温室智能控制系统设计
温室智能控制系统设计
Control System Design of a Intelligent Greenhouse 摘要:温室控制技术是现代农业技术研究的重要内容，通过对温室内外监测数据的分析，结合作物生长发育的规律，控制有关设备，实现对温室要素的调控，达到作物优质、高产、高效的栽培目的。本文通过对温室控制技术的研究，提出一种新的温室智能控制系统的实现方法。该应用系统采用分布式的系统结构方式，以PC机为上位机，完成数据打印、数据处理、参数设置等辅助功能；采用MCS-51单片机为下位机，完成全部控制功能，下位机可脱离上位机独立工作。 关键词:温室； 单片机；传感器； 控制系统
Abstract: The control technology of the greenhouse is the important aspect of the research on modern agriculture. To achieve quality cultivation with high yield and efficiency, the manipulation aim of the greenhouse is realized by controlling some equipment through analyzing the monitoring data of the internal and external of the greenhouse and according to crop growth rule. A new method to realize the intelligent control system of the greenhouse is proposed in the thesis by investigation on the control technology. The system applies distributed system structure: with the help of pc, assistant functions such as the dada processing, the data printing and parameter configuration are completed. The MCS-51 is used as a bottom computer, which can independently run, finishes the entire control task..
Keywords: Greenhouse; SoC; Sensor; Control System 1 引言 近二十年来，随着科学技术的进步，计算机及相关技术飞速发展，应用领域不断拓展。在国内技术水平相对落后的农业领域，计算机技术的应用也从无到有、从少到多有了长足进步；其中温室控制技术及控制系统的应用是较典型的例子。而人工环境的调节控制是温室农业的关键技术之一。日前，国内许多地方都已引进了以色列、荷兰等国家的温室控制系统，并同时在积极的组织力量进行有关关键技术的攻关，设计和制造适合我国国情、具有较高技术水平的温室控制系统。 2 系统功能 本系统是由PC机为上位机，MCS-51单片机作为下位机组成的温室群集散控制系统，系统最多可控制256台下位机，即包含256个子系统。本系统设计为一典型的分布式计算机控制系统，全部控制功能由下位机实现，上位机仅实现辅助功能；因此，子系统可在下位机的控制下，脱离上位机，独立高效的工作。由于上位机与下位机距离较远，某些情况下要求有较高的传输速率，因此系统采用RS485串口实现数据通讯。系统有两种控制方式:自动控制、手动控制；可通过按键进行切换。 3 温室智能控制系统硬件电路设计 3.1 温室智能控制系统框图 ? 图1 温室智能控制系统框图 温室智能控制系统组成如图1所示。
本系统由硬件、软件两部分组成。如图2所示，硬件部分包括10个组成单元，每个组成单元就是一个线路板组件。 ? 图2 系统硬件部分框图 3.2.1 各种传感器 由于要对各种环境要素进行监测，因此传感器是必不可少的，为了便于输出信号长距离传输、减小信号的失真，设计采用两线制4-20mA电流型传感器。个别种类的传感器只有电压信号输出，在当地要进行电压电流转换，以便于传输。 3.2.2 输入转换板 为了防止电气干扰，数字量、开关量、脉冲量，需要进行光电隔离；模拟量也可能受到电气干扰，但对模拟量进行线性隔离，对精度有较大影响，所以本系统对模拟量没有进行隔离，仅采用了过压保护措施。对模拟输入量采用运放组成的跟随器进行阻抗隔离，消除后级输入电阻的影响。 3.2.3 单片机主控板 单片机主控板是硬件系统的核心，主控板对输入信号进行处理，按照一定的算法，输出控制信号；同时控制大屏幕图形点阵式LCD显示模块，实现对子系统各参数及运行状态的监测；存储环境参数的历史数据；实现通过串行通讯板与上位机的通讯。其硬件部分结构框图如图3所示。 ?
图3 主控板硬件部分结构框图 本系统的程序较复杂，因此程序存储器需要较大的空间，系统采用27C256作为程序存储器，27C256是32K×8位ROM。系统采用了两块6264作为数据存储器，其中一块6264专用于存储历史数据，并备有后备电源。另一块数据存储器6264是在程序运行时，实现数据的暂存。系统采用两片ADC0816实现32路模拟量的A/D转换。采用8位三态门控制电路芯片74LS244，作为系统数字量、开关量的输入门。采用8253完成计数，利用DS 12887输出的1K方波启动计数器。采用74LS377锁存器扩展8位并行输出口。由于在强干扰的情况下，程序可能跑飞或进入死循环，因此“看门狗”电路是系统必须的。我们采用美国MAXIM公司的微处理器/单片机系统监控专用芯片MAX705来实现这部分功能。利用8?59中断控制器来实现对多个中断源的管理。采用了一个4-16译码器CD4515实现片选。 3.2.4 串行通讯板 MCS-51单片机串行口输出数据为TTL电平，而计算机串行口数据满足RS232C标准。RS232C电平的数据传输速率及传输距离有限，无法满足系统使用要求，因此必须对电平进行转换。RS485电平的数据传输速率及传输距离指标较高，串行通讯板的作用就是在下位机和上位机之间，实现数据电平在RS485标准和RS232C标准之间的变换。 3.2.5 各种环境控制设备 温室自动控制系统通过启闭各种环境控制设备来实现温室要素的调控。例如在冬季，温度过低，系统通过控制各种设备，如开启锅炉、关闭天窗和侧窗、打开遮阳幕来实现增温，具体措施由主控板确定。 4系统软件部分设计
4.1 上位机软件部分设计 本系统的软件部分包括上位机软件部分和下位机软件部分，其中上位机主程序的编制是在WIN98操作系统下，采用面向对象的可视化工具VB6开发完成的。采用了模块化结构，整个软件由四大主要模块及其它辅助模块组成。四个主要模块即通讯模块、数据库管理模块、参数设置模块、实时监测模块，每个大模块又由多个小模块组成，具体结构框图如图4所示。 ? 图4 上位机软件结构框图 4.2 下位机软件部分设计 由于系统的控制功能主要是下位机完成的，因此下位机的软件编程是系统软件编程的主要部分，本控制系统是采用MCS-51汇编语言进行编程的，使用汇编语言具有编译效率高、执行速度快、基本不占用用户资源的优点。由于程序较大，在具体程序编写中，我们是采用模块化结构，通过子程序调用，分层进行的。 下位机主程序由四大模块组成，即:初始化模块、LCD显示模块、中断模块、控制模块；每个模块是由相应的子模块组成(即第二层)，子模块又可以进行继续细分。下位机软件结构图如图5所示，其中只列出部分第二层、第三层模块。 ? 图5 下位机软件结构框图
5 可靠性设计 用于工业控制场合的系统对可靠性有较高的要求，只有具有较高可靠性的系统才具有实用价值。系统的可靠性包括软件的可靠性和硬件的可靠性。 5.1 硬件可靠性设计 用于工业控制场合的系统对可靠性有较高的要求，只有具有较高可靠性的系统才具有实用价值。系统的可靠性包括软件的可靠性和硬件的可靠性。 单片机硬件系统的抗干扰能力与元器件质量、装配质量等因素都有关系，但其中起决定作用的是设计过程，因此在设计中我们采取了以下抗干扰措施: (1) 采用光电隔离；(2) 采用过压保护电路；(3) 采用抗干扰稳压电源；(4) 采用良好的接地系统。 软件部分可靠性主要通过抗干扰设计实现，其中本系统中的抗干扰设计主要包括以下部分：(1) 采用数字滤波方法来抑制输入通道的干扰；(2) 对数字输出信号处理；(3) 对部分关键控制设备的运行状态进行监测；(4) 采用指令冗余、软件陷阱、“看门狗”等方法避免程序混乱。 6 本文小结与作者创新点 本文通过对温室控制系统有关关键技术的研究，提出一种具有较高实用性和技术水平的温室智能控制系统的设计方法，包括系统总体结构、上位机和下位机的软硬件设计等。本文的研究方向侧重于实用性，目的就是提出一种具有较强实用价值和技术水平的温室智能控制系统。系统使用模糊控制方法，提高了控制的可靠性。采用将输出量对应于一组设备的控制状态的处理方式，简化了程序和操作，使控制易于实现，使系统运行可靠，避免设备控制状态的冲突。 参考文献: dianzi9.cn 陈卫、王定成、毛雪眠，HQ-1型温室智能控制系统[J],电子技术应用,2001.5
李俊,杜尚丰. 智能温室控制器的开发[J]. 微计算机信息, 2006,5-2: P65-66 张迎新等,单片微型计算机原理、应用及接口技术,北京,国防工业出版社,2004.1 于海生等,微型计算机控制技术,北京,清华大学出版社,1999.3 董乔雪,王一鸣.温室计算机分布式自动控制系统开发,农业工程报,2002,18 [6] 吴军辉, 徐立鸿.温室环境集散控制系统中现场控制器的设计与开发,自动化仪表,2001,5:45～4
温室智能控制系统设计.doc
