【導(dǎo)讀】變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙那疤?。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心完成了對(duì)空。作原理和繼電器控制的設(shè)計(jì)的工作。感器AD590采集實(shí)時(shí)溫度。通過(guò)濕度傳感器HS1100采集實(shí)時(shí)濕度。過(guò)固態(tài)電化學(xué)性二氧化碳傳感器TGS4160采集二氧化碳濃度。參數(shù)值與設(shè)置值是否一致，并進(jìn)行繼電器控制。氧化碳濃度進(jìn)行了實(shí)時(shí)地、連續(xù)地檢測(cè)、直觀地顯示并進(jìn)行自動(dòng)地控制。疏漏或錯(cuò)誤造成的不必要的損失。

　　

【正文】 進(jìn)行加熱 ， 加熱電壓穩(wěn)定在 (5177。 )V內(nèi)。為了保證 CO2 含量的準(zhǔn)確測(cè)量 ,除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對(duì)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外 ,更主要的是要測(cè)量?jī)呻姌O之間變化的電勢(shì)值 ,而不是絕對(duì)電勢(shì)值 。 在 10～ +50℃溫度范圍內(nèi) ,基本不受溫度的影響保持常量 .傳感器測(cè)量范圍是 350～ 1 000 mL L 1,但根據(jù)溫室大棚 CO2 含量的實(shí)際情況 ,在此設(shè)定所測(cè)量的 CO2 含量在 350～ 900mL L 1 之間 ,在這個(gè)范圍內(nèi)可以滿足測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際需要 。 但要把 TGS4160 的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成 0～ 5V的電壓 ,需要把傳感器的輸出信號(hào) CO2 含量對(duì)應(yīng)的絕對(duì)電勢(shì)值轉(zhuǎn)換到傳感器兩極之間變化的電勢(shì)值 ,然后再放大。設(shè)計(jì)采用 2 級(jí)減法運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn) (圖 ) 圖 測(cè)量 CO2 電路的減法電路 基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春大學(xué) 16 微處理器系統(tǒng) 微處理器選擇 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī) ,A/D 轉(zhuǎn)換器選用 ADC0809,利用 ADC0809 轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存功能 ,直接與 AT89C51 的總線相連接口電路如圖 所示 ,按鍵電路設(shè)計(jì)為 4 個(gè)按鍵 ,其中 SW4 是復(fù)位鍵 ,另 3 個(gè)是功能鍵。設(shè)置的按鍵的功能是 :按 SW1 顯示溫度的參數(shù)值；按 S W2 顯示濕度的參數(shù)值；按SW3 顯示 CO2 含量參數(shù)值 ； 復(fù)位鍵的作用是 ,當(dāng)按下“ S W1” ,“ S W2”或“ S W3” 任意 1 個(gè)鍵時(shí) ,顯示器則只顯示其對(duì)應(yīng)的參數(shù)值 ,可以通過(guò)按復(fù)位來(lái)使顯示器恢復(fù)輪流顯示 ， 顯示采用 4位 LED 顯示 ， 其中 3位顯 示所測(cè)量參數(shù)信號(hào)的大小 ,另1位代表所測(cè)信號(hào)的通道 ， 利用 AT89C51 的 P0 口和 P2 口的低 4 位來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示。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(dòng)芯片 74LS244,增加 P0 口的驅(qū)動(dòng)能力 ,驅(qū)動(dòng)芯片的輸出口又接了 8個(gè) 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。 P2口的低 4 位輸出是選擇位段碼。顯示電路的工作方式是動(dòng)態(tài)掃描法。 圖 微處理器硬件接口電路 程序模塊 主程序 系統(tǒng)上電時(shí) ,初始化程序?qū)?70H,71H,72H 內(nèi)存單元清零， P3 口置零。 剛上電時(shí) ,系統(tǒng)默認(rèn)位循環(huán)顯示 3 個(gè)通道的參數(shù)值狀態(tài) .當(dāng)進(jìn)行一次測(cè)量時(shí) ,將顯示每一通道的 A /D 轉(zhuǎn)換值 ,每個(gè)通道的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為 1 s 左右。主程序在調(diào)用測(cè)試子程序 ,顯示子程序和判斷按鍵之間循環(huán) ,主程序圖見(jiàn)圖 。 顯示子程序 顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) 4位數(shù)碼管的數(shù)值顯示 ， 測(cè)得的 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在 70H,71H 和 72H 內(nèi)存單元中 ,測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需要轉(zhuǎn)換為 BCD 碼放在 基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春大學(xué) 17 73H,74H 和 75H 單元中 ,其中 76H 存放通道標(biāo)志數(shù)。寄存器 R3 用作 3 路循環(huán)控制 ,R0 用作顯示數(shù)據(jù)地址指針 ， 由于顯示器 用的是段碼顯示 ,不能顯示各參數(shù)的單位 ,但各個(gè)通道的單位是一定的。 A /D 轉(zhuǎn)換測(cè)量子程序 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量子程序用來(lái)控制對(duì) ADC0809三路模擬輸入電壓的 A/D轉(zhuǎn)換 ,并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值移入 70H,71H 和 72H 內(nèi)存單元。 開(kāi) 始初 始 化開(kāi) 中 斷調(diào) A / D 轉(zhuǎn) 換 子 程 序調(diào) 子 程 序 顯 示鍵 掃 描 ， 有 按鍵 ？轉(zhuǎn) 鍵 處 理 程 序 圖 測(cè)試系統(tǒng)主程序流程圖 顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序 溫度的測(cè)量范圍是 0～ 100℃ ,模擬量輸出是 0～ 5V；濕度的測(cè)量范圍是 0～100%,模擬量輸出為 0～ V； CO2 含量的測(cè)量范圍是 350～ 900mL L 1,輸出為 0～ 。 運(yùn)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可達(dá)到要求的精度。 基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春大學(xué) 18 第 3 章 溫室大棚的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ,農(nóng)民增收緩慢的問(wèn)題逐漸成為阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的一大隱患。解決此問(wèn)題的關(guān)鍵是大力發(fā)展農(nóng)業(yè)科技 ,逐步走向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。溫室大棚技術(shù)在農(nóng)業(yè)中有著舉足輕重的作用 ,是提高農(nóng)業(yè)科技水平的關(guān)鍵。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡(luò)式的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。上位機(jī)由 AT89S51 單片機(jī)作為控制器 ,外加 LCD1602 和若干按鍵構(gòu)成人機(jī)交互界面 ,同時(shí)設(shè)有報(bào)警裝置。上位機(jī)硬件框圖如圖 所示 :上位機(jī)主要完成的功能是接收下位機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)并顯示溫室大棚中的平均溫度和平均濕度。用戶可以通過(guò)按鍵對(duì)進(jìn)行溫度和濕度的設(shè)定。同時(shí) ,還具有報(bào)警機(jī)制 ,當(dāng)某處的溫度和濕度出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并顯示異常點(diǎn)。下位機(jī)由 ATtiny2313 和溫濕度傳感器組成。主要完成的工作是溫度信號(hào)與濕度信號(hào)的采集 ,同時(shí)傳輸給上位機(jī)。 ATtiny2313 是 AT2MEL 公司發(fā)布的 AVR 系列中的一款低端產(chǎn)品。該芯片采用的 RISC 結(jié)構(gòu) ,比相同時(shí)鐘的 51 單片機(jī)執(zhí)行速度快約 12倍。它有 20 個(gè)引腳 ,其中有 18個(gè)是可編程的 I0口 ,具有豐富的擴(kuò)展功能 ,并且內(nèi)部集成了 RC 振蕩器 ,無(wú)需外部晶振。芯片還具有三個(gè)定時(shí)器其中一個(gè)帶有捕獲功能 ,兩個(gè)外部中斷。芯片價(jià)格低廉也是其優(yōu)點(diǎn)之一。上位機(jī)與下位機(jī)通信采用的 RS485 總線形式 ,這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)雙向通信 ,它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法比擬的。 鍵 盤(pán)A T 8 9 S 5 1報(bào) 警 系 統(tǒng)R S 4 8 5 總 線L C D 顯 示 圖 上位機(jī)硬件框圖 系統(tǒng)工作原理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度 ,經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后存儲(chǔ)在控基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春大學(xué) 19 制器中 ,當(dāng)上位機(jī)查詢下位機(jī)時(shí) ,下位機(jī)通過(guò) RS485 總線將溫 度值和濕度值傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)每隔 10分鐘查詢一次所有的下位機(jī) ,將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)行處理 ,排除干擾值 ,確定當(dāng)前的溫室大棚的溫度和濕度 ,同時(shí)將其顯示在 LCD 屏上。上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前溫室大棚的溫度和濕度 ,判斷是否需要操作相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上位機(jī)除了正常的數(shù)據(jù)收集和顯示作用外 ,還可以通過(guò)按鍵進(jìn)行溫濕度的設(shè)定 ,查詢每個(gè)下位機(jī)的具體值。同時(shí)還具有報(bào)警功能 ,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫濕度異常時(shí)能經(jīng)行聲光報(bào)警。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件主要有鍵盤(pán)模塊 ,顯示模塊 ,控制決策模塊 ,通訊模塊 ,和報(bào)警模塊。 鍵盤(pán)模塊功能包括參數(shù)和功能設(shè)置 ,下位機(jī)查詢。顯示模塊是用于同時(shí)顯示測(cè)得的溫度值和濕度值?？刂茮Q策模塊根據(jù)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)判斷當(dāng)前是否需要調(diào)溫或調(diào)濕。通訊模塊功能是與下位機(jī)經(jīng)行數(shù)據(jù)的傳輸。報(bào)警模塊是指溫度或濕度出現(xiàn)異常時(shí) ,發(fā)出警報(bào)。 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)軟件主要有采集模塊 ,通訊模塊和控制模塊。采集模塊主要完成溫度采集和濕度采集。通訊模塊主要完成向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的工作?？刂颇K功能是控制調(diào)溫裝置和調(diào)濕裝置。 誤差分析 系統(tǒng)誤差來(lái)源有兩個(gè) ,一個(gè)是系統(tǒng)硬件 ,另一個(gè)是系統(tǒng)軟件。硬件帶來(lái)的誤差包 括傳感器選型 ,采樣電路器件選型和電路設(shè)計(jì)等方面。軟件誤差主要是指異常數(shù)據(jù)的干擾和數(shù)值處理的精度。 減小誤差的方法有以下幾種 : （ 1）選擇高精度的傳感器。 （ 2）設(shè)計(jì)抗干擾性強(qiáng)的電路。 （ 3）選擇支持浮點(diǎn)運(yùn)算的控制器。 （ 4）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波 ,排除干擾。 （ 5）數(shù)值處理利用定點(diǎn)算法。 本系統(tǒng)在選擇合適的器件和合理的電路同時(shí) ,在軟件上也采用了數(shù)字濾波和定點(diǎn)算法 ,減小了系統(tǒng)誤差。 可靠性設(shè)計(jì) 用于工業(yè)控制場(chǎng)合的系統(tǒng)對(duì)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(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春大學(xué) 20 統(tǒng)才具有實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)的可靠性包括軟件的可靠 性和硬件的可靠性。 硬件可靠性設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(shè)計(jì)過(guò)程 ,因此在設(shè)計(jì)中我們采取了以下抗干擾措施 :(1) 采用光電隔離 ； (2)采用過(guò)壓保護(hù)電路； (3)采用抗干擾穩(wěn)壓電源； (4)采用良好的接地系統(tǒng)。 軟件可靠性設(shè)計(jì) 軟件部分可靠性主要通過(guò)抗干擾設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) ,其中本系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì)主要包括以下部分 :(1)采用數(shù)字濾波方法來(lái)抑制輸入通道的干擾 ； (2)對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)處理； (3) 對(duì)部分關(guān)鍵控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)； (4) 采用指令冗余、軟件陷阱、“ 看門(mén)狗” 等方法避免程序混亂。 基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春大學(xué) 21 第 4 章 溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng) 近年來(lái)，我國(guó)的設(shè)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。而溫室大棚的檢測(cè)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化的最關(guān)鍵、最為重要的環(huán)節(jié)。 目前我國(guó)的溫室大棚，多依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，或以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路的較多，自動(dòng)化程度不高，效率低下，就農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(cè)控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)以上要素的數(shù)據(jù)采集與分析處理，并進(jìn)行相應(yīng)的控制，以使溫室大棚為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的環(huán)境。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 溫室大棚檢測(cè)控制系統(tǒng)為滿足室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)采用多級(jí)子系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)。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。 1. 傳感器子系統(tǒng) 傳感器子系統(tǒng)是檢測(cè)控制系統(tǒng)的主要信息來(lái)源，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)，分析加工和控制的可靠性與準(zhǔn)確性。傳感器主要 包括檢測(cè)溫室大棚內(nèi)部溫度的溫度傳感器、檢測(cè)室內(nèi)空氣及土壤水分的濕度傳感器、檢測(cè)室內(nèi)光照度的光照傳感器、 檢測(cè)二氧化碳濃度的二氧化碳濃度傳感器。由于溫室大棚一般構(gòu)造面積較大，傳感器屬定點(diǎn)使用的一次性儀表，故各類傳感器的使用數(shù)量較多。 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(duì)傳感器子系統(tǒng)傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換和采樣。在檢測(cè)控制系統(tǒng)中，為滿足實(shí)時(shí)性要求，一般應(yīng)選用速度較高，多種采樣觸發(fā)方式，多路采樣保持的多通道數(shù)據(jù)采集卡。為了減輕后級(jí)處理工作量，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對(duì)采得的原始數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行一定程度的預(yù)處理。 3. 信息處理子系統(tǒng) 信息處理子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，包括環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)置、信號(hào)處理和控制 3個(gè)部分。環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)置一方面可將某一時(shí)間范圍內(nèi)，農(nóng)作物正常生長(zhǎng)對(duì)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度的要求進(jìn)行設(shè)置。另一方面可將作物不同生長(zhǎng)期對(duì)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度要求進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以確定其在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)上述因素的要求。信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與本階段環(huán)境參數(shù)值進(jìn)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(yīng)基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春大學(xué) 22 的控制信號(hào)。 4. 伺服子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)包括溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)降溫設(shè) 備（如濕簾風(fēng)機(jī)）、加熱設(shè)備（如熱風(fēng)機(jī)）的工作方式及時(shí)間的控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)功能。濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)溫室天窗、側(cè)窗啟閉部件以及噴霧器的控制以完成對(duì)濕度的調(diào)節(jié)。照明機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)照明燈的開(kāi)或關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)光照度的調(diào)節(jié)。二氧化碳施放機(jī)構(gòu)完成對(duì)溫室內(nèi)二氧化碳施放。 主要特點(diǎn) 信號(hào)檢測(cè)的多元化 本特點(diǎn)指檢測(cè)信號(hào)有溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等多種不同類型的信號(hào)，并且同一種類型的信號(hào)又有若干多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。 信號(hào)檢測(cè)的連續(xù)化 系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)多種環(huán)境參數(shù)信息的檢測(cè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的連 續(xù)過(guò)程。由于外界氣候環(huán)境的變化具有很大的隨機(jī)性，要實(shí)時(shí)保持溫室內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，必須對(duì)其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。 數(shù)據(jù)采集與處理的實(shí)時(shí)化 為了保證實(shí)時(shí)地檢測(cè)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(shí)間限制，以便能實(shí)時(shí)做出評(píng)價(jià)，采取相應(yīng)的控制措施，抵御自然災(zāi)害的襲擊，預(yù)防意外事故發(fā)生。 系統(tǒng)功能的易擴(kuò)充性 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο髾C(jī)制和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不需改動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，容易增加新的模塊，使系統(tǒng)的功能擴(kuò)充容易、方便。 硬