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1、.wd.蔬菜大棚智能控制系统设计方案22目录1前言11.1设计背景及意义11.2 国内外蔬菜大棚控制技术开展概括11.2.1国外蔬菜大棚控制技术概括11.2.2国内蔬菜大棚控制技术概括21.3蔬菜大棚智能控制的类型和开展趋势21.3.1 单片机控制系统31.3.2 基于PLC的蔬菜大棚控制系统31.3.3 基于RS-485的蔬菜大棚现场总线控制模式41.4 课题的提出和研究内容41.4.1 课题的提出41.4.2 研究内容42 蔬菜大棚总体控制方案设计52.1 大棚环境因子分析52.1.1 光照强度因子52.1.2 湿度因子52.1.3 温度因子62.1.4 二氧化碳因子62.2 大棚环境各因
2、子的控制72.2.1 光照控制72.2.2 湿度控制72.2.3 温度控制82.2.4 二氧化碳浓度控制82.3 大棚智能控制的总体设计92.4 传感器应用102.4.1 光照强度传感器102.4.2 湿度传感器112.4.3 二氧化碳传感器112.4.4 温度传感器122.5 A/D转换模块132.6 执行机构的设计143 大棚智能控制电路总体设计173.1 大棚各因子智能控制框图设计173.2大棚各因子智能控制电路设计193.3 AT89S52单片机简介213.4 单片机时钟电路233.5 单片机复位电路233.6人机交互243.6.1 键盘输入电路243.6.2 显示电路243.7串口通
3、讯模块设计254 大棚智能控制的实现264.1 系统的主程序设计264.2 数据采集模块子程序设计274.3 显示模块的子程序设计284.4 按键输入模块子程序设计285 结论与探讨295.1 结论295.2 缺乏与探讨301前言1.1本设计的背景及意义 蔬菜大棚智能控制技术它是综合性非常强的一门技术，它是当代农业生物学技术、环境工程学技术、自动控制技术、计算机网路技术、管理科学技术等多种技术的综合起来的应用，他的主要目的是用来改善环境条件使农作物生长在最正确的环境状态，从而到达调节农作物的产期，并且促使它的生长发育，降低病虫害的发生进而使农作物的质量、产量等得到大幅度提升的目的1。因此，研究
4、开发设计一套适合我国国情、效率高、本钱低、并且具有独立性知识产权的蔬菜大棚智能控制系统非常重要。并且蔬菜大棚智能控制系统与传统蔬菜大棚控制方式相比，现实意义重大。首先，可以实现对农作物生长环境的准确控制，促使农作物生长，提高农作物产量；其次，可以提高蔬菜大棚控制的自动化水平。所以，开发一套功能完善的蔬菜大棚智能控制系统，具有重大的经济效益与社会意义。1.2 国内外蔬菜大棚控制技术开展概括1.2.1国外蔬菜大棚控制技术概括西方一些兴旺国家尤其是欧美开场比拟快的开展蔬菜大棚种植技术，像美国、以色列、加拿大等兴旺国家开场采用仪表采集大棚中的现场信息并根据指标进展控制，根本实现了农业生产的机械化以及自
5、动化。但是当时大棚控制中只是利用到单因子控制技术，即只是对温湿度、光线强度、CO2浓度等环境条件分别进展控制。大棚环境领域的控制技术伴随着计算机技术的开展与应用也在不断的发生变化。美国出现了一种融合了气候调节、农田灌溉与作物的肥料供给的一个整体的一体化的大棚网络管理系统，该系统通过对各种生产管理进展融合然后根据传感器的输入来调节各局部进展执行动作，以到达最经济最有效的手段进展控制大棚。以色列大棚农业采用计算机环境控制系统，具有先进的蔬菜大棚构造及空气温湿度控制系统，配合幕帘、天窗等辅助设备，自动调节光线强度。监控室内的中心计算机与现场控制器相互通信，方便地控制滴灌和微喷灌系统进展灌溉和施肥，可
6、到达80%-90%的水肥利用率。加拿大蔬菜大棚农业使用计算机辅助蔬菜大棚管理软件，对生产过程中采集的数据进展实时的分析处理，降低生产本钱，减少农药使用，提高蔬菜大棚经济效益。总之，国外智能大棚产业开展早，经济效益高，随着微型计算机技术的不断进步，现代智能控制技术、无线网络技术、远程遥测技术以及专家系统技术等在蔬菜大棚的控制与管理上的应用，大大提高了蔬菜大棚控制系统的先进性，并且许多研究者都提出了新的控制思想和控制算法来改善蔬菜大棚系统的控制。以计算机为核心的蔬菜大棚综合环境控制系统，真正迈入了智能化、网络化阶段2。1.2.2国内蔬菜大棚控制技术概括我国的农业开展已有相当长的历史，蔬菜、花卉等农
7、作物的种植栽培技术早在两千年前就已经开场开展了。20世纪30年代，我国北方地区就开场在冬季利用原始的塑料大棚种植蔬菜。但这种蔬菜大棚的光照、温度等环境条件都还不能完全满足喜温作物的生长需求。20世纪80年代，我国农业科研人员在温室环境的控制和管理领域开场应用计算机，对温室中的温度、湿度、光照等环境因子的控制技术进展了研究。1982年，中国农业科学研究院建设了第一个农业系统计算机研究机构，并首次在蔬菜大棚环境的控制中应用计算机系统。蔬菜大棚环境控制系统的研究在我国逐步开展起来。20世纪90年代，根据我国的国情及当时的蔬菜大棚，开场设计适合我国的蔬菜大棚控制系统。先后有中国农机化研究院研制出的新型
8、的温室环境智能控制系统；北京农业大学研制出的小型分布式数据采集控制系统“WJG-1型温室环境监控计算机管理系统”；江苏理工大学研制的智能温室群集散控制系统；中国农业大学设计研制的山东省济宁“大型育苗温室计算机分布式控制系统”等一系列新型的温室控制系统。进入21世纪后，蔬菜大棚环境控制技术在国内又得到了较快的开展。但由于一般采用单片机嵌入式智能控制系统作为控制系统，形成的是单片机系统，所以人机界面很不友好，非专业人员使用困难，难以操作，所以自动控制模式一般处于闲置状态，造成资源的浪费3。 总体上看，我国蔬菜大棚农业的自动化水平及智能化程度与兴旺国家相比，还处于落后水平，并且与兴旺国家相比还存在着
9、较大的差距。因此，我们应该研制出适合我国农业开展的蔬菜大棚智能控制系统，并广泛的推广应用在农业生产中。1.3蔬菜大棚智能控制的类型和开展趋势 蔬菜大棚控制系统从大的角度来讲主要可以分为两个组成局部，即软件系统和硬件装置，软件系统的核心就是控制思想也就是控制算法，硬件装置一般是指蔬菜大棚环境智能控制设备的有机组成。本文主要研究中国蔬菜大棚目前的智能控制类型，这一问题是科学合理地控制蔬菜大棚环境的根基之一。1.3.1 单片机控制系统 目前，蔬菜大棚控制器的构造主要是以单片机为主控板的控制系统。一般以MCS51系列为根基，采用8位CPU，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的。其拓补构造为集中式控制
10、方式如下图。 总的来说该类控制方式的优点是能够全局管理，操作简单，价格低廉，缺点是布线复杂，可靠性差，故障率高；且信号的输入，输出一般为模拟量或开关量，自动化程度低。由于蔬菜大棚控制环境噪声大、环境恶劣，单一的CPU控制系统难以到达预期的控制效果。现在已很少采用这种控制方式。图1单片机控制系统构造框图1.3.2 基于PLC的蔬菜大棚控制系统 基于PLC（可编程逻辑控制器）的蔬菜大棚控制系统是由上位机、PLC、数据采集单元及执行机构组成。PLC主要用于动态、实时监测棚内外环境因子的变化。根据作物生长的要求对参数进展匹配，同时完成与上位机的通信。PLC是一种通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制
11、技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效蔬菜大棚的控制要求。图2 PLC构成的大棚控制系统框图在*某地蔬菜大棚采用计算机和PLC为核心的控制系统，它由气候监控系统、灌溉系统、营养液控制系统等几局部组成。通过运行，到达了较好的效果。另外，PLC不但能完成复杂的逻辑功能，还能完成复杂的运算功能。PLC有各种组态模块功能，通过先进的现场总线技术可实现多台PLC，多个温室的网络化分布式控制。其缺点是投资大，一般都在万元以上，一般农业用户难以承受。 1.3.3 基于RS-485的蔬菜大棚现场总线控制模式RS-485总线属于BITBU
12、S总线，传输距离约为1200m，传输速速达76.8 kbps，多达36个节点并行连网。采用RS-485总线做现场总线，可通过RS-485总线与远端的气象站通讯，来获得棚内外温度、湿度、光照强度、雨量、风速、风向等参量，还可与其他控制器及上位机进展通讯，构成更大范围的大棚环境自动控制系统。RS-485总线是主从节点工作方式，各个现场控制器之间的通讯靠单片机完成，难以实现各节点之间的数据交换。而且RS-485总线是半双工的，在实时性要求较高的场合和多主机通信时有一定难度。但蔬菜大棚控制系统是一个大滞后系统，采样时间较长，对实时性要求不是非常严格。因此采用RS-485总线组成现场总线控制系统是可行的
13、，而且RS-485总线价格低廉，维护方便，便于普及4。1.4 课题的提出和研究内容1.4.1 课题的提出 要实现蔬菜大棚的智能化，它的环境控制将会是关键，蔬菜大棚环境控制技术的应用是建设农业工厂化生产的最有效的手段。但蔬菜大棚环境控制是所有大棚环境控制中最困难的。一般建筑物的环境控制几乎不受阳光影响，而大棚则不然，棚外环境状况对大棚环境控制有着决定性的影响。一般的环境控制多只针对温度、湿度，而蔬菜大棚环境控制则还需要兼顾光照、气流、植物保护、二氧化碳浓度、水量、水温、PH值、溶氧量、营养液系统等。而且蔬菜大棚环境控制的对象种类繁多，都是在生长的生物，不同种类、不同品种的需求大不一样，即便是同一
14、品种，在不同生长阶段的需求也不同，再加上受能源、资金、劳动力、生产资料等资源的限制及市场与天气变化的影响，蔬菜大棚环境控制必须在极有效率的状态下进展。 我国的农业正处于从传统农业向优质、高效、高产为目的的现代农业转化的新阶段。在前面的论述中，作者结合相关资料和实际应用情况，综合比拟了几种智能控制系统的模式，提出了蔬菜大棚智能控制的开展方向。在此根基上，结合自身实际，从蔬菜大棚控制装置的几种开展趋势中选择了基于单片机和RS485的蔬菜大棚现场总线控制模式作为论文的主要研究方向。1.4.2 研究内容本论文的主要研究内容包括：（1） 在分析蔬菜大棚环境及其因子的控制方式的根基上，提出了基于RS-48
15、5总线的，对蔬菜大棚环境的光照强度，湿度，温度，二氧化碳浓度等四大因子进展智能控制的总体设计方案。（2） 分析蔬菜大棚环境下测量光照强度，湿度，温度二氧化碳浓度等参数的传感器和A/D转换模块的工作原理，选择适宜的器件组成系统。（3） 根据蔬菜大棚智能控制的总体设计方案，选择适宜的传感器，控制输出机构，通讯模块等，设计适宜的系统电路，研制蔬菜大棚智能控制，实现蔬菜大棚各因子的设定、实现和调控等。2 蔬菜大棚总体控制方案设计 在绪论中我们分析了蔬菜大棚智能控制系统的开展状况，指明了我们的研究方向，本章中我们将在分析大棚环境因子的根基上，提出一个完整的基于RS-485总线的蔬菜大棚智能控制系统设计方案。2.1 大棚环境因子分析 大棚是一个半独立于自然环境的人工设施，一方面其通过相关设施，防止了外界不利天气和气候对农作物生长的影响。另一方面，外界的天气和气候条件又极大的影响着大棚内部环境的控制。外界的大环境和大棚内部的小环境、自然环境和人工环境相互作用。 光照、水分和适宜的温度是植物生长的三要素，而作为人工环境的大棚设施通常为了改善和促进
