基于单片机的智能温室控制系统的设计

基于单片机的智能温室控制系统的设计

1 引言

设施农业是世界现代农业发展的主要方向之一,我国农业正处于从传统也向高产、优质、高效为目的的现代化农业转化新阶段,设施农业是我国今后比较长的时间内农业发展的一个主要方向。现代大型温室中,室内的温度、湿度、CO2 浓度、营养液养分状况等所有环境因子的监测、传感、调节,都由计算机进行综合管理,实行自动控制。

国内现有的大多数温室系统是从国外引进的, 这些系统一是价格昂贵, 二是存在水土不服的问题。国内在温室的自动控制与智能化方面进行了许多有价值的研究, 但研制的温室环境调控与生产管理设施未完善配套,较多温室环境监测与控制系统硬件与软件依赖国外进口。因此,开发出符合中国国情的自动化温室系统,才是解决问题的关键。

托普物联网研究目标是开发一款基于单片机的温室控制系统,能独立对各个温室模块进行控制。同时也可以和上位机进行通信,接受上位机指令对各个模块进行控制,并把采集的数据传给上位机。

2 系统组成及工作原理

本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等;软件主要完成信号的处理及控制功能等。

图1 智能温室系统结构图

系统原理结构框图如图1所示,它是一个小型的分布式数据采集与控制系统,是由单片机为核心的下位机和PC机构成的上位机组成的控制系统其中下位机又由相应的传感器(如温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器等)、模拟量输入输出通道、开关量输出通道所等部分组成。下位机既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储任务,又可接受从上位机送来的控制参数设置,启动增温降温、加湿除湿、遮阳补光等调控设备,从而按不同要求调控温室的微气候环境。上位机将下位机送来的数据,及时在线地用动态数据、曲线的方式显示起来,并储存在相应的数据库中,一般可以保存一个生长季节的数据,对存储起来的数据,按研究需要,进行分析、统计,可显示、打印成表格或曲线或直方图,同时也向下位机传递控制。

3 硬件构成

3.1 系统控制器

控制器是系统的核心,主要用于现场实地检测及控制,完成数据处理。每个控制器都有自己的显示、键盘系统,可以独立于上位机来控制和调整系统的运行状态。显示系统提供系统设备运行参数,系统设备状态等菜单,可以通过操作键盘来调整参数,这样使系统可以脱离PC机运行。由温室内各传感器采集到的数据通过总线传输到上位机,利用其丰富的指令进行数据处理,再通过RS232／RS485转换器传输给下位机和执行机构动作,完成各项控制功能。

3.2 测量模块

测量模块实现了对温室的环境温度、湿度、光照和二氧化碳的测量。测量模块通过传感器把各种环境因子非电量转换为电量,通过信号整理电路把电信号线性化、放大滤波为0V的标准信号,传输至核心控制模块,然后通过A/D 转换器对信号进行模数转换,将数字量送入单片机。

3.2.1 传感器信号检测电路

系统通过各种传感器对温室内的温度、湿度、CO2含量及养分的PH值进行实时数据采集,并将测量结果通过接口送至上位机中,上位机根据控制要求对整个温室进行综合控制。为了增强下位机采集子系统的抗干扰性、简化信号接口,系统优先选用数字输出信号传感器, CO2 浓度、EC 值、PH 值等模拟信号传感器均选用标准4 0mA输出,模拟信号经多路模拟开关选择后送模数转换器转换,转换后的数据以并行方式送单片机处理。

本系统中温度测量采用温度传感器PT100.1实现,该传感器测量精度高、线性度好,测量范围-40-450℃,测量精度为士0.1℃。湿度测量采用湿度传感

HS15W-DL-L实现,测量范围0-100%RH。测量精度为士3%RH。光照测量采用光电池实现,测量范围0-100光照单位,测量精度为士3光照单位。二氧化碳测量采用二氧化碳传感器GS-160 实现,该传感器测量精度高、线性度好,测量范围 0-l00PPM,测量精度为士3PPM。

3.2.2 A/D转换

由于单片机只能处理数字信号,所以由传感器采集的温室内光照、温度、湿度、PH、EC 等模拟量,需要经过 A/D 转换,才可输入单片机。A/D 转换电路种类很多,在选择 A/D 转换器时,主要考虑以下技术指标:转换时间和转换频率、量化

误差与分辨率、转换精度、接口形式等。对于本控制器,选择的A/D转换芯片为TLC1543。连接图如图2 所示,在本设计中TLC1543 主要用来采集温室内的温度、湿度、热水的进出口温度、以及天窗、侧窗开启的角度。

图2 TLC1543的连接

3.3 通信模块

由于系统要求控制器不仅能够独立工作,而且能够与上位机进行必要的数据传输,所以需要进行通信接口电路设计。当PC机与下位单片机距离介于 20m 到

2Km 之间时,不能直接采用 RS-232,可采用RS-485。在本控制系统中,采用RS-485 总线来实现上位机与下位机之间的通信。485总线构成的分布式控制系统框架如图3所示。

图3 分布式控制系统框图

一般PC 机只有RS-232 接口,若实现RS-485 标准接口通信必需采用

RS-232/485 转换器。本系统使用的MAX1480B 是一种完全电气隔离RS232/RS485 数据通信接口,在一个标准的DIP封装中有完整的接口,包括收器、光耦合器和变压器,逻辑侧的单电源+5V给接口两侧供电。信号与电源在内部跨过隔离层进行传送,电源通过中心抽头的变压器从隔离层的逻辑侧(非隔离侧)变换至隔离侧,信号由高速的光耦合器从隔离的一侧传至另一侧。

4 软件设计

在进行单片机软件程序设计时,使用C语言编写和调试。设计过程中从以下几个方面进行考虑（1）合理利用单片机资源,包括 RAM、定时器／计数器以及外扩资源（2）实行结构化、模块化,各功能均由子模块实现（3）键盘输入与显示部分的设计本着方便用户的原则,在完成某特定功能时尽可能使操作简单化。

整体上软件程序主要完成信号采集运算、实时监控、显示、通信、参数设定、声光报警等功能,包括主循环程序模块、信号采集和处理模块、实时控制块、采样模块、串行通信程序模块、键盘输入和显示输出模块、声光报警模块等。

4.1 主循环程序模块

单片机系统启动后,首先系统初始化,然后进入主循环程序。在主循环程序中,系统不断对一些端口或标志位进行检测或判断,然后根据设定的规则进行控制。在执行主循环程序的过程中,当出现中断,程序转入到中断处理子程序,执行完中断处理,则程序返回主循环程序;当检测某标志量的状态发生变化时,程序跳入到相应子程序,子程序执行完后,程序返回主程序继续往下执行。主循环程序模块包括各变量初始化子程序、看门狗复位子程序和显示子程序等。

4.2 采样模块

进行采样时,根据选择开关选择传感器的类型,对每个传感器采样十次,平滑滤波后将实际的采样值最终作为显示和驱动用。

4.3 串行通信程序模块

分布式控制网络系统的核心部分就是数据通信,它的成功与否往往制约着系统的成功与失败。本通信程序设计采用主从方式,流程图如图4所示。

图4 下位机通信软件设计流程图

4.4 声光报警模块

主要实现异常情况下控制告警信号输出。如当室内温度升高到某一点时,或湿度低于某一规定值时或通信失败等情况下,音频报警装置会发出不同频率的告警信号,同时相应的指示灯亮(点亮报警指示灯的任务由显示子程序来完成),以引起工作人员的注意。