【正文】 境多種參數(shù)監(jiān)測和單片機(jī)控制理論相結(jié)合，提出一種切實可行的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以全面、實時、自動地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動記錄、存儲和處理，并將有關(guān)信息根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用最有效方式送入計算機(jī)進(jìn)行處理，并可對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在開發(fā)溫室農(nóng)業(yè)專家控制系統(tǒng)時，對農(nóng)業(yè)知識的表達(dá)及推理策略等要認(rèn)真考慮。 溫室控制存在的問題首先是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)自身的問題，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的技術(shù)還不十分成熟。計算機(jī)自動控制的溫室控制技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率得到提高。自動控制。這是在溫室技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，其時并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。我國溫室設(shè)施計算機(jī)應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没⒕C合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展。像園藝強(qiáng)國荷蘭，以先進(jìn)的鮮花生產(chǎn)技術(shù)著稱于世，其玻璃溫室全部由計算機(jī)操作。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。這種設(shè)計方案實現(xiàn)了溫度實時測量、顯示和控制。這樣，在單總線上傳輸?shù)谋闶菙?shù)字信號。數(shù)字化單總線技術(shù)[4]是利用DALLAS公司生產(chǎn)的新型器件實現(xiàn)的。但是，目前應(yīng)用于溫室大棚的溫度檢測系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、A心轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的傳輸系統(tǒng)[2]。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化和各個測控領(lǐng)域中必不可少且廣泛應(yīng)用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮越來越大的作用。今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機(jī)的小電腦在為我們服務(wù)。如果過高，就對大棚進(jìn)行降溫處理；如果過低，就對大棚進(jìn)行升溫處理。而且，溫室大棚能克服環(huán)境對生物生長的限制，能使不同的農(nóng)作物在不適合生長的季節(jié)產(chǎn)出，使季節(jié)對農(nóng)作物的生長影響不大，部分或完全擺脫了農(nóng)作物對自然條件的依賴。我國人多地少，人均占有耕地面積更少。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫度有著密切的聯(lián)系。因此，要改變這種局面，只靠增加耕地面積是不可能實現(xiàn)的，因此我們要另辟蹊徑，想辦法來提高單位畝產(chǎn)量。由于溫室大棚能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，所以溫室大棚技術(shù)越來越普及，并且已成為農(nóng)民增收的主要手段。這些操作都是在人工情況下進(jìn)行的，耗費了大量的人力物力。單片機(jī)在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨占鰲頭。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題是一個工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。這種溫度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測溫電纜，才能把現(xiàn)場傳感器的信號送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。它將系統(tǒng)的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根導(dǎo)線，允許在這根導(dǎo)線上掛接數(shù)百個控制對象，形成多點單總線測控系統(tǒng)。本文介紹的溫度測控系統(tǒng)就是基于單總線技術(shù)及其器件組建的。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的測量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡單方便，性價比高，可維護(hù)性好。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。英國倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀測50km以外溫室內(nèi)的光、溫、濕、氣和水等環(huán)境狀況，并進(jìn)行遙控。在技術(shù)上，以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達(dá)國家相比，存在較大差距。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對溫室作物進(jìn)行管理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，他們是溫室環(huán)境控制的核心。利用計算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制理論對溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子如溫度、光照、濕度、C02濃度和施肥等，進(jìn)行自動控制和調(diào)節(jié)成為溫室控制的主要方式。智能化控制。各種專家系統(tǒng)在收集、整理農(nóng)業(yè)專家知識時并沒有把專家是如何學(xué)習(xí)和獲得這些知識的過程整理出來，這樣開發(fā)的專家系統(tǒng)并不具有真正的學(xué)習(xí)能力。同時，將更多的農(nóng)業(yè)知識用于溫室生產(chǎn)的實時控制中，不僅僅局限于對環(huán)境因子的專家指導(dǎo)。滿足了對作物生長狀態(tài)實行全面、實時、長期監(jiān)測的要求?！衾谜Z音芯片，超限報警，實現(xiàn)了人性化管理。◆通信系統(tǒng)具有較高的可靠性、較好的實時性和較強(qiáng)的抗干擾能力。要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：測溫范圍：20℃—100℃測溫精度：℃測溫范圍：0—100%RH測溫精度：%RH 單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計的原則要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價比高等特點。因此在設(shè)計時，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。因此，在設(shè)計時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。 硬件結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)以單片機(jī)Atme189S51為核心，數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、報警以及上傳至計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理都要通過單片機(jī)。為防止模擬傳感器數(shù)據(jù)采集的失真，采用了線形插值算法。系統(tǒng)硬件電路由溫度傳感器、單片機(jī)、RS—485串口通信和計算機(jī)組成。傳感器和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路都被集成在一起，每個DS18B20都具有唯一的64位序列號。單片機(jī)主要是對溫度傳感器DS18B20進(jìn)行編程，讀取溫度傳感器的溫度值，并把溫度值通過串口通信送入計算機(jī)。因此，RS232方式的通訊，一般應(yīng)用于速度低于20kb/s，距離20m以內(nèi)的條件下，不適合于高速、遠(yuǎn)距離通訊。計算機(jī)主要是進(jìn)行編程，對溫度進(jìn)行顯示、報警和控制等。PC機(jī)作上位機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控管理，控制器選用Max705組成上電復(fù)位和看門狗電路。該溫度測控系統(tǒng)的工作原理就是進(jìn)行計算機(jī)編程和單片機(jī)編程，使智能溫度傳感器DS18B20正常工作，去檢測大棚內(nèi)實際的溫度，并由數(shù)字顯示電路顯示出當(dāng)時的溫度值。溫室控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用開關(guān)量控制，本系統(tǒng)選用了可尋址的單總線控制開關(guān)DS2405，由它送出1位。適用于單總線協(xié)議。控制信號輸出端PIO引腳吸收能力大于4mA/。三種封裝形式：TO—92三腳塑封；SOT—223四腳平面封裝和C—Lead六腳表面安裝封裝。單總線芯片入口示意圖如圖3—4所示。模擬集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)和可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM5AD22105和MAX6509。它是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 DS18B20的介紹DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS18B20之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。同時其“一線總線”獨特而且經(jīng)濟(jì)的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。(3)可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍：+—+。(5)通過編程可實現(xiàn)9—12位的數(shù)字讀數(shù)方式。當(dāng)電源電壓的極性反接時，能保護(hù)DS18B20不會因發(fā)熱而燒毀。(11)內(nèi)含64位激光修正的只讀存儲ROM，扣除8位產(chǎn)品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)之后，產(chǎn)品序號占48位。一種是將DS18B20的UDD接外部電源，GND接地，其I/0與單片機(jī)的I/0線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 DSI8B20的UDD、GND接地，其I/0接單片機(jī)I/0。例如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，必須經(jīng)歷三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。2)集成度高、體積小、可靠性高。它具有如下的一些特性：★指令和89C51產(chǎn)品兼容 ★內(nèi)含2K字節(jié)可重復(fù)編程快閃存儲器★耐久性1,000寫/擦除周期 ★~6V的工作電壓范圍★全靜態(tài)操作0Hz~24MHz ★二級程序存儲器加鎖★內(nèi)含128*8位內(nèi)部RAM ★15根可編程I/0引線★2個16位的計數(shù)器/定時器 ★6個中斷源★帶有可編程串行通訊口 ★可直接驅(qū)動LED輸出★片內(nèi)模擬電壓比較器 ★低功耗空載和掉電方式另外,該單片機(jī)還具有體積小,價格低等特點。圖3—7為AT89C2051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 Pt100溫度傳感器溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護(hù)起來較為困難等缺點。本系統(tǒng)采用的是恒流四線制接法對Pt100鉑電阻進(jìn)行采樣。本系統(tǒng)采用精密基準(zhǔn)電壓源LM399H產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，圖中參考電壓VREF即來自LM399H。本系統(tǒng)中基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的電壓不僅提供給鉑電阻采樣電路而且還提供給A/D轉(zhuǎn)換電路使用。A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有：(1)分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。溫度控制中A/D轉(zhuǎn)換是非常重要的一個環(huán)節(jié)。它包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑△調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。AD7705引腳如圖3—10所示。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平?？煽毓璧目刂颇Ｊ接袃煞N：相位控制和零位控制(分配式零位控制、時間比例零位控制)。(2)零位控制：在設(shè)定的周期TC內(nèi)，觸發(fā)信號使主回路接通幾個周波(幾個完整的正弦波