溫室大棚的智能測控系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、<p><b>　　“智能測控系統(tǒng)”</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題 目 溫室智能測控系統(tǒng) </p><p>　　姓 名 </p><p>　　班 級 機械提高0702班 </p>&l

2、t;p>　　學 號 </p><p>　　考試成績 </p><p><b>　　二〇0〇年十二月</b></p><p><b>　　1、設計背景</b></p><p>　　隨著時代的進步，溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個重要組成部分。

3、現(xiàn)代化農業(yè)生產中的重要一環(huán)就是對農業(yè)生產環(huán)境的一些重要參數(shù)進行檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農業(yè)設施在現(xiàn)代化農業(yè)生產中發(fā)揮著巨大的作用。大棚內的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數(shù)，直接關系到蔬菜和水果的生長。</p><p>　　當今大多數(shù)對大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及由于測控不及時等弊端，容

4、易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達到預期的效果。因此，科學合理地調節(jié)大棚內溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內形成有利于蔬菜，水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質、高效益的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。由于單片機及各種電子器件性價比的迅速提高，使得這種

5、要求變?yōu)榭赡堋?lt;/p><p>　　本文提出了一種以MCS-51系列的8031單片機為控制核心的測控系統(tǒng)，主要是為了對溫室大棚內溫度、濕度進行可靠地檢測與控制而設計的。</p><p><b>　　2、設計要求</b></p><p><b>　?。?）性能要求</b></p><p>　　溫室中不

6、同的作物在不同的生長階段所需的最佳生長溫度不同，但適宜生長溫度通常在10℃~40℃范圍內，所以溫度控制器至少應能實現(xiàn)在10℃~40℃范圍內的控制，且能讓人通過控制面板任意設定，最后控制溫度誤差應不大于±1℃。作物在不同時期所需的濕度也不同，濕度應能在10~90%范圍內由人工任意設定，最后控制濕度誤差應不大于±5%?？紤]到CO2雖然對作物生長有影響，但是CO2發(fā)生器及CO2濃度測量設備較貴，且一般條件下CO2濃度都遠低

7、于最佳水平，溫室中CO2濃度在可能情況下盡量大即可，所以在此不對CO2濃度進行調節(jié)。</p><p>　　如果出現(xiàn)故障導致溫室內溫、濕度長時間偏離設定值超過一定界限，或者設定值超出允許范圍，應該通過蜂鳴器或者指示燈報警。</p><p>　　測控系統(tǒng)應帶有顯示設備，用來實時顯示溫室內的溫度、濕度數(shù)值以及設定的溫度、濕度數(shù)值。還應有輸入設備，用來進行設定溫度、濕度值，校零等操作。</p

8、><p><b>　?。?）主要技術參數(shù)</b></p><p>　　根據系統(tǒng)的性能要求，并保留一定的余量，取溫度傳感器量程0℃~50℃，精度小于±1℃。濕度傳感器量程10~90%，精度小于±5%。</p><p><b>　　3、總體方案設計</b></p><p><b&g

9、t;　　（1）設計思想</b></p><p>　　溫室智能測控系統(tǒng)能監(jiān)測溫室的溫、濕度，并根據溫室環(huán)境實現(xiàn)自動溫濕度調節(jié)。操作人員通過輸入設備鍵盤設定溫度、濕度數(shù)值，傳感器分布在溫室內多個位置，對溫室環(huán)境進行多點實時動態(tài)采集，經過A/D轉換，送入單片機處理，驅動執(zhí)行裝置，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動智能調節(jié)。顯示裝置實時顯示溫室內的溫度、濕度數(shù)值，當溫度、濕度偏差超出一定限度一定時間，發(fā)出報警。其中執(zhí)行裝

10、置為調節(jié)溫度、濕度的裝置。</p><p>　　目前，溫室內溫度的調節(jié)和控制包括加溫、降溫和保溫三個方面。加溫有熱風采暖系統(tǒng)、熱水采暖系統(tǒng)、土壤加溫三種形式。降溫最簡單的途徑是通風，但在溫度過高，依靠自然通風不能滿足作物的要求時，必須進行人工強制降溫。降溫包括遮光降溫法、屋面流水降溫法、蒸發(fā)冷卻法及強制通風法。保溫包括減少貫流放熱和通風換氣量、增大保溫比、增大地表熱流量?？諝鉂穸鹊恼{控，主要是防止作物沾濕和降低空

11、氣濕度兩個直接目的。除濕的方法有通風換氣、加溫除濕、適當?shù)乜刂乒嗨俊⑹褂贸凉裥蜔峤粨Q通風裝置。加濕的方法包括噴霧加濕、濕簾加濕、溫室內頂部安裝噴霧系統(tǒng)。</p><p>　　本系統(tǒng)分別采用熱風采暖系統(tǒng)、通風降溫除濕和噴霧加濕的方法。當濕度低于設定值即打開滴灌電磁閥進行噴水，當濕度與設定值的偏差滿足要求時即關閉電磁閥；當溫度高于設定值一定幅度或濕度高于設定值一定幅度時，單片機控制風扇進行排風；當溫度低于設定值一定

12、幅度時，單片機控制電熱絲進行加熱。所以，溫室智能測控系統(tǒng)的執(zhí)行裝置是風扇、電熱絲和滴灌電磁閥。</p><p><b>　?。?）總體方案</b></p><p><b>　?、傧到y(tǒng)結構框圖</b></p><p><b>　?、谙到y(tǒng)工作流程</b></p><p>　　傳感器

13、測量現(xiàn)場濕度、溫度，并將濕度溫度轉換成模擬電信號，經過調理電路進行放大、濾波處理，消除噪聲干擾信號，最后由A/D轉換器將處理過的模擬信號轉換成數(shù)字信號，并輸出到單片機接口。</p><p>　　單片機讀取A/D轉換器轉換好的溫度、濕度數(shù)字信號信息，以及操作人員通過鍵盤設定的溫度、濕度數(shù)值，然后根據設定值以及設計好的算法進行輸出控制。</p><p>　　輸出控制信號經過功率放大器的處理，控

14、制電熱絲、風扇以及滴灌電磁閥的工作。同時，單片機實時輸出溫室的溫度、濕度信息到顯示模塊，便于工作人員觀察、操作。如果出現(xiàn)長時間檢測到的溫度或者濕度數(shù)值與設定值偏差超過一定界限，或者設置超限，則輸出控制報警器報警。</p><p><b>　　（3）主要功能模塊</b></p><p>　　整個溫室測控系統(tǒng)主要由五個模塊組成，分別為核心控制模塊，信號采集模塊，功率控制模

15、塊，鍵盤輸入模塊以及顯示報警模塊。</p><p>　　核心控制模塊由8031單片機及外圍必備部件組成，完成數(shù)據處理的功能。信號采集模塊由分布在溫室各處的溫度傳感器、濕度傳感器以及相應的調理電路、放大電路還有A/D轉換器組成。功率控制模塊由功率放大電路以及風扇、電熱絲、滴灌電磁閥等執(zhí)行裝置組成。鍵盤輸入模塊由鍵盤及相應的輸入接口組成。顯示報警模塊由LED數(shù)碼管、蜂鳴器、指示燈以及相應的輸出電路組成。</p&

16、gt;<p>　　4、主要功能模塊的詳細設計</p><p><b>　　（1）核心控制模塊</b></p><p>　　該模塊采用8031單片機實現(xiàn)數(shù)據處理、控制輸出的功能。8031單片機按照預先設定好的算法對信號采集模塊輸入的溫度、濕度數(shù)字量進行處理，輸出控制信號到功率控制模塊，實現(xiàn)對溫室內溫度、濕度的調節(jié)。同時，也輸出信號實時顯示溫度、濕度數(shù)值，并

17、按照程序在一定條件下報警，使系統(tǒng)更加人性化。</p><p>　　8031單片機連接電路：</p><p>　　由于8031單片機沒有片內存儲器，使用2732A片外4KB EPROM擴展片外存儲器，地址鎖存器采用74LS373。如圖所示，鎖存器三態(tài)控制端OE接地，373輸出常通，G端與ALE相連，每當ALE下跳變時，373鎖存低8位地址A0.0~A0.7并輸出。2732是4KB EPROM

18、，有12根地址線A0~A11分別與373的Q0~Q7（即A0.0~A0.7）和P2.0~P2.3相連，系統(tǒng)中只擴展了一片EPROM，故2732的片選端CE接地，即該片總是被選中。當8031發(fā)出16位地址時，其中A0~A11就可選中2732片內的4KB存儲器中某個單元。單片機的PSEN與2732的OE/VPP相連，當PSEN有效時，把2732A中的指令或數(shù)據送入P0口數(shù)據線。</p><p>　　鎖存器及片外存儲器

19、連接電路：</p><p><b>　?。?）信號采集模塊</b></p><p>　　該模塊由分布在溫室各處的溫度傳感器、濕度傳感器以及相應的調理電路、放大電路還有A/D轉換器組成。傳感器測量現(xiàn)場濕度、溫度，并將濕度、溫度轉換成模擬電信號，經過調理電路進行放大、濾波處理，消除噪聲干擾信號，最后由A/D轉換器將處理過的模擬信號轉換成數(shù)字信號，并輸出到單片機接口。濕度信

20、號是直接得到方波信號，無須A/D轉換通過單片機處理得到濕度數(shù)值。</p><p>　　考慮到溫室內系統(tǒng)慣性大，溫度、濕度變化緩慢，故不采用采樣保持器。</p><p>　　溫度輸入硬件電路設計</p><p>　　溫度傳感器選用AD590。AD590是美國ANALO G DEV ICES 公司的單片集成兩端感溫電流源。主要特性如下：</p><p

21、>　　1)流過器件的電流(μA) 等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度(開爾文) 度數(shù)：</p><p>　　Ir/T=1uA/K</p><p>　　式中，Ir—流過器件(AD590) 的電流，單位為μA；T—熱力學溫度，單位為K；</p><p>　　2）AD590的測溫范圍為- 55℃~+150℃；</p><p>　　3）AD590的電

22、源電壓范圍為4～30 V，可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞；</p><p>　　4） 輸出電阻為710 mΩ；</p><p>　　5）精度高，AD590在- 55℃~+150℃范圍內，非線性誤差僅為±0.3℃。</p><p>　　由于溫室大棚較大，在溫室內分布設置8個，分布式采樣后送到單片機進行處理，提高數(shù)據精

23、度，能更好的反應溫室溫度信息。溫度測量電路采用現(xiàn)有的設計電路，下圖為從參考文獻中摘錄的一種AD590溫度測量電路。</p><p>　　電路輸出為電壓信號，需要經過進一步A/D轉換。</p><p>　　該系統(tǒng)最大精度為1%，故選用分辨力為8位的A/D芯片，由于系統(tǒng)對實時性要求不高，故A/D轉換采用ADC0809。ADC0809的輸入即為各傳感器信號經溫度測量電路變換后的的輸出電壓信號。A

24、DC0809主要特性：</p><p>　　1）8路輸入通道，8位A／D轉換器，即分辨率為8位。</p><p>　　2）具有轉換起?？刂贫恕?lt;/p><p>　　3）轉換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）　</p><p>　　4）單個＋5V電源供電</p><p>　　5）

25、模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準。</p><p>　　6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度</p><p>　　7）低功耗，約15mW。</p><p>　　相應的溫度測量分辨率為</p><p><b>　　符合要求。</b></p><p>　　下圖為ADC0809連接電路

26、圖。如圖所示，ADC0809的8路輸入UT0~UT7分別對應8個傳感器的變換后輸出電壓，參考電壓分別為5V和0V。ADC0809內部沒有時鐘脈沖，利用單片機的ALE信號經D觸發(fā)器二分頻后，作為時鐘輸入。地址選通端ADDA、ADDB、ADDC分別與鎖存器LS373的的Q0、Q1、Q2連接，即對應單片機P0.0~P0.3，用于選通IN0~IN7之一。EOC信號與P1.0相連，供8031檢查A/D轉換是否完成。OE、START以及ALE由P2

27、.7控制，且P2.7低電平有效。故ADC0809的地址為7FF8H~7FFFH（其中P0.3~P2.4任意）。</p><p>　　ADC0809連接電路：</p><p>　　濕度輸入硬件電路設計</p><p>　　濕度傳感器采用 HS1101。 HS1101是基于獨特工藝設計的電容元件，固態(tài)聚合物結構， 精度高達±2％RH；極好的

28、線性輸出；1～99％RH濕度量程；一40～100"C的溫度工作范圍，響應時間5秒；濕度輸出受溫度影響極小，防腐蝕性氣體；常溫使用無需溫度補償，無需 校準；電容與濕度變化0.34pf/％RH；典型值180pf@55％RH；長期穩(wěn)定性及可靠性；年漂移量0.5％RH/年 。符合系統(tǒng)要求。</p><p>　　由于氣體分子運動很快，溫室內部各處濕度相差不大，故溫室中只采用一個濕度傳感器。濕度測量電路采用現(xiàn)有的設

29、計電路。</p><p>　　下圖為摘錄的一種經典 HS1101濕度測量電路。如圖所示，將HS1101接入555定時器組成的振蕩器電路，輸出一定頻率的方波信號。信號輸出端接8031的定時計數(shù)器T0，通過檢測信號頻率可以計算出HS1101的電容值，進而可求得濕度值，通過程序設計可對濕度進行溫度補償，用來抵消溫度變化帶來絕對濕度的誤差，得到更加精確的相對濕度數(shù)值，從而使控制更加精確。</p>

30、<p><b>　?。?）功率控制模塊</b></p><p>　　溫室內部系統(tǒng)慣性大，被控量溫度、濕度變化比較緩慢，控制響應實時性要求不高，故采用開關量輸出通道。單片機根據輸入信號經運算處理后輸出控制信號，控制信號經8255鎖存，再經過輸出驅動器放大信號，驅動執(zhí)行機構動作。在該系統(tǒng)中驅動的執(zhí)行機構包括風扇、電熱絲和滴灌電磁閥。由于執(zhí)行機構功率較大，這里不采用直接放大，而是利用光耦

31、隔離控制。</p><p>　　光耦選用TLP521-4，其提供了4個孤立的光耦中16引腳塑料DIP封裝，集電極-發(fā)射極電壓55Ｖ，隔離電壓2500 V（最?。?。執(zhí)行機構的開關采用西德公司生產的交流固態(tài)繼電器(圖中SSR所示)。固態(tài)繼電器的主要參數(shù)如下： </p><p>　　1)驅動功率小，光電隔離的輸入驅動電流僅需要lOmA左右，便于與TTL和CMOS等數(shù)字集成電路連接，無需另外加接口

32、電路。 </p><p>　　2)無觸點，無動作噪音，無火花干擾，開關速度快，可靠性高。</p><p>　　3)應用范圍廣。交流：大功率1～40A，電網電壓110～380V。直流：電流1～5A，負載電壓3～50V。 </p><p>　　4)對電源電壓適應能力強，一般低于電源電壓20％仍能正常工作。承受浪涌電流大，一般能達到額定值的6～10倍。 </p>

33、;<p>　　5)絕緣耐壓高，輸入與輸出間的絕緣耐壓可達2.5kV以上。 </p><p>　　6)與普通繼電器相比，固態(tài)繼電器沒有輔助觸點。</p><p>　　如圖所示，8255A片選信號CS接P2.6，且P2.6低電平有效，即8255A的地址為BFFCH~BFFFH（其中P0.2~P2.4任意）。8255A輸出信號經功率控制電路作用于固態(tài)繼電器SSR，間接控制風扇、電熱

34、絲和滴灌電磁閥的接通和斷開。其中PB0、PB1控制兩個電熱絲，PB2、PB3控制兩個風扇，PB4、PB5控制兩個滴灌電磁閥。該8255A的B口地址為BFFDH，此即控制執(zhí)行機構的地址。</p><p><b>　　8255A連接電路</b></p><p><b>　　功率控制電路：</b></p><p><b&g

35、t;　?。?）鍵盤輸入模塊</b></p><p>　　該模塊是人機交互的接口，由鍵盤及接口電路組成，用于將操作人員的要求傳達給控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)用到的按鍵較少，采用獨立連接式非編碼鍵盤。</p><p>　　操作面板由8個按鍵，如圖所示。在正常工作的過程中，按“Edit”鍵開始設定數(shù)值，按“T”設置溫度，從最低位開始，“+”表示該位加1，“-”表示該位減1，最低位設置好后，

36、按“<”向左移一位，設置左側的一位，以此類推。當設置到最高位后，再按“<”則回到最低位，溫度設置完成后，按“Enter”。再按“H”設置濕度，方法同上。全部設置完成后，按“Done”退出設置模式，系統(tǒng)繼續(xù)運行。</p><p>　　鍵盤按鍵連接在功率控制模塊中所提到的8255A上，8個按鍵分別連接PA0~PA7。該8255A的A口地址為BFFCH，此即鍵盤的地址。</p><p&g

37、t;<b>　　鍵盤控制面板如下：</b></p><p><b>　　鍵盤連接電路</b></p><p><b>　?。?）顯示報警模塊</b></p><p>　　該模塊也是人機交互的接口，如果出現(xiàn)長時間檢測到的溫度或者濕度數(shù)值與設定值偏差超過一定界限，或者設置超限，則輸出控制報警器報警。該模塊

38、由6個數(shù)碼管、一個蜂鳴器和一個LED及相應的接口電路組成。</p><p>　　數(shù)碼管中的3個顯示實測值，另外3個顯示設定值，溫度與濕度數(shù)值交替顯示。報警采用蜂鳴器加LED，單片機的P1.1控制蜂鳴器，P1.2控制LED，連接電路如下圖所示。</p><p>　　6個數(shù)碼管是共陰極的，由另一個8255A控制。該8255A其片選信號CS接P2.5，且P2.5低電平有效，即8255A的地址為D

39、FFCH~DFFFH（其中P0.2~P2.4任意）。8255A的A口地址為DFFCH，A0~A5經反向驅動器7406后接6個數(shù)碼管的片選端作為選通信號。8255A的B口地址為DFFDH，B0~B7經同向驅動器7407后接數(shù)碼管的各個陽極。連接電路見附圖“溫度、濕度實時顯示電路”。</p><p>　　5.硬件、軟件調試要點</p><p>　　軟件調試采用各個模塊子程序分別調試，最后作為一

40、個完整的程序再進行測試。初始化子程序，可以設置一個循環(huán)單獨運行，觀察運行結果是否和預期一致，包括數(shù)碼管的顯示、驅動執(zhí)行裝置的輸出信號，進行調試。中斷子程序也可單獨運行，輸入一已知頻率的方波信號，觀察運行結果，進行調試。按鍵參數(shù)設置子程序，單獨運行，進行按鍵組合，觀察數(shù)碼管顯示情況，進行調試。去除所有子程序，單獨運行溫度控制的程序，觀察輸出情況，進行調試。分別設定溫濕度的設定值和測量值，并使兩者有較大偏差，觀察報警模塊能否正常工作，進行調

41、試。</p><p>　　硬件分模塊配合軟件進行調試。單片機等外圍設備可通過檢查電路的方法調試。溫度測量電路連接完成后，用冰水混合物和25度進行校正調試。濕度測量電路連接完成后可連接示波器觀察波形，進行調試。功率控制模塊電路先不通電，測量各段電阻是否正常，然后通電調試。鍵盤輸入模塊配合程序，觀察各個按鍵效果。顯示報警模塊，可用跑馬燈程序調試數(shù)碼管硬件電路，然后給P1.1、P1.2輸出控制信號觀察蜂鳴器和LED報警

42、器的工作情況。</p><p>　　軟件流程圖如下，其中的T1中斷程序即為濕度測量控制子程序。</p><p><b>　　6.總結</b></p><p>　　課程介紹的是與工程結合比較緊密的測控系統(tǒng)設計，且課程中貫穿奶粉包裝的測控系統(tǒng)設計實例，使課程更加生動容易理解。通過制作課程設計，加深了對課程的理解，進一步鞏固了所學知識。從查論文、搜專

43、利、看產品，到需求分析，總體設計，以及詳細的模塊設計、電路設計，再到軟件流程圖設計、繪制電路圖，把半個學期的課程回顧了一遍，也把單片機的知識聯(lián)系起來了，這讓我對測控系統(tǒng)的設計也有了更加深刻的了解，相信再遇到這種問題雖不能說游刃有余，但至少不會手足無措。</p><p><b>　　7.參考文獻</b></p><p>　　孫傳友，測控系統(tǒng)原理與設計，北京 : 北京航空

44、航天大學出版社，2002</p><p>　　胡乾斌，單片微型計算機原理與應用，華中科技大學出版社，2006 -2</p><p>　　于海生，微型計算機控制技術，清華大學出版社，1999</p><p>　　王敏，溫室大棚溫濕度、二氧化碳測控系統(tǒng)的研究，西安理工大學，200703</p><p>　　楊彬，溫室溫、濕度智能控制系統(tǒng)的研究，甘

45、肅農業(yè)大學，200606</p><p>　　劉金，日光溫室智能測控系統(tǒng)，山東大學，200504</p><p>　　匡盈春，簡易型溫室溫濕度控制器設計，湖南農業(yè)大學學報，2009.8</p><p>　　馬千洲，一種溫濕自動控制器，200720037542.1</p><p>　　于春勇，溫室大棚自動控制系統(tǒng)，200810011065.0&

46、lt;/p><p><b>　　8.課程建議</b></p><p>　　課程中貫穿奶粉包裝實例的教學方法很好，但是課堂上有些問題講的太快，比如傳感器選型，上網一看那么多傳感器，很多都能滿足要求，價錢也差不多，無從下手，最后只好根據課堂講解選擇最常用的一種，不清楚工程實際中是不是也都這樣選擇的。還有PID控制算法，可謂是控制中的經典算法，《工程控制》中提到過，《計算機控制