫室大棚的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展 ,農(nóng)民增收緩慢的問題逐漸成為阻礙我國經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的一大隱患。上位機由 AT89S51 單片機作為控制器 ,外加 LCD1602 和若干按鍵構(gòu)成人機交互界面 ,同時設有報警裝置。下位機由 ATtiny2313 和溫濕度傳感器組成。它有 20 個引腳 ,其中有 18個是可編程的 I0口 ,具有豐富的擴展功能 ,并且內(nèi)部集成了 RC 振蕩器 ,無需外部晶振。 鍵 盤A T 8 9 S 5 1報 警 系 統(tǒng)R S 4 8 5 總 線L C D 顯 示 圖 上位機硬件框圖 系統(tǒng)工作原理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機采集現(xiàn)場溫度和濕度 ,經(jīng)過數(shù)字濾波處理后存儲在控基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 19 制器中 ,當上位機查詢下位機時 ,下位機通過 RS485 總線將溫 度值和濕度值傳輸至上位機。同時還具有報警功能 ,當系統(tǒng)檢測到溫濕度異常時能經(jīng)行聲光報警?？刂茮Q策模塊根據(jù)下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)判斷當前是否需要調(diào)溫或調(diào)濕。采集模塊主要完成溫度采集和濕度采集。硬件帶來的誤差包 括傳感器選型 ,采樣電路器件選型和電路設計等方面。 （ 3）選擇支持浮點運算的控制器。 可靠性設計 用于工業(yè)控制場合的系統(tǒng)對可靠性有較高的要求 ,只有具有較高可靠性的系基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 20 統(tǒng)才具有實用價值。 基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 21 第 4 章 溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng) 近年來，我國的設施農(nóng)業(yè)得到了較大的發(fā)展，溫室大棚作為新的農(nóng)作物種植技術(shù)，已突破了傳統(tǒng)農(nóng)作物種植受地域 、自然環(huán)境、氣候等諸多因素的限制 ，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)和伺服子系統(tǒng) 4 部分。 2. 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要完成對傳感器子系統(tǒng)傳送來的信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換和采樣。環(huán)境參數(shù)預設置一方面可將某一時間范圍內(nèi)，農(nóng)作物正常生長對溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度的要求進行設置。濕度調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過對溫室天窗、側(cè)窗啟閉部件以及噴霧器的控制以完成對濕度的調(diào)節(jié)。 信號檢測的連續(xù)化 系統(tǒng)對溫室內(nèi)多種環(huán)境參數(shù)信息的檢測是一個動態(tài)的連 續(xù)過程。 硬。 數(shù)據(jù)采集與處理的實時化 為了保證實時地檢測溫室內(nèi)環(huán)境的變化，數(shù)據(jù)采集與處理要滿足一定的時間限制，以便能實時做出評價，采取相應的控制措施，抵御自然災害的襲擊，預防意外事故發(fā)生。二氧化碳施放機構(gòu)完成對溫室內(nèi)二氧化碳施放。信號處理實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與本階段環(huán)境參數(shù)值進行比較分析，為控制提供決策依據(jù)，控制部分則由此發(fā)出各種相應基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長春大學 22 的控制信號。為了減輕后級處理工作量，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對采得的原始數(shù)據(jù)應進行一定程度的預處理。傳感器主要 包括檢測溫室大棚內(nèi)部溫度的溫度傳感器、檢測室內(nèi)空氣及土壤水分的濕度傳感器、檢測室內(nèi)光照度的光照傳感器、 檢測二氧化碳濃度的二氧化碳濃度傳感器。 目前我國的溫室大棚，多依靠人工經(jīng)驗進行管理，或以單片機控制的單參數(shù)單回路的較多，自動化程度不高，效率低下，就農(nóng)作物的生長環(huán)境而言，溫度、 濕度、 光照、二氧化碳是其最基本的要素，作為檢測控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對以上要素的數(shù)據(jù)采集與分析處理，并進行相應的控制，以使溫室大棚為農(nóng)作物的生長提供一個良好的環(huán)境。 硬件可靠性設計 單片機硬件系統(tǒng)的抗干擾能力與元器件質(zhì)量、裝配質(zhì)量等因素都有關(guān)系 ,但其中起決定作用的是設計過程 ,因此在設計中我們采取了以下抗干擾措施 :(1) 采用光電隔離 ； (2)采用過壓保護電路； (3)采用抗干擾穩(wěn)壓電源； (4)采用良好的接地系統(tǒng)。 （ 5）數(shù)值處理利用定點算法。 減小誤差的方法有以下幾