【正文】 37 致謝 經(jīng)過(guò)將近 3 個(gè)月的努力和研究，我終于按時(shí)完成了本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 。 另外，本設(shè)計(jì)的控制方案采用的模糊控制方法，設(shè)備間通訊采用的串口通信，這些理論都是比較成熟和完善的。 +5v161335181215M C1 452 8C 2 u F142amp。而升溫采 用可控硅調(diào)功方式?？刂埔?guī)則如表 42。故本系統(tǒng)采用了模糊控制策略 ,也適應(yīng)棚主的工作經(jīng)驗(yàn) ,且可以節(jié)省能源。 傳感器電路負(fù)責(zé)完成對(duì) 大棚內(nèi)的瞬時(shí)溫度、空氣濕度及土壤濕度 測(cè)試，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的各參數(shù)與設(shè)定值的偏差以及偏差變化率 對(duì)電爐、噴泵及滴泵進(jìn)行控制 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)的溫濕度的調(diào)節(jié)，如果三項(xiàng)參數(shù)中有一項(xiàng)參數(shù)偏離給定值太多 ,系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警并反復(fù)檢測(cè)參數(shù)， PC機(jī)則通過(guò) LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí) 顯示。在串口使用結(jié)束后 , 使用 VISA 28 圖 36 串口讀程序前面板 One bunch of mouths is read the procedure front board 圖 37 串口讀框圖程序 One bunch of mouths is read the block diagram procedure Close 結(jié)束與 VISA Resource Name 指定的串口之間的會(huì)話。 當(dāng)關(guān)閉采集系統(tǒng)時(shí) ,關(guān)閉串口 ,釋放 LabVIEW 占用的資源。需要注意的是發(fā)送命令的控制按鈕要設(shè)計(jì)為一個(gè)脈沖的形式 ,否則 ,程序會(huì)循環(huán)發(fā)送命令 ,不能返回等待定時(shí)上傳狀態(tài)。如果不進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)將按照默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)置。比如 : 數(shù)據(jù)傳送的格式 , 波特率 , 校驗(yàn) 格式等等。在 MCS 51 單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)全雙工的異步串口 , 它的輸入輸出為 TTL 邏輯電平 , 為了解決這一矛盾 ,PC 機(jī)與 MCS 51 單片機(jī)行通信必須進(jìn)行 TTL RS232 電平的轉(zhuǎn)換。當(dāng)程序運(yùn)行的時(shí)候，需要查詢以前的數(shù)據(jù)，按下 此按鈕，便可以出現(xiàn)以前的數(shù)據(jù)，以便查詢。 大棚內(nèi)溫度測(cè)控系統(tǒng)的部分框圖程序如圖 210 所示。 3）溫度顯示 在本系統(tǒng)中，能夠顯示當(dāng)前溫度值和溫度報(bào)警等功能。 在此設(shè)計(jì)中，用到了 While 循環(huán)，下面介紹一下 While 循環(huán)。 e） 歷史記錄長(zhǎng)度 該選項(xiàng)用于設(shè)置緩沖區(qū) 的大小，默認(rèn) 值為 1024 的浮點(diǎn)數(shù)。如果有多條波形，則每條波形都可以有一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)字指示器。這個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按照先進(jìn)先出的規(guī)則管理，它決定了該控件的最大顯示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。這兩類控件都是用來(lái)對(duì)波形或圖形進(jìn)行顯示的，它們的區(qū)別在于兩者數(shù)據(jù)組織 方式及波形的刷新方式不同。 當(dāng)控制條件為字符串型時(shí)，選擇結(jié)構(gòu)的選擇器標(biāo)簽的值為由雙引號(hào)括起來(lái)的字符串，選擇框架的個(gè)數(shù)也是根據(jù)實(shí)際需要確定的。通過(guò)設(shè)置，能改變按鈕的屬性。過(guò)濾事件用來(lái)控制用戶界面的操作。 圖 22 登陸面板 Land the panel 如圖所示，如果輸入正確的用戶名和密碼，將進(jìn)入虛擬儀器溫室大棚溫度測(cè)控系統(tǒng)；如果輸入的用戶名和密碼錯(cuò)誤，將無(wú)法登陸虛擬儀器溫室大棚溫度測(cè)控系統(tǒng)。由于被測(cè)對(duì)象是各種各樣的，有電 或非電的物理量、化學(xué)量、生物量等，由于這些被測(cè)對(duì)象千差萬(wàn)別，因此，在采集 前通常要進(jìn)行非電量到電量的變換（各式傳感器）、幅度（放大、衰減）、頻率（混頻、檢波、濾波）、阻抗（高阻、低阻、匹配）、隔離、激勵(lì)（交直流源、恒壓恒流源）等各種調(diào)理，使其到采集板時(shí)為歸一化的模擬電信號(hào)，最后再由采集板進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 虛擬儀器的功能和基本工作原理 1） 虛擬儀器的功能： a）信號(hào)調(diào)理和采集功能； b）數(shù)據(jù)分析和處理功能； c） 參數(shù)設(shè)置和結(jié)果表達(dá)。虛擬儀器技術(shù)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和軟件工程方法，代表了測(cè)量?jī)x器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向。 *p_temperature=t_c。 float rh= phumidity。 *(p_value+1)=s_read_byte(ACK)。 case HUMI: error+= write_byte(measre_humi)。當(dāng)工作電壓高于 4. 5V 時(shí) ,SCK 頻率最高為 10 MHz , 而當(dāng)工作電壓低于 4. 5 V時(shí) ,SCK 最高頻率則為 1 MHz 。控制器必須通過(guò)使 DATA 為低來(lái)確認(rèn)每一個(gè)字節(jié) ,所有的量均從右算 ,MSB 列于第一位。 由于 該二線串行通信協(xié)議和 2IC協(xié)議是不兼容的， 在程序開(kāi)始 ,微處理 6 表 11 SHT11 控制命令代碼 Command code of control 命令代碼 含義 00011 測(cè)量溫度 測(cè)量濕度 00101 00111 讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器 00110 寫內(nèi)部狀態(tài)寄存器 11110 復(fù)位命令 ,使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值 ,下一次命令前至少等待 11ms 器需要用一組 “ 啟動(dòng)傳輸 ” 時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng) ,如圖 13 所示 [8]。在測(cè)量過(guò)程中 ,校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)自傳感器的信號(hào)。 腳 2 和腳 3 —— 二線串行數(shù)字接口 ,其中 DATA 為數(shù)據(jù)線 , SCK 為時(shí)鐘線 。若在控制范圍之內(nèi)，則對(duì) 單 片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ 電爐 ， 噴泵， 3 滴泵 ）等對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 使系統(tǒng)保持正常工作狀態(tài)， 整個(gè)過(guò)程為閉環(huán)控制，類似給定控制系統(tǒng) [4]。而 LabVIEW主要是用戶和機(jī)器的交界面，對(duì)特定 任務(wù)發(fā)出特定信號(hào)輸出， 完成數(shù)據(jù) 保存和處理等 功能 。虛擬儀器 是指在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，用戶根據(jù)自己的需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)充分結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，“軟件就是儀器”反映了虛擬儀器技術(shù)的本 質(zhì)特征。 溫室大棚就是建立一個(gè)模擬適合生物生長(zhǎng)的氣候條件，創(chuàng)造一個(gè)人工氣象環(huán)境，來(lái)消除溫度對(duì)生物生長(zhǎng)的限制。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫 度計(jì)， 通過(guò)讀取溫度值來(lái)知道大棚內(nèi)的實(shí)際溫度，然后根據(jù)現(xiàn)有溫度與預(yù) 定溫度進(jìn)行比較，如果溫度過(guò)高，就對(duì)大棚進(jìn)行降溫處理，如果溫度過(guò)低，就對(duì)大棚進(jìn)行升溫。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價(jià) 比、可操作性等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 。單片機(jī)（下位機(jī)）與 LabVIEW(即 PC 機(jī)或上位機(jī) )之間的聯(lián)絡(luò)采用串口通訊來(lái)完成，串口通訊的優(yōu)點(diǎn)是傳輸線少，傳輸距離遠(yuǎn)，適合計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離通信。 該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度比較高，控制過(guò)程簡(jiǎn)單， 經(jīng)濟(jì)可靠 ， 操作靈活，并 可用于控制多個(gè)大棚 等。 腳 5～ 8 —— 空管腳 。此外 ,SHT11 內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件 ,加熱元件接通后可以將 SHT11 的溫度升高 5℃左右 ,同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。 圖 13 數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)時(shí)序 The time order of transmission beginning 當(dāng) SCK 時(shí)鐘為高電平時(shí) ,DATA 翻轉(zhuǎn)為低電平 ； 緊接著 SCK 變?yōu)榈碗娖?,隨后又變?yōu)楦唠娖?； 在 SCK 時(shí)鐘為高電平時(shí) ,DATA 再次翻轉(zhuǎn)為高電平。通訊在確認(rèn) CRC 數(shù)據(jù)位后停止。硬件連接如圖 15 所示 。 break。 *p_checksum=s_read_byte(noACK)。 float t= ptemperature。 *p_humidity=rh_ture。 LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱 NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。 2) 虛擬儀器的基本工作原理 ： 虛擬儀器完成上述三大功能的原理框圖如圖 21 所示 [11]。此外，信號(hào)接口部分通常還含 D/A 變換，定時(shí) /記數(shù)、數(shù)字 I/O 等功能模塊。如過(guò)輸入用戶名和密碼后，不想進(jìn)入本系統(tǒng)，點(diǎn)取消鍵將退出本系統(tǒng)。當(dāng)沒(méi) 15 圖 23 登陸框圖程序 — 確定的框圖 程序 Land the block diagram procedure Procedure of block diagram confirmed 圖 24 登陸框圖的取消程序框圖 Land the cancellation procedure block diagram of the block diagram 有任何事件發(fā)生時(shí)，事件結(jié)構(gòu)就會(huì)處于休眠狀態(tài)，直到有一個(gè)或多個(gè)預(yù)先設(shè)定的事件發(fā)生時(shí)，事件結(jié)構(gòu)才會(huì)自動(dòng)蘇醒，并根據(jù)發(fā)生的事件執(zhí)行用戶預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作?？驁D為選擇結(jié)構(gòu)的一種，其輸入為“ Ture”和“ False”兩種，當(dāng)輸入為 Ture 時(shí)，為真，顯示 Ture 框 架里的內(nèi)容，當(dāng)為“ False”時(shí)，顯示 False內(nèi)的內(nèi)容。 但是，在使用選擇結(jié)構(gòu)時(shí)候，控制條件的 數(shù)據(jù)類型必須與選擇器標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)類型一致。對(duì)于事后記錄圖來(lái)說(shuō)，它的基本數(shù)據(jù)類型為數(shù)組，也就是其顯示是將構(gòu)成數(shù)組的全部測(cè)量數(shù)據(jù)一次顯示完成的；而實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖則是實(shí)時(shí)顯示一個(gè) 或幾個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，而且新接受數(shù)據(jù)點(diǎn)要接在原有波形的后面連續(xù)顯示。在默認(rèn)情況下，這個(gè)緩沖的大小為 1KB，即最大的數(shù)據(jù)顯示長(zhǎng)度為 1024 個(gè)。 b）滾動(dòng)條 實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖控件有一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。緩沖區(qū)越大，保留的歷史數(shù)據(jù)越多。 當(dāng)循環(huán)次數(shù)不能預(yù)先確定時(shí)，就用到 While 循環(huán)。當(dāng)前溫度顯示由溫度計(jì)和數(shù)字輸出組成，能夠顯示出當(dāng)前大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度值，能夠從溫度計(jì)和數(shù)字輸出（實(shí)時(shí)溫度值）讀出數(shù)據(jù)。 5）傳感器狀態(tài)信息 傳感器狀態(tài)信息是反映出大棚內(nèi)各個(gè)傳感器的狀態(tài)，如傳感器出現(xiàn)故障，歷史傳感器的數(shù)據(jù)等，通過(guò)此面板，可以看出大棚內(nèi)傳感器是否正常工作。 e) 數(shù)據(jù)打印 有些時(shí)候，保存下來(lái)的數(shù)據(jù)需要打印出來(lái)，此按鈕這是完成這個(gè)功能。電平轉(zhuǎn)換可用芯片 MC14488 和 MC14489( 配對(duì)使用 ) 、 ICL23MAX232等來(lái)完成。本文的主要通信協(xié)議如下 : 采用 RS 232異步通信方式 , 數(shù)據(jù)傳送的格式采用 11bit, 1bit 起始比特 , 9bit 數(shù)據(jù)比特 , 1bit 停止比特 , 波特率為 9600bit/s[16]。在串口初始化設(shè)置中，波特率選擇有多種，其中默認(rèn)值為 9600，在串口號(hào)選擇中默認(rèn)值為 COM1數(shù)據(jù)位參數(shù)默認(rèn)值為 8位，停止位參數(shù)為 1bit，奇偶校驗(yàn)?zāi)J(rèn)值為無(wú)校驗(yàn)。 前面板程序和框圖程序 如圖 34，圖 35。 5) PropertyNode： 返回指定串行口輸人緩沖區(qū)中字節(jié)數(shù)。通過(guò)對(duì) VISA 節(jié)點(diǎn)的調(diào)用 ,可以方便、快速地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控 [18]。 自診斷、自恢復(fù)及報(bào)警電路用于檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行是否正常 ,如果出現(xiàn)異常 ,例如 “ 死循環(huán) ” 或 “ 亂飛 ” 則報(bào)警并使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位 [19]。本系統(tǒng)在控制各參數(shù)時(shí) ,都是通過(guò)調(diào)整三個(gè)同樣的爐、泵來(lái)達(dá)到目的的。 根據(jù)控制規(guī)則及隸屬度函數(shù) ,最終推導(dǎo)出的大棚內(nèi)溫度模糊控制查詢表如表 43。 34 其中，可控硅總是在正弦波電壓過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)導(dǎo)通 ,電路如圖 41 所示。C 1 +5v610P1 .4P3 .5P3 .4411L M3 11+~2 20V23+5v10K10K14M OC 302 1~2 20VT XD 108 0P加熱絲180 10K C 3 u F....R1R2R3R4R7R5 R6R810K 圖 41 可控硅調(diào)功式升溫電路 The warming circuit based on controlled silicon 35 5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 作為工程設(shè)計(jì)，我在開(kāi)始著手設(shè)計(jì)時(shí)，就充 分考慮到了設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì) 可行性 和 技術(shù) 可靠性等因素。設(shè)計(jì)完成后我又進(jìn)行了仔細(xì)的分析和糾正，并做了部分仿真實(shí)驗(yàn)。 這里 我要特別感謝我的指導(dǎo)老師閻馨老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo) ， 在我撰寫論文的過(guò)程中，閻老師傾注了大量的心血和汗水，無(wú)論是在論文的選題、構(gòu)思 和 資料的收集方面 ， 還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了閻老師悉心細(xì)致的教誨和無(wú)私的幫助，特別是她廣博的學(xué)識(shí)、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示深深的謝意。 最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文 進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見(jiàn)的各位老師表示衷心的感謝。 總的來(lái)說(shuō)，本設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)濟(jì)可行性和技術(shù)可靠性等要求是 比較 符合的。 SHT11 是一種比較新穎的傳感器。在給定周期 T 內(nèi)，控制器只要改變可控硅的接通時(shí)間，便可改變加熱絲功率。這樣 ,本系統(tǒng)為了簡(jiǎn)化編程 ,易于控制 ,使三組開(kāi)關(guān)量輸出通道采用了