1、基于单片机温室大棚环境控制系统设计与应用教材基于单片机温室大棚环境控制系统设计与应用摘要：目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器,多路模拟开关及A/D转换器等组成的传输系统。这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆,才能把现场传感器的信号送到采集卡上,安装和拆卸繁杂,成本也高。同时线路上传送的是模拟信号,易受干扰和损耗,并且测量误差也比较大,不利于控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下,开发一种实时性高、精度高,能够综合处理多点温度信息的测控系统就很有必要。本文提出一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案。关键词：PLC；
2、传感器；温室；测控系统随着我国国民经济的发展,人民的生活水平日益提高,冬季大棚蔬菜的市场日渐扩大,尤其是北方地区在寒冷的冬季用塑料大棚栽培蔬菜,更体现出经济价值。仅靠南菜北调长途运输,一是成本高,二是运到目的地,蔬菜已经不新鲜了。所以,依靠农业科技,大力推广温室大棚种植蔬菜能更好地满足人民生活需要,这也是国家菜篮子工程所包括的内容。作为冬暖式蔬菜大棚的发源地,寿光掀起了我国的“菜篮子革命”,结束了冬季北方人吃不到新鲜蔬菜的历史,目前这里的无公害蔬菜大棚已经发展到80多万亩。由于我国人口众多,土地、水资源及各种能源短缺,在人民生活水平不断提高,对农副产品的需求不断增加的今天,只靠增加耕地面积是不
3、可能实现的,因此我们要另辟蹊径,想办法来提高单位亩产量。以日光温室为主的温室大棚蔬菜生产,己成为我国园艺产品尤其是蔬菜产品周年供应的重要措施。温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件,创造一个人工气象环境,来消除温度对生物生长的约束。而且,温室大棚能克服环境对生物生长的限制,能使不同的农作物在不适合生长的季节产出,使季节对农作物的生长影响不大,部分或完全摆脱了农作物对自条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益,所以温室大棚技术越来越普及并且已成为寿光农民家庭收入的主要来源（一）温室大棚系统基本介绍温室环境控制(green house environment controf),即根据植
4、物生长发育的需要,自动调节温室内环境条件的总称。现代化温室,通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术,能自动调控温室的环境,其中包括温度、几湿度、冬光照、C仇浓度、水分等,使作物在不适宜生长发育的反季节中,获得比室外生长更优的环境条件,达到早熟、优质、高产的目的。冬季大栅蔬菜最重要的一个管理因素是温度的控制。温度太低,会发生蔬菜冻死或者停止生长,所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。（二）温室大棚系统的主要特点生今天,我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下,
5、家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流,而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。采用单片机来温度进行控制仅具有控制方便!组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件,尤其在日常活中也发挥越来越大的作用。因此,单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。基于此,本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。（三）本文研究的主要内容本文介绍的温度测控系统是基于单总线技术及其器件组
6、建的。该系统能够对大棚内的温度进行采集,利用温度传感器将温室大棚内温度的变化,变换成电流的变化,再转换为电压变化输入模数转换器,其值由单片机处理,最后由单片机去控制数字显示器,显示温室大棚内的实际温度,同时通过比较,对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。根据分析结果对温度控制设施进行开关控制,从而达到控制棚内温度的目的。二.温室大棚系统中硬件设计（一）PLC的分类目前，在我国PLC的分类还没有一个统一的标准。根据性能和应用范围可将其进行如下分类。1、按性能分类 根据PLC的I/O点数、用户程序存储器容量和控制功能的不同，可将其分为小型、中型和大型三类。小型PLC又称低档PLC，它的I/O点数
7、小于128点，用户程序存储器容量小于4K字，功能简单，以开关量控制为主，可实现条件控制、顺序控制、定时记数控制。中型PLC又称中档PLC，它的I/O点数在128-512点之间，用户程序存储器容量为4K-8K字，功能比较丰富、兼有开关量和模拟量的控制能力，具有浮点数运算、数制转换、中断控制、通信联网和PID调节等功能。大型PLC又称高档PLC，它的I/O点数在512点以上，用户程序存储器容量达到8K字以上，控制功能完善，在中档机的基础上，扩大和增加了函数运算、数据库、监视、记录、打印及中断控制、智能控制、远程控制的功能。 2、按结构分类 根据PLC的构成形式，可将PLC分为整体式和机架式(模块式
8、)两大类。整体式PLC是将CPU、存储单元、输入输出模块和电源部件集中配置在一个机箱内。这种PLC输入输出点数少、体积小、价格低，便于装入设备内部。小型PLC通常采用这种结构。机架式PLC将各单元做成独立的模块，使用时将这些模块分别插入机架底板的插座上。可根据生产实际的控制要求建立模块，构成不同的控制系统。这种PLC输入输出点数多，配置灵活方便，易于扩展。大中型PLC通常采用这种结构。 3、按应用范围分类 根据应用范围的不同，可将PLC分为通用型和专用型两类。通用型PLC作为标准工业控制装置可在各个领域使用，而专用型PLC是为了某类控制要求专门设计的PLC，如数控机床专用型、锅炉设备专用型、报
9、警监视专用型等。由于应用的专一性，使其控制质量大大提高。（二）PLC种类及型号选择PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等。大、中、小、微型均有配套，且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据本系统中的控制要求PLC点数：实际输入点16点，实际输出点20点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为48点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：FX2N48MR，合计总数48点24点输入，DC24V，24点继电器输出；其性能、价格都优于其他
10、PLC。如图2-1所示： 1传感器的简介国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有确定关系的有用电量输出。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成。如图2-2所示： 非电量测量转换电路传感元件敏感元件非电量 非电量 电
11、量被测量传感器的组成示意图 敏感元件感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变成位移量。传感元件传感器的重要组成元件。它可以直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定关系的电量。测量转换电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多类，常用的电路有电桥、放大器、振动器和阻抗变换器等。传感器根据使用要求的不同，可以做的很简单，也可以做的很复杂；可以使带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。因此，传感器的组成将依不同的情况而有所差异。2. 传感器的选择传感器是将被检测对象
12、的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置、压力传感器进行选用。位置检测装置检测气缸动作是否到位，压力传感器是为了完成对温室大棚各种要素的检测，温度传感器是测试温室的温度,，湿度传感器检测湿度，以及光学感测。(1)温度传感器温度传感器的作用是采集大棚内的温度,并进行判断和显示。由于智能温度传感器DS18B20既能对温度进行测量,又能设定所需要控制的温度,并对温度值能够把二进制转换成十进制,所以本设计系统中选用智能温度传感器DS18BZO。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS
13、18B20送出,传感器和数字转换电路都被集成在一起,每个DS18B20在出厂时都已给定了唯一的64位序列号,并且DS18B20只有一个数据输入/输出口,因此,多个DS18B20可以并联到3或2根线上,CPU只需一根口线就能与诸多DS18B20进行通信,而它们只需简单的通信协议就能加以识别,这样就节省了大量的引线和逻辑电路。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量。用户还可自设定非易失性温度报警上下限值,并可用报警搜索命令识别温度超DS18B20。由于该温度计采用数字输出形式,故不需要A/D转换。(2)单片机控制系统本系统中的单片机选用AT8
14、9551做控制器。主要功能是:实现对数字量的采集,并把采集来的数据在LCD液晶显示器上进行显示;可以通过键盘设置参数,可以进行声光报警;可以通过按键来完成手动、自动控制方式的切换;可以通过串行接口把集到的数据和控制信息传送至上位机,可以接收上位机命令实现参数设置;可以进行输出控制。(3)RS一485串行通讯RS一485串行通讯是一种多发送器的电路新标准,它采用了差分平衡的电气接口,利用平衡驱动、差分接收的方法,从根本上消除了地线信号。因此,RS一485可用于距离12O0m,速度为10Okb/s的高速通讯。由于从大棚到计算机的距离较长,因此,在本课题设计中,需要在PC机侧配置RS一485转换器,
15、以达到数据传输的目的。RS一485串行通讯的作用是实现控制系统中上位机与单片机系统之间的通讯,通过串行通讯,下位机接收上位机发送的设置命令、数据采集命令和输出控制命令并进行判断后执行相应的程序,下位机所采集到的数据信息也是通过通讯接口传送到上位机进行显示存储等。(4)上位机系统采用一台微型计算机作为上位机,其主要功能是:通过RS一485串行通讯,向下位机发送数据采集命令和输出控制命令,并接收下位机传送的采集数据;通过上位机界面设定下位机号、切换工作方式、设定报警温度上下限值和控制参数;对采集的数据进行显示和存储,对历史数据进行查询。（一）控制系统整体结构1控制系统整体构成本系统以单片机为核心,
16、组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统,其原理框图如图所示。系统整体结构由温度传感器、单片机、Rs一485串口通信、输出控制电路和上位计算机组成。2系统工作原理采用单总线技术设计的温度监测系统,如图所示。整个系统以AT89551单片机为主机,其他设备为从设备。单片机通过RS一485总线与PC机通讯。PC机作上位机进行实时监控管理,控制器选用撇X813L组成上电复位和看门狗电路。该系统只要一条双绞线(一根为信号线,一根为地线)从单片机拉向监控现场,然后将各种监控对象(传感器)挂接在一根总线上就可以了。本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器DS18B20,用于温室大棚
17、内不同地方的温度测量和控制。图中只画出了一个监控现场的配置,其布线接头与通常电话线路使用的一样,插入和拔都很方便。3系统主要技术指标3.1单片机复位电路几乎所有的单片机都需要复位电路,对复位电路的基本要求是:在单片机上电时能可靠复位,在下电时能防止程序乱飞导致EEPROM中的数据被修改;另外,单片机系统在工作时,由于干扰等各种因素的影响,有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作,为了克服这一现象,需外加个看门狗电路;除此以外,单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来,因掉电的发生往往是很随机的,因而单片机系统需要电源监控电路,在掉电刚发生时能告知单片机。做XIM公司推出的MAx
18、s13L刚好能满足这些要求,下面具体介绍该芯片的性能特点及用方法=251。3.2MAX813L芯片组成及特点MAXS13L有双列直插和贴片两种封装形式,引脚功能如下:第(1)脚为手动复位输入,低电平有效;第(2)、(3)脚分别为电源和地;第(4)脚为电源故障输入;第(5)脚为电源故障输出;第(6)脚为看门狗输入,第(7)脚为复位输出,第(8)脚为看门狗输出MAXS13L芯片具有以下主要性能特点:(l)复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时,第(7)脚产生复位输出,复位脉冲宽度的典型值为200ms,高电平有效,复位门限的典型值为4.65V。(2)看门狗电路输出。如果在1.65内没有触发该电路
19、(即第(6)脚无脉冲输入),则第(8)脚输出一个低电平信号。(3)手动复位输入,低电平有效,即第(1)脚输入一个低电平,则第(7)脚生复位输出。(4)1.25v时,第(5)脚输出一个低电平信号MAXS13L的应用电路所示。本系统中,MAXS13L的第(1)脚与第(8)脚相连。第(7)脚接单片机的复位脚;第(6)脚与单片机制Pl.7相连。在软件设计中,P1.7不断输出脉冲信号,如果因某种原因单片机进入死循环,则Pl.7无脉冲输出于是1.65后在MAX813L的第(8)脚输出低电平,该低电平加到第(1)脚,使MAX813L产生复位输出,使单片机有效复位,摆脱死循环的困境。另外,当电源电压低于限值4
20、.65V时,MAXS13L也产生复位输出,使单片机处于复位状态,不执行任何指令,直至电源电压恢复正常,可有效防止因电源电压较低导致单片机产生错误的动作。电源故障输入PFI通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当PFI低于1.25V时,电源故障输出脚第5脚PFO变低,可引起AT89S51中断进行电源故障处理,或将重要数据保存下来。把分压接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。利用高新技术发展新型农业,已逐渐发展成为农业经济增长的一个新趋势。而在这个过程中,建立大棚温室环境智能测控系统为农业高产、优质提供保证,更成为一个亮点。本论文通过对当前温室环境现状分析,根据大棚内作物生长的需要,以
21、AT89551单片机作为控制核心,以数字温度传感器DS18B20作为测温元件,实现了对温室环境因素中最重要的因素温度的自动控制。用户可以根据实际需要,及时修改环境控制参数,实现通过上位机干预温室温度的目的。用户可以采集棚内任意测控点的环境参数值,及时了解温室内不同区域内的环境情况。温度控制系统虽然能在温室温度控制中发挥很大作用,但由于时间和条件的限制,在许多方面还需要改进、系统还不具备对温室内多因子的控制,只能控制温度参数,今后还应进一步开发光照、二氧化碳以及风速等温室因子的监测控制;上位的功能有待于根据丰富,本系统上位机程序只是为系统实验提供条件,如果要实际应用,还需要根据用户的要求进一步完
22、善上位机的功能。参考文献1习毕玉革,麻硕士,我国现代温室环境控制硬件系统的应用现状及发展,农机化研究,2009,31(3):226一2292王丽艳,邱立春,郭树国,我国温室发展现状与对策,农机化究,2008,拍:207一2103刘方,栗震霄,我国农业温室控制系统控制模式的研究,农机化研究,2008,10:223一2264孙玉广,须晖,卫向东,日光温室环境自动化监控系统的设计,农机化研究,2009,7:106一1095赵鸿图,基于单片机的温度控制系统的设计与实现,微计算机息,2008,24(9一2):54一566荆坷,张孟杰,李芳,纪建伟,温室控制系统的现状及其发展,农机化研究,2008,5:2
23、13一2巧7晓进,史小军,朱为,堵国梁,基于DS18B20的多点温度检测,电子工程师,2006,32(7):1一48居荣,郭怡倩,DS18BZO在温控系统中的应用,农机化研究,2005,1:224一2269葛志军,傅理,国内外温室产业发展现状与研究进展,安徽农业科学,2008,35:15751一1575310张英,穆楠,张雪清,国外设施农业的发展现状与趋势,农业与术,2008,28(2):123一2511殷九泽,温室增温保温措施,西北园艺:蔬菜,2007,5:5112郭庆梁,李永奎,北方温室群环境监控系统的研究,农机化研究,2009,31(8):106一10813黄文龙,减壮望,王斌,棚室温度调控管理技术,现代农业科技,2008,23:121一12214何培祥,史磊,李庆东,郎同勇,智能温室测控系统软件的设计与研究,农机化研究,2008,11:133一136
