溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0系統(tǒng)的主要功能為了實(shí)時檢測和顯示溫室內(nèi)的二氧化碳濃度，并為作物提供良好的生長環(huán)境，作者設(shè)計(jì)了自動監(jiān)測co2濃度的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要具有如下功能:測量并記錄當(dāng)前的環(huán)境因子;采用4位LED顯示數(shù)碼管,實(shí)時顯示當(dāng)前測量值;當(dāng)采集到的當(dāng)前值高于上限值或低于下限值時,能夠?qū)崿F(xiàn)超限聲光報(bào)警;當(dāng)測量值低于或高于適宜值時,輸出相應(yīng)的開關(guān)量控制信號;與計(jì)算機(jī)串口通信,提供人機(jī)對話界面,可以在計(jì)算機(jī)上顯示當(dāng)前的采集值,并可隨時修改數(shù)據(jù),設(shè)置高、低閾值。1pc機(jī)、上位機(jī)系統(tǒng)有兩項(xiàng)任務(wù):一是要實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境因子的實(shí)時采集;二是要實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。該系統(tǒng)采用“上位機(jī)+下位機(jī)”控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示。PC機(jī)(上位機(jī))用作系統(tǒng)監(jiān)控中心和用戶操作平臺,單片機(jī)控制器(下位機(jī))負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)及輸出信號對設(shè)備進(jìn)行控制。單片機(jī)通過RS232通信協(xié)議與上位PC機(jī)進(jìn)行串口通信,系統(tǒng)既可以由單片機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立完成溫室環(huán)境信息的采集、處理和顯示,也可以由PC機(jī)完成監(jiān)控工作。系統(tǒng)的硬件部分主要由單片機(jī)控制模塊、CO2濃度檢測模塊、控制輸出模塊、串口通信模塊4個部分組成。1.1顯示電路的設(shè)計(jì)該模塊用來接收CO2濃度檢測模塊發(fā)出的數(shù)據(jù),并根據(jù)要求,命令控制模塊執(zhí)行動作。單片機(jī)中心控制模塊采用了8051系列CPU外圍芯片,包括程序存儲器(E2PROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、輸入輸出口(I/O)、LED顯示電路的擴(kuò)展,報(bào)警電路,復(fù)位電路等。其中,程序存儲器是用來存儲系統(tǒng)所有的程序代碼;數(shù)據(jù)存儲器是用來存儲系統(tǒng)運(yùn)行時要調(diào)用的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)實(shí)時檢測到的數(shù)據(jù);LED顯示電路配置了4個發(fā)光二極管,用來動態(tài)顯示數(shù)據(jù),顯示方式為xxxx,顯示范圍為0～3000㎎/㎏。系統(tǒng)采用聲光報(bào)警電路,當(dāng)環(huán)境因子(CO2濃度)超出設(shè)置的上限或下限參數(shù)時,響鈴亮燈,以提醒工作人員注意;系統(tǒng)還采用兩只發(fā)光二極管分別代表超上限和超下限,并用1只蜂鳴器來產(chǎn)生聲音報(bào)警。1.2d.2傳感器該模塊由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器電路構(gòu)成,負(fù)責(zé)實(shí)時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。其中,CO2濃度傳感器選用AM-4。AM-4是一種固體電可測型氣體傳感器,可測CO2濃度范圍為0～3000㎎/㎏,其工作電壓為DC5.0V±0.2,輸出0～3V的電壓信號,且輸出量與CO2濃度值呈線性關(guān)系為1mV/1(㎎·㎏-1),測量誤差為±5%,基本符合溫室大棚內(nèi)的測量要求。傳感器的任務(wù)是獲取當(dāng)前濃度值,但獲取的是模擬信號,此模擬信號必須經(jīng)由前向通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(通過由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809來實(shí)現(xiàn))。轉(zhuǎn)換器0809內(nèi)部含有的8選1多路選擇開關(guān)分別對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷分析,并對偏差及其變化率按模糊控制理論進(jìn)行分析運(yùn)算后再輸出。1.3酶活劑用量對溫室蔬菜生長的影響控制電路是外部控制設(shè)備的自動開關(guān),本設(shè)計(jì)采用二氧化碳發(fā)生器。CO2是植物光合作用的主要碳源,適宜的二氧化碳濃度可以增加植物的光合作用,從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。一般認(rèn)為,不同植物在生長期對CO2濃度的要求不同,同一植物的不同生長期對CO2濃度的要求也不同。因此,及時、準(zhǔn)確地了解溫室內(nèi)的CO2濃度是保證溫室蔬菜高質(zhì)、快速生長的前提條件。該模塊根據(jù)事先設(shè)定的室內(nèi)CO2濃度適宜值范圍,輸出不同的濃度值。當(dāng)檢測的實(shí)際濃度超出設(shè)置的適宜值范圍時,自動打開或者關(guān)閉控制設(shè)備,從而調(diào)節(jié)相應(yīng)的環(huán)境因子。實(shí)現(xiàn)該模塊的電路如圖2所示。1.4電平轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與微機(jī)之間的串口通信。采集的數(shù)據(jù)可以上傳給計(jì)算機(jī)保存,也可以通過計(jì)算機(jī)來設(shè)置適宜的濃度值范圍;當(dāng)前采集的實(shí)時數(shù)據(jù)既可以用單片機(jī)系統(tǒng)的LED顯示,又可以在計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面上顯示出來。由于8051單片機(jī)輸入、輸出電平為TTL電平,而IBM-PC系列機(jī)配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口,而二者的電氣規(guī)范不一致,因此要完成PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。IBM-PC機(jī)與8051單片機(jī)通訊時經(jīng)RSC-22C接口的電平轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)和PC機(jī)兩個部分。其中,單片機(jī)程序利用C51編制,PC機(jī)程序利用C++編制?？紤]到系統(tǒng)的功能,系統(tǒng)軟件包括以下模塊:一是濃度采樣;二是數(shù)字濾波;三是物理量標(biāo)度轉(zhuǎn)換;四是BCD碼轉(zhuǎn)換;五是濃度掃描顯示;六是模糊控制算法;七是超限報(bào)警和處理;八是串口通訊等等。通常,符合上述功能的控制程序由主程序和T0中斷服務(wù)程序組成。程序流程如圖4所示。3通訊口及報(bào)警為了方便書面說明,筆者以人機(jī)界面為入口,來說明系統(tǒng)的工作過程。圖2中的窗口是人機(jī)對話的全部內(nèi)容,包括通訊參數(shù)欄、當(dāng)前狀態(tài)欄、告警范圍欄。其中,通訊口的選擇、波特率的選擇、低報(bào)警值及高報(bào)警值的設(shè)置均為輸入部分;當(dāng)前采樣值、通訊狀態(tài)、系統(tǒng)板上的報(bào)警聲和發(fā)光二極管為輸出部分。圖5中實(shí)例表示,當(dāng)前設(shè)置的適宜濃度值為800～2500mg/kg,而采集的實(shí)時濃度值顯示392mg/kg,表明當(dāng)前實(shí)際二氧化碳濃度是正常的。4向智能化溫室控制接口溫室內(nèi)CO2濃度自動監(jiān)控系統(tǒng)能測量、