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基于單片機的溫室智能控制系統研究

發布時間:2015-11-30 10:39

摘 要:研制了一種單片機控制植物溫室溫度、濕度、光照度和CO2濃度等參量的電路系統,并著重介紹了系統的功能、硬件、軟件和主要特點。

關鍵詞:單片機、植物溫室、控制系統、智能控制
  植物,尤其是珍貴花卉、苗木和反季節蔬菜的生長都需要某種特定的溫度、濕度、光照度和二氧化碳含量等條件,當氣候條件不能滿足上述要求時,它們便生長不良,甚至枯萎、腐爛或死亡。如果對溫室實行智能化控制,使其氣候參數始終處于植物生長所需的最佳狀態,將大幅度提高其產量和品位,帶來較好的經濟效益。目前,我國農業溫室應用智能控制的為數不多,主要是因為這種設備價格昂貴,不適合國情。為此,我們開發一套低成本的植物溫室自動控制系統,該系統能為植物生長提供所需的最佳溫度、濕度、光照度和二氧化碳含量等氣候條件,最適合對我國現有中、低檔普通溫室進行“智能化”改造,符合農民消費水平,適合我國國情。
1、系統的總體結構
  本系統以W77E58單片機為核心,外擴8255可編程接口芯片。由單片機完成數據采集、數據處理及環境氣候參數的調節功能,并可將數據通過RS—232通訊線路傳送給主機(PC機),實現多溫室系統的數據處理、監控和維護功能。控制系統包括傳感器子系統、數據采集子系統、信息處理子系統和執行子系統四部分。
1.1 傳感器子系統
  傳感器子系統的作用是將氣候參數轉換成電壓參數,它是監控系統的主要信息來源,關系到整個系統的檢測、數據分析和控制的可靠性與準確性。主要包括土壤濕度傳感器、葉面濕度傳感器、空氣溫濕度一體化傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器。由于溫室大棚一般面積較大,傳感器屬定點使用的儀表,所以各類傳感器的使用數量較多。
1.2 數據采集子系統
  主要完成對傳感器子系統傳來的信號進行信號變換、A/D轉換和采樣以及通道選擇等。
1.3 信息處理子系統
  信息處理子系統是整個系統的核心部分,包括環境參數預設置、信號處理和控制三部分。環境參數預設置一方面可以將某一時間范圍內植物生長對溫度、濕度、光照度和CO2濃度的要求進行設置,另一方面可根據農作物不同生長期對溫度、濕度、光照度和CO2濃度的要求進行設置。信號處理實現測量數據與本階段所設定的最佳氣候參數進行比較分析,為控制提供依據。控制部分的作用是向控制電路發出各種相應的控制信號。
1.4 執行子系統
  執行子系統包括通風機、加熱器、水泵、光照調節裝置(遮陽網滾筒機構和補充照明設備)、CO2施放機構等設備,是自動控制系統的執行者。
2、系統的功能
  該系統為滿足植物生長所需的最佳氣候條件,具有以下功能:
2.1檢測與控制溫度的功能
  系統自動檢測溫室內的溫度,當溫度低于某設定值時,自動啟動加熱器加溫,當溫度升至某設定值時自動關閉加熱器;當溫室的溫度高于某設定值時,自動開啟通風窗降溫,當溫度降至某設定值時,自動關閉通風窗。


2.2檢測與控制濕度的功能
  系統自動檢測與控制溫室內空氣濕度、葉面濕度與土壤濕度,采用空氣濕度傳感器檢測空氣濕度,采用葉面濕度傳感器檢測葉面濕度并由單片機控制噴霧水泵調節空氣濕度和葉面濕度。當濕度低于某設定值時,自動啟動噴霧水泵增濕,反之,自動啟動通風窗去濕。采用土壤濕度傳感器檢測土壤的濕度,當濕度低于某設定值時,自動開啟水泵澆水或液體肥料。
2.3檢測與控制光照的功能
  系統自動檢測溫室內植物所受的光照信息,針對陽性、陰性或中性植物所需光照不同的特點,設定相應的光照參數,當光照度高于某設定值時,自動啟動滾筒機構覆蓋黑色的遮蓋網,以遮擋部分陽光來接近或達到光照度的要求,反之,揭去遮陽網。若某植物須延長光照時間,還可在夜間進行定時頂光照射。
3、硬件系統
3.1硬件整體結構
  系統硬件整體結構框圖如圖1所示。


  圖1 系統硬件框圖
  由圖所示,系統以單片機W77E58為控制的核心部件,單片機分別接收與處理溫度、濕度、光照和CO2傳感器傳送來的信息,所發出的控制信號分別控制輸出電路中的直流繼電器M1~ M6 。由于M1~ M6的觸點J1 ~J6都分別接入執行機構中各交流接觸器線圈回路中,因此觸點的動作可分別控制遮陽網滾筒結構、發熱體、通風窗、澆水泵、噴霧泵和CO2施放機構等輸出設備的運行。
3.2 單片機W77E58接口原理圖
  單片機W77E58接口原理如圖3所示。溫度、濕度、光照度和CO2等傳感器所檢測的信號從W77E58的引腳P1.0~P1.5輸入,控制信號從引腳P2.0~P2.5輸出。引腳P0.0~P0.7接外擴可編程接口芯片8255,引腳P3.2~P3.4接模擬開關,引腳P3.0~P3.1接RS-232數據接口。W77E58單片機的串行接口通過MAX232接口芯片完成電平轉換(TTL/RS232),按照一定的通信協議與PC機串行通信,進行多溫室的聯網控制,這樣可根據各溫室所種植物的不同種類和不同生長期,實現各不相同的氣候特點,真正做到分散采集數據,集中操作管理

 
  
圖2  單片機W77E58接口原理圖
  
4、系統軟件設計
  單片機通過依次查詢P1.0~P1.5獲得的輸入信號,并將控制信號從P2.0~P2.5 引腳輸出,程序設計采用模塊化結構,源程序用匯編語言編寫。源程序主要包括主程序、輸出處理子程序和2分鐘延時子程序。延時子程序用于解決溫室噴霧后的一段時間內空氣水霧影響空氣濕度正常檢測的問題,
5、系統主要特點
  本系統具有以下特點:(1)信號檢測的多元化和連續化。檢測信號為溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等多種不同類型的信號,并且同一類型的信號又有若干個檢測點。系統對植物溫室內多種環境參數信息的檢測是一個動態的連續過程,由于外界氣候環境的變化具有很大的隨機性,要實時保持大棚內環境氣候的相對穩定性,必須對它進行連續監控。(2)數據采集與處理的實時化。為了保證實時地檢測大棚內環境的變化,數據采集與處理要滿足一定的時間限制,以便能實時做出處理,抵御意外事故的發生。(3)系統大部分功能都由軟件實現,因外圍電路簡單,軟件可隨時修改,所以適應性強,操作人員可以根據溫室內所種植物的習性及生長特點,人為改變環境預置參數,保證植物生長環境最佳。另外,系統設計采用模塊化結構,在不需要改動系統結構的情況下,容易增加新的模塊,使系統的功能容易擴展。(4)控制系統具有簡單、靈活、價廉、實用等特點,可滿足不同用戶的需 要。目前,商丘和全國農民正在大力發展溫室栽培,絕大部分溫室大棚已經安裝有通風、加熱、噴淋等設備,只需添加我們"" 自動控制系統""中的單片機控制器、環境參數采集傳感器及輸出控制柜,就能把現有中、低檔溫室改裝成一套低成本的""智能溫室"",平均每畝只需一次性投入人民幣1000元左右。經我們在商丘多家溫室大棚的智能化改造證明,反季節農作物產量可比改造前提高50%--100% ,而且大大減少了勞動力的投入,既經濟又實惠,符合廣大農業用戶的銷費水平,符合我國國情。
參考文獻
  [1] 徐淑華等. 單片微型機原理及應用[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業出版社, 1994
  [2] 汪吉鵬.  微機原理及接口技術[M]. 北京:高等教育出版社,2001
基金項目:商丘市科技攻關項目 (200310412).

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