温室智能测控系统.docx

1、设计背景随着时代的进步，温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理,这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。本文提出了一种以MCS-51系列的8031单片机为控制核心的测控系统，主要是为了对温室大棚内温度、湿度进行可靠地检测与控制而设计的。2、设计要求（1）性能要求温室中不同的作物在不同的生长阶段所需的最佳生长温度不同，但适宜生长温度通常在10团40团范围内，所以温度控制器至少应能实现在10国400范围内的控制，且能让人通过控制面板任意设定，最后控制温度误差应不大于±1团。作物在不同时期所需的湿度也不同，湿度应能在1090%范围内由人工任意设定，最后控制湿度误差应不大于±5%。考虑到CO2虽然对作物生长有影响，但是CO2发生器及CO2浓度测量设备较贵，且一般条件下CO2浓度都远低于最佳水平，温室中CO2浓度在可能情况下尽量大即可，所以在此不对CO2浓度进行调节。如果出现故障导致温室内温、湿度长时间偏离设定值超过一定界限，或者设定值超出允许范围，应该通过蜂鸣器或者指示灯报警。测控系统应带有显示设备，用来实时显示温室内的温度、湿度数值以及设定的温度、湿度数值。还应有输入设备，用来进行设定温度、湿度值，校零等操作。（2）主要技术参数根据系统的性能要求，并保留一定的余量，取温度传感器量程O整50团，精度小于±1回。湿度传感器量程1090%,精度小于±5%。3、总体方案设计(1)设计思想温室智能测控系统能监测温室的温、湿度，并根据温室环境实现自动温湿度调节。操作人员通过输入设备键盘设定温度、湿度数值，传感器分布在温室内多个位置，对温室环境进行多点实时动态采集，经过A/D转换，送入单片机处理,驱动执行装置，从而实现温室环境的自动智能调节。显示装置实时显示温室内的温度、湿度数值，当温度、湿度偏差超出一定限度一定时间，发出报警。其中执行装置为调节温度、湿度的装置。目前，温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面。加温有热风采暧系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的耍求时，必须进行人工强制降温。降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。保温包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。空气湿度的调控，主要是防止作物沾湿和降低空气湿度两个直接目的。除湿的方法有通风换气、加温除湿、适当地控制灌水量、使用除湿型热交换通风装置。加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿、温室内顶部安装喷雾系统。本系统分别采用热风采暖系统、通风降温除湿和喷雾加湿的方法。当湿度低于设定值即打开滴灌电磁阀进行喷水，当湿度与设定值的偏差满足要求时即关闭电磁阀；当温度高于设定值一定幅度或湿度高于设定值一定幅度时，单片机控制风扇进行排风；当温度低于设定值一定幅度时，单片机控制电热丝进行加热。所以，温室智能测控系统的执行装置是风扇、电热丝和滴灌电磁阀。(2)总体方案系统结构框图系统工作流程传感器测量现场湿度、温度，并将湿度温度转换成模拟电信号，经过调理电路进行放大、滤波处理，消除噪声干扰信号，最后由A/D转换器将处理过的模拟信号转换成数字信号，并输出到单片机接口。单片机读取A/D转换器转换好的温度、湿度数字信号信息，以及操作人员通过键盘设定的温度、湿度数值,然后根据设定值以及设计好的算法进行输出控制。输出控制信号经过功率放大器的处理，控制电热丝、风扇以及滴灌电磁阀的工作。同时，单片机实时输出温室的温度、湿度信息到显示模块，便于工作人员观察、操作。如果出现长时间检测到的温度或者湿度数值与设定值偏差超过一定界限，或者设置超限，则输出控制报警器报警。（3）主要功能模块整个温室测控系统主要由五个模块组成，分别为核心控制模块，信号采集模块，功率控制模块，键盘输入模块以及显示报警模块。核心控制模块由8031单片机及外围必备部件组成，完成数据处理的功能。信号采集模块由分布在温室各处的温度传感器、湿度传感器以及相应的调理电路、放大电路还有A/D转换器组成。功率控制模块由功率放大电路以及风扇、电热丝、滴灌电磁阀等执行装置组成。键盘输入模块由键盘及相应的输入接口组成。显示报警模块由LED数码管、蜂鸣器、指示灯以及相应的输出电路组成。4、主要功能模块的详细设计（1）核心控制模块该模块采用8031单片机实现数据处理、控制输出的功能。8031单片机按照预先设定好的算法对信号采集模块输入的温度、湿度数字量进行处理，输出控制信号到功率控制模块，实现对温室内温度、湿度的调节。同时，也输出信号实时显示温度、湿度数值，并按照程序在一定条件下报警，使系统更加人性化。8031单片机连接电路:铉VPXlX2P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7RD PSEN ALEP TXD RXD80319J23.45.6.7 11 1A 1x 1 IA 41 IA 11 PpppppppRHSETP20 P21P22P23P24¾6 P25*¾7 T2：P22P23P24P25P26P277 RD币UR¾9 PSEN ALE也RDALEGND由于8031单片机没有片内存储器，使用2732A片外4KBEPROM扩展片外存储器，地址锁存器采用74LS373o如图所示，锁存器三态控制端OE接地，373输出常通，G端与ALE相连，每当ALE下跳变时，373锁存低8位地址A0.0A0.7并输出。2732>4KBEPROM,有12根土也址线AOA11分别与373的QOQ7(即A0.0-A0.7)和P2.0P2.3相连，系统中只扩展了一片EPROM,故2732的片选端CE接地，即该片总是被选中。当8031发出16位地址时，其中AOA11就可选中2732片内的4KB存储器中某个单元。单片机的PSEN与2732的OE/VPP相连，当PSEN有效时，把2732A中的指令或数据送入PO口数据线。锁存器及片外存储器连接电路:74LS373（2）信号采集模块该模块由分布在温室各处的温度传感器、湿度传感器以及相应的调理电路、放大电路还有A/D转换器组成。传感器测量现场湿度、温度，并将湿度、温度转换成模拟电信号，经过调理电路进行放大、滤波处理，消除噪声干扰信号，最后由A/D转换器将处理过的模拟信号转换成数字信号，并输出到单片机接口。湿度信号是直接得到方波信号，无须A/D转换通过单片机处理得到湿度数值。考虑到温室内系统惯性大，温度、湿度变化缓慢，故不采用采样保持器。温度输入硬件电路设计温度传感器选用AD590oAD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。主要特性如下：1）流过器件的电流（HA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：lrT=luAK式中，Ir一流过器件（AD590）的电流，单位为A;T热力学温度，单位为K；2）AD590的测温范围为-55团+150回；3）AD590的电源电压范围为430V,可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；4）输出电阻为710mQ；5）精度高，AD590在-55回+150团范围内，非线性误差仅为±0.3团。由于温室大棚较大，在温室内分布设置8个，分布式采样后送到单片机进行处理，提高数据精度，能更好的反应温室温度信息。温度测量电路采用现有的设计电路，下图为从参考文献中摘录的一种AD590温度测量电路。温度测量电路电路输出为电压信号，需要经过进一步A/D转换。该系统最大精度为1%,故选用分辨力为8位的A/D芯片，由于系统对实时性要求不高，故A/D转换采用ADC0809oADC0809的输入即为各传感器信号经温度测量电路变换后的的输出电压信号。ADC0809主要特性：1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s（时钟为64OkHZ时）,130s（时钟为50OkHZ时）4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压范围0+5V,不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为40+85摄氏度7）低功耗，约15rnWo相应的温度测量分辨率为符合要求。下图为ADC0809连接电路图。如图所示，ADC0809的8路输入UTOUT7分别对应8个传感器的变换后输出电压，参考电压分别为5V和0V。ADC0809内部没有时钟脉冲，利用单片机的ALE信号经D触发器二分频后，作为时钟输入。地址选通端ADDA、ADDB.ADDC分别与锁存器LS373的的Q0、QI、Q2连接，即对应单片机P0.0P0.3,用于选通INe）IN7之一。EOC信号与PLO相连，供8031检查A/D转换是否完成。OE、START以及ALE由P2.7控制，且P2.7低电平有效。故ADC0809的地址为7FF8H7FFFH（其中P0.3P2.4任意）。ADC0809连接电路：POOorID Q ：Cl Q-iP03P04两POOP02POl6P027P038P049P0510P0611P0712PlOI 3 14F -i?1_Ql 3Q2 4CLKADDAREF÷ADDBREF-ADDCDOIN7DlIN6D2IN5D3IN4D4IN3D5IN2D6INlD7INOEOCSTARTVCCALEGNDOE7728ADC0809II UT6UT521 UT420 UT319 UT2IS UTl17 UTOGND湿度输入硬件电路设计湿度传感器采用HSIIO1。HSIIOI是基于独特工艺设计的电容元件，固态聚合物结构，精度高达±2%RH;极好的线性输出；199%RH湿度量程；40-100,C的温度工作范围，响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小，防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿，无需校准；电容与湿度变化0.34pf%RH;典型值180Pf55%RH；长期稳定性及可靠性；年漂移量0.5%RH年。符合系统要求。由于气体分子运动很快，温室内部各处湿度相差不大，故温室中只采用一个湿度传感器。湿度测量电路采用现有的设计电路。下图为摘录的一种经典HSllOl湿度测量电路。如图所示，将HSllOl接入555定时器组成的振荡器电路，输出一定频率的方波信号。信号输出端接8031的定时计数器T0,通过检测信号频率可以计算出HSIlOl的电容值，进而可求得湿度值，通过程序设计可对湿度进行温度补偿，用来抵消温度变化带来绝对湿度的误差，得到更加精确的相对湿度数值，从而使控制更加精确。湿度测量电路（3）功率控制模块温室内部系统惯性大，被控量温度、湿度变化比较缓慢，控制响应实时性要求不高，故采用开关量输出通道。单片机根据输入信号经运算处理后输出控制信号，控制信号经8255锁存，再经过输出驱动器放大信号，驱动执行机构动作。在该系统中驱动的执行机构包括风扇、电热丝和滴灌电磁阀。由于执行机构功率较大，这里不采用直接放大，而是利用光耦隔离控制。光耦选用TLP521-4,其提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装，集电极-发射极电压55V,隔离电压250OV（最小）。执行机构的开关采用西德公司生产的交流固态继电器（图中SSR所示）。固态继电器的主要参数如下：1）驱动功率小，光电隔离的输入驱动电流仅需要IomA左右，便于与TTL和CMoS等数字集成电路连接，无需另外加接口电路。2）无触点，无动作噪音，无火花干扰，开关速度快，可靠性高。3）应用范围广。交流：大功率l40A,电网电压110380V0直流：电流15A,负载电压350V。4）对电源电压适应能力强，一般低于电源电压20%仍能正常工作。承受浪涌电流大，一般能达到额定值的610倍。5）绝缘耐压高，输入与输出间的绝缘耐压可达2.5kV以上。6）与普通继电器相比，固态继电器没有辅助触点。如图所示，8255A片选信号CS接P2.6,且P2.6低电平有效，即8255A的地址为BFFCHBFFFH（其中P0.2P2.4任意）。8255A输出信号经功率控制电路作用于固态继电器SSR,间接控制风扇、电热丝和滴灌电磁阀的接通和断开。其中PBO.PBl控制两个电热丝，PB2、PB3控制两个风扇，PB4、PB5控制两个滴灌电磁阀。该8255A的B口地址为BFFDH,此即控制执行机构的地址。8255A连接电路PA31PA3PA4PA2PA5PAlPA6PAOPA7RDWRCSRESETGNDDOAlDlAOD2PC7D3PC6D4PC5D5PC4D6PCOD7PClVCCPC2PB7PC3PB6PBOPB5PBlPB4PB2PB340PA4PA2239PA5PAl338PA6PAO437PA7RD536WRP26635RESETGND734POOQl833POlQO932P021031P031130P041229P051328P061427P0715Ivrr1625PB÷CC1724PB6PBO1823PB5PBl1922PB4PB22021PB38255功率控制电路:（4）键盘输入模块该模块是人机交互的接口，由键盘及接口电路组成，用于将操作人员的要求传达给控制系统。由于该系统用到的按键较少，采用独立连接式非编码键盘。操作面板由8个按键，如图所示。在正常工作的过程中，按Edit键开始设定数值，按“T设置温度，从最低位开始，+表示该位加1,-表示该位减1,最低位设置好后，按<向左移一位，设置左侧的一位，以此类推。当设置到最高位后，再按“<则回到最低位，温度设置完成后，按“Enter"。再按"H设置湿度，方法同上。全部设置完成后，按“Done退出设置模式，系统继续运行。键盘按键连接在功率控制模块中所提到的8255A上，8个按键分别连接PA0-PA7o该8255A的A地址为BFFCH,此即键盘的地址。键盘控制面板如下:温室测控系统操作面板THEnterEditDone键盘连接电路5V99PCZO6-1R8OOI）。（IReSPaCk43PAXQ /Q/<>/0 /O/0 /6 / so，Osljs2<x×zs3js4,s5<zxs6<>S7一.（5）显示报警模块该模块也是人机交互的接口，如果出现长时间检测到的温度或者湿度数值与设定值偏差超过一定界限，或者设置超限，则输出控制报警器报警。该模块由6个数码管、一个蜂鸣器和一个LED及相应的接口电路组成。数码管中的3个显示实测值，另外3个显示设定值，温度与湿度数值交替显示。报警采用蜂鸣器加LED,单片机的PLl控制蜂鸣器，P1.2控制LED,连接电路如下图所示。6个数码管是共阴极的，由另一个8255A控制。该8255A其片选信号CS接P2.5,且P2.5低电平有效，即8255A的地址为DFFCHDFFFH（其中P0.2-P2.4任意）。8255A的A口地址为DFFCH,A0A5经反向驱动器7406后接6个数码管的片选端作为选通信号。8255A的B地址为DFFDH,B0B7经同向驱动器7407后接数码管的各个阳极。连接电路见附图“温度、湿度实时显示电路。5,硬件、软件调试要点软件调试采用各个模块子程序分别调试，最后作为一个完整的程序再进行测试。初始化子程序，可以设置一个循环单独运行,观察运行结果是否和预期一致，包括数码管的显示、驱动执行装置的输出信号，进行调试。中断子程序也可单独运行，输入一已知频率的方波信号，观察运行结果，进行调试。按键参数设置子程序，单独运行，进行按键组合，观察数码管显示情况，进行调试。去除所有子程序，单独运行温度控制的程序，观察输出情况，进行调试。分别设定温湿度的设定值和测量值，并使两者有较大偏差,观察报警模块能否正常工作,进行调试。硬件分模块配合软件进行调试。单片机等外围设备可通过检查电路的方法调试。温度测量电路连接完成后，用冰水混合物和25度进行校正调试。湿度测量电路连接完成后可连接示波器观察波形,进行调试。功率控制模块电路先不通电,测量各段电阻是否正常，然后通电调试。键盘输入模块配合程序，观察各个按键效果。显示报警模块，可用跑马灯程序调试数码管硬件电路，然后给Pl.l、P1.2输出控制信号观察蜂鸣器和LED报警器的工作情况。软件流程图如下，其中的Tl中断程序即为湿度测量控制子程序。6.总结课程介绍的是与工程结合比较紧密的测控系统设计，且课程中贯穿奶粉包装的测控系统设计实例，使课程更加生动容易理解。通过制作课程设计，加深了对课程的理解，进一步巩固了所学知识。从查论文、搜专利、看产品，到需求分析，总体设计，以及详细的模块设计、电路设计，再到软件流程图设计、绘制电路图，把半个学期的课程回顾了一遍，也把单片机的知识联系起来了，这让我对测控系统的设计也有了更加深刻的了解，相信再遇到这种问题虽不能说游刃有余，但至少不会手足无措。7 .参考文献孙传友，测控系统原理与设计，北京：北京航空航天大学出版社，2002胡乾斌，单片微型计算机原理与应用，华中科技大学出版社，2006-2于海生，微型计算机控制技术，清华大学出版社，1999王敏，温室大棚温湿度、二氧化碳测控系统的研究，西安理工大学，200703杨彬，温室温、湿度智能控制系统的研究，甘肃农业大学，200606刘金，日光温室智能测控系统，山东大学，200504匡盈春，简易型温室温湿度控制器设计，湖南农业大学学报，2009.8马干洲，一种温湿自动控制器，200720037542.1于春勇，温室大棚自动控制系统，200810011065.08 .课程建议课程中贯穿奶粉包装实例的教学方法很好，但是课堂上有些问题讲的太快，比如传感器选型，上网一看那么多传感器，很多都能满足要求，价钱也差不多，无从下手，最后只好根据课堂讲解选择最常用的一种，不清楚工程实际中是不是也都这样选择的。还有PlD控制算法，可谓是控制中的经典算法，工程控制中提到过，计算机控制系统中也有，这个课程中也有，但听了这么久，对于PID还没有一个十分直观的概念，在实际产品中PID是什么样子也还不清楚，希望能够对PID有更清楚直观的认识。