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1、基于单片机的智能温室控制系统的设计1引言 设施农业是世界现代农业发展的主要方向之一，我国农业正处于从传统也向高产、优质、高效为目的的现代化农业转化新阶段,设施农业是我国今后比较长的时间内农业发展的一个主要方向。现代大型温室中,室内的温度、湿度、CO 浓度、营养液养分状况等所有环境因子的监测、传感、调节,都由计算机进行综合管理,实行自动控制。 国内现有的大多数温室系统是从国外引进的, 这些系统一是价格昂贵, 二是存在水土不服的问题。国内在温室的自动控制与智能化方面进行了许多有价值的研究, 但研制的温室环境调控与生产管理设施未完善配套,较多温室环境监测与控制系统硬件与软件依赖国外进口。因此,开发出
2、符合中国国情的自动化温室系统，才是解决问题的关键。托普物联网研究目标是开发一款基于单片机的温室控制系统，能独立对各个温室模块进行控制。同时也可以和上位机进行通信，接受上位机指令对各个模块进行控制,并把采集的数据传给上位机。 系统组成及工作原理本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等;软件主要完成信号的处理及控制功能等。图1 智能温室系统结构图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，是由单片机为核心的下位机和PC机构成的上位机组成的控制系统 其中下位机又由相应的传感器(如温度传感器、湿度传感器、CO浓度传感器
3、、光照度传感器等）、模拟量输入输出通道、开关量输出通道所等部分组成。下位机既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储任务，又可接受从上位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。上位机将下位机送来的数据,及时在线地用动态数据、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，同时也向下位机传递控制。 硬件构成 1系统控制器 控制器是系统的核心,主要用于现场实地检测及控制,完成数据处理。每个控制器都有自己的显示、键盘系统,可以独立于
4、上位机来控制和调整系统的运行状态。显示系统提供系统设备运行参数,系统设备状态等菜单，可以通过操作键盘来调整参数，这样使系统可以脱离C机运行。由温室内各传感器采集到的数据通过总线传输到上位机,利用其丰富的指令进行数据处理，再通过RS2RS4转换器传输给下位机和执行机构动作,完成各项控制功能。 32 测量模块 测量模块实现了对温室的环境温度、湿度、光照和二氧化碳的测量。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0V的标准信号,传输至核心控制模块,然后通过A/D 转换器对信号进行模数转换，将数字量送入单片机。 .21传感器信号检测电路 系统通过各种传
5、感器对温室内的温度、湿度、CO含量及养分的PH值进行实时数据采集,并将测量结果通过接口送至上位机中,上位机根据控制要求对整个温室进行综合控制。为了增强下位机采集子系统的抗干扰性、简化信号接口,系统优先选用数字输出信号传感器, C 浓度、 值、H 值等模拟信号传感器均选用标准 0mA输出，模拟信号经多路模拟开关选择后送模数转换器转换,转换后的数据以并行方式送单片机处理。 本系统中温度测量采用温度传感器PT1001实现,该传感器测量精度高、线性度好，测量范围-40450,测量精度为士0.1。湿度测量采用湿度传感HS15-DL-L实现,测量范围0-100%。测量精度为士3RH。光照测量采用光电池实现
6、,测量范围-100光照单位,测量精度为士光照单位。二氧化碳测量采用二氧化碳传感器GS-16实现,该传感器测量精度高、线性度好，测量范围 l00PM,测量精度为士P。 .22 A/D转换 由于单片机只能处理数字信号,所以由传感器采集的温室内光照、温度、湿度、P、E 等模拟量，需要经过 AD 转换,才可输入单片机。A/D 转换电路种类很多，在选择 /转换器时,主要考虑以下技术指标:转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。对于本控制器,选择的/D转换芯片为LC1543。连接图如图2所示，在本设计中C14 主要用来采集温室内的温度、湿度、热水的进出口温度、以及天窗、侧窗开启的角度。
7、图2 TLC1543的连接 .3 通信模块由于系统要求控制器不仅能够独立工作，而且能够与上位机进行必要的数据传输，所以需要进行通信接口电路设计。当机与下位单片机距离介于 0m 到2Km 之间时,不能直接采用 RS-23,可采用RS-45。在本控制系统中,采用RS-485 总线来实现上位机与下位机之间的通信。485总线构成的分布式控制系统框架如图3所示。图 分布式控制系统框图一般PC 机只有RS22 接口,若实现R-485标准接口通信必需采用R-23285 转换器。本系统使用的MAX140B是一种完全电气隔离RS22/S85 数据通信接口,在一个标准的DIP封装中有完整的接口，包括收器、光耦合器
8、和变压器,逻辑侧的单电源+5V给接口两侧供电。信号与电源在内部跨过隔离层进行传送，电源通过中心抽头的变压器从隔离层的逻辑侧(非隔离侧)变换至隔离侧,信号由高速的光耦合器从隔离的一侧传至另一侧。 4 软件设计 在进行单片机软件程序设计时,使用C语言编写和调试。设计过程中从以下几个方面进行考虑(1）合理利用单片机资源，包括 AM、定时器/计数器以及外扩资源(2）实行结构化、模块化,各功能均由子模块实现（）键盘输入与显示部分的设计本着方便用户的原则,在完成某特定功能时尽可能使操作简单化。 整体上软件程序主要完成信号采集运算、实时监控、显示、通信、参数设定、声光报警等功能,包括主循环程序模块、信号采集
9、和处理模块、实时控制块、采样模块、串行通信程序模块、键盘输入和显示输出模块、声光报警模块等。 4.1主循环程序模块 单片机系统启动后,首先系统初始化,然后进入主循环程序。在主循环程序中,系统不断对一些端口或标志位进行检测或判断,然后根据设定的规则进行控制。在执行主循环程序的过程中，当出现中断,程序转入到中断处理子程序,执行完中断处理,则程序返回主循环程序；当检测某标志量的状态发生变化时,程序跳入到相应子程序,子程序执行完后,程序返回主程序继续往下执行。主循环程序模块包括各变量初始化子程序、看门狗复位子程序和显示子程序等。 42采样模块 进行采样时,根据选择开关选择传感器的类型,对每个传感器采样十次,平滑滤波后将实际的采样值最终作为显示和驱动用。 3 串行通信程序模块分布式控制网络系统的核心部分就是数据通信,它的成功与否往往制约着系统的成功与失败。本通信程序设计采用主从方式,流程图如图所示。图4 下位机通信软件设计流程图 .4 声光报警模块 主要实现异常情况下控制告警信号输出。如当室内温度升高到某一点时,或湿度低于某一规定值时或通信失败等情况下,音频报警装置会发出不同频率的告警信号,同时相应的指示灯亮(点亮报警指示灯的任务由显示子程序来完成),以引起工作人员的注意。
