【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)對溫室環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，不同于開發(fā)單純的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，其中涉及與控制系統(tǒng)的“接口”問題。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。同時，將更多的農(nóng)業(yè)知識用于溫室生產(chǎn)的實(shí)時控制中，不僅僅局限于對環(huán)境因子的專家指導(dǎo)。 總之，隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù)、農(nóng)業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)、傳感器智能化技術(shù)、機(jī)械電子一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的發(fā)展，溫室技術(shù)體系己經(jīng)成為各個國家為合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品在國際市場競爭力的前沿性研究領(lǐng)域。 主要研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要做了如下幾方面的工作 :一是確定系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)方案 。二是進(jìn)行智能傳感器的硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。三是單 片機(jī)及通信接口的硬件電路及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。四是對連接單片機(jī)的上位管理計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、工作原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述。 本文將信息采集技術(shù)、信 息傳輸技術(shù)、信息存儲技術(shù)及信息處理技術(shù)等相互融合，將溫室環(huán)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(shí)可行的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以全面、實(shí)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(shí)際情況，采用最有效方式送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并可對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 制。滿足了對作物生長狀態(tài)實(shí)行全面、實(shí)時、長期監(jiān)測的要求。 與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn) : ? 傳感器設(shè)計(jì)成智能型，可以增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度，減輕監(jiān) 控計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。 ? 增加了輔助存儲功能，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)不工作的時候， 采用多 媒體存儲卡存儲采集數(shù)據(jù)。 ? 單片機(jī)的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的監(jiān)測速度，系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時 性都有很大提高 ? 對模擬設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，為防止失真，采用了數(shù)據(jù)插值算 法。 ? 利用語音芯片，超限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了人性化管理。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 方案的比較和論證 當(dāng)將單片機(jī)用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測信號是其核心任務(wù)；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的 監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 傳感器是實(shí)現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。 溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測量 。 鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按 IEC 標(biāo)準(zhǔn)測溫范圍 200～ 650℃，百度電阻比 W（ 100） = 時， R0 為 100Ω和 10Ω，其允許的測量誤差 A級為177。（ ℃+ |t|）， B級為177。（ ℃ + |t|）。 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中 用于 50～ 180℃測溫。 方案二：采用 DS1820，它的測溫范圍在 55℃～ +150℃之間，而且精度高。 M 檔在測溫范圍內(nèi)非線形誤差為177。 ℃。 DS1820 可以承受 44V正向電壓和 20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。 DS1820 的測量信號可遠(yuǎn)傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對 于溫度傳感器的選擇。 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式 、 電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù) 、 電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。 南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 方案一：采用 HOS201 濕敏傳感器。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～ 1KHZ，測量濕度范圍為 0～ 100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃，阻抗在 75%RH（ 25℃）時為 1MΩ 。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器 。 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品 ，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 相對濕度在 1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于 177。 2%RH；響應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ 。可見精度是較高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其 只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對溫度 30～ 50℃的要求，因此，我們選擇 方案二來作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。 信號采集通道的選擇 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中， 溫度 輸入信號為 8 路的模擬信號，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。 方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （ 1） 可以根據(jù)各輸入量測量的 要求選擇不同性能檔次的器件。總體成本可以作得較低。 （ 2） 硬件復(fù)雜，故障率高。 （ 3） 軟件簡單，各通道可以獨(dú)立編程。 方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （ 1） 對 ADC、 S/H 要求高。 （ 2） 處理速度慢。 （ 3） 硬件簡單，成本低。 （ 4） 軟件比較復(fù)雜。 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較 其框 圖，方案二更具備硬件 簡單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 信 號 調(diào)理 電 路信 號 調(diào)理 電 路信 號 調(diào)理 電 路采 樣 /保 持 器采 樣 /保 持 器采 樣 /保 持 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器接 口接 口接 口C P U 圖 21 多路并行模擬量輸入通道 信 號 調(diào)理 電 路信 號 調(diào)理 電 路信 號 調(diào)理 電 路采 樣 /保 持 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器接 口C P U多路切換器 圖 22 多路分時的模擬量輸入通道 南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 3 章 系統(tǒng) 總體 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 系統(tǒng)要完成的設(shè)計(jì)功能如下 : ? 實(shí)現(xiàn)對溫室溫濕度參數(shù)的實(shí)時采集，測量空間多點(diǎn)的溫度和濕度 :根據(jù)測量空間或設(shè)備的實(shí)際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關(guān)鍵溫、濕度敏感點(diǎn)進(jìn)行測量，由單片機(jī)對各路數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、存儲，實(shí)現(xiàn)溫濕度的智能、多空間點(diǎn)的測量。 ? 實(shí)現(xiàn)超限數(shù)據(jù)的及時報(bào)警。 ? 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備應(yīng)具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力并具有存儲、遠(yuǎn)程通信功能。 ? 通信系統(tǒng)具有較高的可靠性、較好的實(shí)時性和較強(qiáng)的抗干擾能力。與計(jì)算機(jī)通訊功能，采用 RS232 串行通訊方式最遠(yuǎn)傳輸距離為 20 米。 ? 長時間測量數(shù)據(jù)記錄功能 :可以根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)記錄時間間隔， 數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器。 ? 監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)管理軟件既要具有完成數(shù)據(jù)采集、處理的功能，其軟件編程應(yīng)具有功能強(qiáng)大、界面友好、便于操作和執(zhí)行速度快等特點(diǎn)。 要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo) ： 控制溫度為 28 度 測溫精度為正負(fù) 2 度 濕度為百分之五十 濕度的精度為正負(fù)三個百分點(diǎn) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jià)比高等特點(diǎn)。 可靠性 高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮 :使用可靠性高的元器 件 。設(shè)計(jì)電路板時布線和接地要合理 。對供電電源采用抗干擾措施 。.輸入輸出通道抗干 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 擾措施 。進(jìn)行軟硬件濾波 :系統(tǒng)自診斷功能等。 操作維護(hù)方便 在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)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。同時系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場故障診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。 性價(jià)比 單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢在于高性能價(jià)格比。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用， 性價(jià)比是其中一個關(guān)鍵因素。因此，在設(shè)計(jì)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。 系統(tǒng)組成與工作原理 以單片機(jī)為控制核心，采用溫濕度測量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能溫濕度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)，可分為溫度測量電路，濕度測量電路， A/D 轉(zhuǎn)換及濾波電路，數(shù)據(jù)存儲及顯示電路，語音報(bào)警電路，見圖 。選用的主要器件有 ： 溫度傳感器 DS1820，濕度傳感器 HS1101, AT89S52, A/D 轉(zhuǎn)換器TLC0834，數(shù)據(jù)存儲器 AT24C04, MMC 存儲卡， 6 數(shù)碼管顯示模塊，語音報(bào)警芯片ISD2560, MAX232，集成定時器 555 芯片等。 圖 硬件結(jié)構(gòu)圖 AT89S52 單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集 報(bào)警指示 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)顯示 數(shù)據(jù)存儲 南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 本系統(tǒng)以單片機(jī) Atme189S52 為核心，數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、報(bào)警以及上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理都要通過單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集通過單總線的智能溫度傳感器 DS 1820 和模擬的濕度傳感器 HS110I 完成 ； 當(dāng)采集數(shù)據(jù)超出預(yù)警值時，有語音報(bào)警芯片 ISD2560實(shí)時報(bào)警，然后進(jìn)行相應(yīng)處理 。數(shù)據(jù)存儲可以在計(jì)算機(jī)完成，在計(jì)算機(jī)不工作時還設(shè)置了輔助的多媒體卡 MMC 存儲 。由數(shù)碼管實(shí)時顯示接收的數(shù)值 :數(shù)據(jù)處理主要是上位機(jī)完成的數(shù)據(jù)曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印等功能。 在整個系統(tǒng)中采用了多種總線、協(xié)議技術(shù)，如智能溫度傳感器 DS 1820 的單總線技術(shù)，存儲擴(kuò)展的 I2C總線技術(shù)， MMC的模擬 SPI總線技術(shù)，單片機(jī)和計(jì)算機(jī)連接的 RS232協(xié)議技術(shù)等。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。在這個系統(tǒng)中單片機(jī)部分采用 C 語言 編程 。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 第 4 章 傳感器設(shè)計(jì) 傳感器基本特性 在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測和控制，這就要求傳感器能感受被測非電量并將其轉(zhuǎn)換成與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的電量。傳感器所測量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，取決于傳感器的輸入一輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有 :線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等 。 線性度 傳感器