基于单片机的温室自动控制系统设计
摘要:温度、湿度和 co 2浓度等是影响作物生长的重要环境因子,为有效进行作物生长的环境控制,针对日光温室的特点, 以模糊控制理论为基础,计算机控制技术为平台,设计了一个基于模糊控制技术的计算机温室控制系统。介绍了以 PC 机为 上位计算机, MCS 一 51单片机为核心的智能仪表为下位机的智能温室分布式测控系统的工作原理及主要功能。详细阐述了 该系统的软、硬件实现方法。该套控制系统符合我国现阶段的国情且能很好地满足生产要求,成本低,运行可靠,便于推广 应用。
关键词:智能温室 ; 计算机分布式自动控制系统 ;RS -485通信网络 ; 智能设备 , 模糊控制
中图分类号:TP302.1
Distributed Measure and Control System controlled by single-chip controller used in Agricultural Greenhousc
Temperature, humidity and the thickness of co2 have an important effect on the crops .In order to control such environmental factors. Based on Fuzzy control theory and computer control technology .The working Principle and main functions of the intelligent greenhouses with distributed control system in the Paper are introduced. This system uses PC as a host computer and intelligent instruments with MCS-51 single-chip
microcomputers as secondary computer systems. The design methods of system hardware and software are fully described. The system was accord with the reality of agricultural Production of our country and was considered suitable to Agricultural Greenhouse and it can reach Producing requirement, Low-cost and high-reliability.
KEY WORDS:intelligent greenhouse , computer distributed Auto-control system, RS-485 communication network , intelligent instrument , fuzzy control
0 引言
智能化温室是集农业科技的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进的农业生产设施,是现代农业科技向 产业转化的物质基础。它能营造相对独立的作物生长环境,彻底摆脱传统农业对自然环境的高度依赖。
随着我国加入 WTO , “科技兴省”是使我省在 21世纪取得长足发展的必然选择,当然,农业也不例外,河南省作为一 个农业大省, 如何发展高效、 节能、 高科技农业以产出高质量、 高附加值的农产品对于我省经济的发展起着举足轻重的作用。 目前,智能化温室控制系统的研究国内已经受到重视,省内已有采用工控机为控制手段的成套设备,并已投入使用, 但其控制成本高,性价比低。本文结合我国国情和生产要求,以单片机为控制核心,研制了智能化温室控制系统,其成本较 工控机要低,运行可靠,便于大批量推广。
1 控制系统原理与结构设计 [1 ]
本系统原理结构框图如图 1所示,它是一个小型的分布式数据采集与控制系统,是由数据采集工作站(下位机和中心 计算机(上位机组成的控制系统。其中数据采集工作站又由相应的传感器 (如温度传感器、湿度传感器、 C02浓度传感器、 光照度传感器等 、模拟量输入输出通道、开关量输出通道所组成。工作站既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储 任务,又可接受从中心计算机送来的控制参数设置,启动增温降温,加湿除湿,遮阳补光等调控设备,从而按不同要求调控 温室的微气候环境。上位机系统机将工作站送来的数据,及时在线的用动态数据、曲线的方式显示起来,并储存在相应的数 据库中,一般可以保存一个生长季节的数据,对存储起来的数据,按研究需要,进行分析、统计,可显示、打印成表格或曲 线或直方图,同时系统机也向下级机传递控制。
图 1:温室测控系统结构图
2. 温室控制系统的硬件设计 [2][3][4][5]
温室要求对温室内温度、湿度、光照、二氧化碳等环境因子进行控制,为实现有效的控制,一要采集环境信息,二要实 现实时控制。 温室内的监控系统是以单片机为核心组成的监测与调控系统, 系统可以独立地完成温室环境信息的采集、 处理 和显示,也可以通过标准的 RS-485接口与上位机实现通讯。该系统硬件电路设计包括四大部分 :单片机核心控制模块、测量 模块、控制模块、通讯模块 :
2.1. 单片机核心控制模块
单片机中心控制模块是以 AT89C51系列单片机为基础, 为扩展单片机系统的功能而设立的, 包括程序存储器 (E2PROM 、 数据存储器 (RAM的扩展,输入输出口 (I/0的扩展,键盘、 LED 显示电路的扩展,硬件时钟电路等。程序存储器用来存放监 控程序、采集程序、显示程序、通信程序、自动控制设备程序等。数据存储器 SRAM 用来存放系统连续监测所采集的数据。
图 2 测量控制终端结构图
环境因子的变化有很强的时间性,环境信息的采集需要准确、可靠的时钟。系统扩展有硬时钟电路 (DS12887可以向系 统提供年、月、日、时、分、秒的计时。
报警电路是当某环境因子超出设置的上限、下限参数时,响铃报警,提醒操作人员注意。该模块接收来自测量模块的数 据,根据设定的各环境因子值,命令控制模块动作。
2.2. 测量控制模块
温室系统需要采集的数据分为一般模拟量和开关量、 电量三种。 需要采集的电量为电机的三相电压和三相电流。 设计中 采用多功能智能电表进行电量的数据采集,多功能电表采集电量数据后,传递 RS485信号,通过保护电路传递到电平转换器 MAX485芯片, 将智能电表传送的三相电压、 三相电流、 电度量数据转化为 TTL 格式, 再以串口通信的方式传送给 CPU 进行接收。 一般模拟量是指现场的湿度、 CO2浓度、风速风向等模拟量,需要通过多路复用芯片完成多路数据的采集和模数转换器完成 模拟量和数字量的转换(如图 3所示,再将采集的数据给 CPU 处理。开关量信号是指电机运行状态,继电器状态等参数,开 关量的采集通过扩展的串行口即 8255芯片来实现。
模 拟 量 输 入
图 3 模拟量的采集
测量模块实现了对温室的环境温度、湿度、光照、二氧化碳的测量。测量模块通过传感器把各种环境因子非电量转换为 电量,通过信号整理电路把电信号线性化、放大滤波为 0-5V 的标准信号,传输至核心控制模块,然后通过 A/D转换器内部 含有的 8选 1多路选择开关分别对信号进行模数转换,将数字量送入单片机。
温度测量采用温度传感器 DS1820实现,该传感器测量精度高、线性度好, DS1820的输出值是一个 9位的二进制数 值, 其测温范围在 -55?C ~125?C 之间, 当温度值在 -10?C ~85?C 范围时, 误差为 ±0.5?C 。 它的方便之处在于单线接口设计, 使处理器只需要接一条数据线就能对它进行全部的操作,实现操作指令和测量数据的传输。
测量精度为士 0.1℃,信号放大和滤波电路利用高精度集成放大电路 CA3140完成。
基于单片机的温室自动控制系统设计(精)
