温室建设环境参数测控系统设计毕业设计完整Word文件下载.docx

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论文最后进行总结，并指出了系统设计的不足和改进思路，为今后课题的进一步深入研究做准备。

关键词：

温室环境单片机RS-485测控装置温室模型

GreenhouseEnvironmentControlSystemDesignParameters

ABSTRACT

Greenhouseisanimportantcomponentofagriculture,andthepracticalexperienceofgreenhousecrop,automaticcontrolandimprovethegreenhousemanagementlevelcangivefullplaytotheefficiencyofagriculturalgreenhouse.Withsensingtechnology,computertechnologyandcommunicationtechnology,therapiddevelopmentofmoderninformationcollectionandintelligentgreenhouseautomaticcontrolsystemoffacilitiesagriculturedevelopmenthasbeenahotspot.

Basedontheoriginofgreenhouse,summarizesthedevelopmenthistoryoftheOrientalgreenhouseandgreenhouseathomeandabroad.Introducedthedevelopmentofgreenhousemeasurementdeviceanddynamicdevelopmentdirection.Thenmoredetailedanalysistothegreenhouseenvironmenteachparameterandmutualeffect,basedonthis,putsforwardbasedonRS-485busgreenhouseenvironmentmeasurementdevice,andthedesignschemeisdevelopedaccordingtothedesignschemeofgreenhousetemperaturemeasurementandcontrolequipment,inthedesignofthegreenhousemodelexperiment.Mainlyincludes:

1,completedbasedonRS-485busgreenhouseenvironmentoftheoveralldesignofmeasuringdevices,RS-485buscanbeconvenientforlong-distancecommunication,realizingthemulticasttocontrolgreenhouse,partoftheactuatordesignimprovement,

2,basedonthedesignandmanufactureofgreenhousetemperaturemeasurementdevice,thisdevicewithAT89S52SCMasthecore,includingtemperatureacquisitionmodule,thekeyinputmodule,LEDdisplaymodule,theoutputcontrolmodule,actuators,RS-485/232buscommunicationmodule,ISPmodule,canachievethereal-timedetection,temperaturecontrolanddisplayoutput,andcommunication,thecomputerandnetworkingfunctions;

themulti-point

3,andinreferenceonthebasisoftheglassgreenhousewasdesignedandmanufacturedorganicglassgreenhousemodel,convenientandeffectivesimulationenvironment,thedesignofgreenhousegreenhousetemperaturecontroldeviceinthemodeltest,thepracticeprovedthattemperaturecontrollinghardwaredesignissuccessful,thesimulationmodelofgreenhouseenvironmenteffectively,thisisthebasictemperaturemeasurementdevicealsohassuchadvantagesassimplestructure,highdegreeofautomation,controlability,Itcanbethegreenhousetemperaturecontrolmodelinthescheduledwithinrangeoffactors,Obligateinterface,extensibleperformanceisgood,cost-effective,ThegreenhousecommunicationssystemcanbebasedonRS-485/232busswitchingbetween,convenientandrealizethemeasurementandmulticastgreenhousePCcomputermanagement,UsingtheISPfunction,convenientcontrolprogramupdates.Paperfinallysummarized,andpointedouttheshortcomingsandsystemdesignforfutureimprovementideas,furtherstudyofthesubject.

KEYWORDS：

greenhouseenvironmental,MCU,RS-485bus,monitoring&

controllingdevice,greenhousemodel

第一章前言

1.1温室的起源与发展

温室是以透光材料为全部或部分围护结构材料，可供冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物的建筑的统称。

它通过人工干预的方式来对指定区域内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤水分、养分等诸多影响作物生长的因素进行调控，使之适合所培育作物的生长需要。

由于它摆脱了地点、季节、气候变化等的影响和限制，能有效的改善农业生态和生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高了土地出产率、劳动生产率、社会效益和经济效益，有利于可持续发展。

因此在世界范围内得到了广泛的运用。

在我国，温室的起源是非常早的。

早在2200余年前的秦朝就有记载。

《古文奇志》上说；

“秦始皇密令人种瓜于骊山石刑谷中温处，瓜实成，使人上书曰：

‘瓜冬有实。

’《前汉书·

召信臣传》说：

“自汉世大官园冬种葱韭菜菇，覆以屋庑，昼夜燃温火，得温气诸菜皆生。

”可见秦汉时代已有了温室园艺的萌芽。

到了明代的嘉靖年间，北京的温室蔬菜栽培已具有相当的技术水平，但由于当时的农民秘而不宣，加上受农时观念的影响，人们认为通过反季节栽培出来的蔬菜，是“不时之物”，食用这种不时之物，可能会对人体有害，从而极大的限制了温室事业的发展。

在欧洲，公元1世纪罗马帝国末期已使用一种用云母片装配的温床，促成水果早熟和为宫廷生产黄瓜；

在差不多同一时期的印度和埃及，也曾利用保护设施来减轻严寒、大风以及酷暑等恶劣气候对农作物的影响。

温室的初步发展是在15世纪后的英国、法国和荷兰。

1599年，在荷兰建成一栋栽培热带植物的温室，这是欧洲最早的温室之一。

直到18世纪晚期19世纪早期，随着玻璃工业的出现，才逐渐发展成为现代的玻璃温室。

1836─1841年，英国德温公爵的园丁领班帕克顿在备德贝郡查兹沃斯府邸建了一具大型温室，在铁、木框架上共镶有7000多平方米的玻璃。

1851年，在英国举办世界上首次万国博览会时，帕克斯顿以他建造的温室为蓝本，为博览会的主展馆设计了著名的“水晶宫”。

进入20世纪后，玻璃、钢铁、机械等工业发展迅速，温室的结构与设备不断完善。

近几年来，塑料工业的发展日新月异，随之出现了一大批塑料薄膜温室和塑料大棚，从而迅速扩大了温室园艺生产的规模与范围，使它成为现代农业中一个重要的组成部分。

1.2国内外的温室环境控制系统的研究现状温室环境控制技术是随自动化检测技术、过程控制技术、通讯技术及计算机技术的发展而发展起来的。

国外对温室环境控制技术研究较早，自20世纪70年代起采用模拟式组合仪表，采集现场信息并以相关的模拟式仪表进行指示、记录和控制。

1978年日本学者首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统。

随着计算机技术的发展，80年代末出现了分布式控制系统，目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在，日本、荷兰、美国、以色列等发达国家可以根据温室作物的要求和特点，对温室内的诸多环境因子进行调控。

研究的现状正朝着完全自动化和无人化方向发展。

日本还利用传感器和计算机技术,进行多因素环境远距离控制装置的开发。

国内对温室控制技术研究起步较晚。

农业计算机的应用开始于20世纪70年代中期，到80年代初期计算机开始应用于温室的管理和控制领域。

自20世纪80年代以来，我国工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究。

实践证明，单因子控制技术在保证作物获得最佳环境条件方面有一定的局限性。

1982年中国农业科学院建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构。

90年代，在引进的基础上,搞了一些研究性质的环境控制系统，可以自动调节温室内温度,湿度等参数。

近几年来,我国加大了在温室结构和温室控制方面的研究力度。

2001年,国家在“十五”攻关项目中启动了“温室环境智能控制关键技术研究与开发”课题;

同年,在国家“863”计划“可控环境农业生产技术”研究内容中包含了研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等内容。

从我国的温室控制系统和控制技术现状来看，温室设施计算机应用,在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

但是,大部分不够理想。

在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，在控制算法上，采用的大多是简单的直接数字控制方法，即在程序中设定各环境因子的上下限，当测定的环境参数超过上下限时，启动环境控制的硬件系统和机构。

这种方法尚不能根据作物对环境的反应进行实时控制。

在各个方面与欧美等发达国家相比,存在较大差距,尚需深入研究。

1.2温室测控装置的类型和发展方向

温室控制系统从大的角度来讲主要可以分为两个组成部分，即软件系统和硬件装置，软件系统的核心就是控制思想也就是控制算法，硬件装置一般是指温室环境测控设备的有机组成。

本文主要研究中国温室目前的测控装置类型，这一问题是科学合理地控制温室环境的基础之一。

1.2.1目前常用的控制装置

1.单片机控制系统

目前，温室控制器的结构主要是以单片机为主控板的控制系统。

一般以MCS51系列为基础，采用8位CPU，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的。

其拓扑结构为集中式控制方式（图1.1）。

该类控制方式的优点是能够全局管理，操作简单，价格低廉，缺点是布线复杂，可靠性差，故障率高；

且信号的输入、输出一般为模拟量或开关量，自动化程度低。

由于温室控制环境噪声大、环境恶劣,单一的CPU控制系统难以达到预期的控制效果。

图1.1单片机控制系统结构框图

2.基于IPC的温室控制系统

基于工业控制机（IPC）的温室控制系统是由工控机、各种传感器及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。

由工控机组成的温室控制系统框图如下。

如北京望京建立的自动化温室就是以工控机为核心的控制系统。

主机选择了研华生产的控制机,配备了各种接口板,采集、控制和通信功能都由工控机完成,能对温室各参数和变量进行有效控制,采用喷雾系统能使室温下降7℃。

图1.2工控机组成温室控制系统框图

3.基于PLC的温室控制系统

基于PLC（可编程逻辑控制器）的温室控制系统是由上位机、PLC、数据采集单元及执行机构组成。

PLC主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化。

根据作物生长的要求对参数进行匹配，同时完成与上位机的通信。

PLC是一种通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效温室的控制要求。

图1.3PLC构成的温室控制系统框图

某地温室采用以计算机和PLC为核心的控制系统，它由气候监控系统、灌溉系统、营养液控制系统等几部分组成。

通过运行,达到了较好的效果。

另外，PLC不但能完成复杂的逻辑功能，还能完成复杂的运算功能。

PLC有各种组态模块功能，通过先进的现场总线技术可实现多台PLC，多个温室的网络化分布式控制。

其缺点是投资大，一般都在10,000多元以上，一般农业用户难以接受。

4.集散型温室控制系统

集散型温室控制系统（DCS）即分布式控制系统,它是相对于集中式控制而言的新型计算机控制系统。

在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大。

但在系统功能的实现方法上却完全不同。

集中式控制系统只需一台计算机以及有关的I/O设备和CRT、键盘、打印机等外部设备即可完成系统功能，而DCS则一般有四个基本部分组成，即系统网络、现场控制站、操作员站和工程师站。

在DCS中，这四个站由独立的计算机组成，它们分别完成数据采集、控制、监视、报警、记录、系统管理等功能。

这些完成特定功能的计算机被称为“节点”，这些节点通过网络连接在一起，组成一个完整的系统，以此来实现分散控制、集中管理、集中监视的目标。

这种控制模式成本太高，成套的DCS系统需要10万元左右，农业用户难以接受。

为此开发部门在原来分布式控制系统的框架下，用廉价的单片机作为现场控制器，工程师站和操作员站用一台PC机代替,从而大大降低了成本。

其结构如下图所示：

图1.4温室DCS系统结构

智能温室集散控制系统，控制系统是由1台IBMPC586机为上5位机,3台MCS251单片机为现场控制器组成DCS系统，只需1万元（当年的价格）左右。

现场控制器完成数据采集，测控等，同时通过串行通信接口将数据送到PC机，PC机主要完成数据管理、智能决策、数据统计分析等。

这样在现场控制器发生故障及现场控制器与PC机相连的通信线路发生故障时不会影响其他现场控制器的正常工作，系统的可靠性高。

PC机的管理功能被多台现场控制站共享，节省了成本，提高设备利用率,有利于温室群控。

1.2.2控制装置的发展趋势

1.嵌入式Linux系统

嵌入式Linux系统目前在温室控制系统中尚不多见。

采用嵌入式Linux旨在提高温室系统网络支持、并发处理及功能升级能力，降低系统开发难度，满足温室计算机控制系统日益复杂化的需要，该方法是可行的。

温室计算机控制系统需要长时间连续运行,大部分节点分布在不同的地方，要求功耗低、体积小，抗干扰能力高。

采用PC系列模块能满足上述要求，易于扩展升级。

软件平台采用Linux系统，Linux系统所有源代码对外开放，使整体开发及维护费用降低。

随着温室计算机控制系统日益复杂化、网络化,该系统有较好的应用前景。

2.基于RS－485的温室现场总线控制模式

RS－485总线属于BITBUS总线，传输距离约为1200m，传输速度达76.8kbps,多达36个节点并行连网。

采用RS－485总线做现场总线，可通过RS－485总线与远端的气象站通讯，来获得室内外温度、湿度及室外光照、雨量、风速、风向等参量,还可与其他控制器及上位机进行通讯，构成更大范围的温室环境自动控制系统。

RS－485是主从节点工作方式,各个现场控制器之间的通讯靠单主机完成,难以实现各节点之间的数据交换。

而且RS－485总线是半双工的，在实时性要求较高的场合和多主机通信时有一定难度。

但温室控制系统是一个大滞后系统，采样时间较长，对实时性要求不是非常严格。

因此采用RS－485组成现场总线控制系统是可行的，而且RS-－485价格低廉，维护方便，便于普及。

3.基于CAN等现场总线的温室现场总线控制模式

目前CAN总线在工业控制中已得到广泛应用，如工业自动化、环境控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑等领域。

CAN总线是德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。

由于CAN总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等诸多特点，其应用开发迅速。

而CAN在农业环境中的应用还比较少。

温室是一个复杂的控制系统,以前的控制模式是集中方式,要完成复杂的控制算法运算及实时控制,有一定的难度。

而CAN总线的出现恰好解决了这个问题。

CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络的总线，基本的CAN现场总线控制系统方案如下图。

其特点如下：

CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需占地址等节点信息。

利用这一特点可方便地构成多机备份系统。

CAN网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实时要求，因此基于CAN总线技术的控制系统是使温室向智能化发展的理想系统。

图1.5CAN总线控制系统框图

4.基于互连网（指Internet）网络的远程控制

随着计算机技术和网络技术的迅速发展，基于网络的温室控制系统是必然的发展趋势。

网络业务不再限于单纯的数据业务，而包括数据、语音、图像的多媒体业务。

可以将计算机和温室控制网组成有线网络和无线网络系统。

有线网络系统可以将多台计算机进行集中管理，通过Internet可对温室环境因子进行监测，使有关人员及时了解温室内环境参数的情况，及时做出决策，可以组织国内外专家对小气候环境因子进行远程精确会诊，提出最适宜温室植物生长的环境。

对于温室数量多、地点分散的大农场可以使用专用配线形成设施农业专用的网络系统进行集中管理，也以用电话、电脑等设备进行异地管理。

由于有线网络布线复杂租用专线成本昂贵，无线网络恰好弥补了有线网络的不足。

可以利用笔记本、手机等随时随地对温室的管理系统进行控制。

1.3课题的提出和研究内容

1.3.1课题的提出

要实现温室的智能化，它的环境控制将会是关键，温室环境控制技术的应用是建立农业工厂化生产的最有效的手段。

但温室环境控制是所有室内环境控制中最困难的。

一般建筑物的环境控制几乎不受阳光影响，而温室则不然，室外环境状况对温室环境控制有着决定性的影响。

一般的环境控制多只针对气温及湿度等，温室环境控制则还需兼顾光照、气流、植物保护、二氧化碳浓度、水量、水温、pH值、溶氧量、营养液系统等。

而且温室环境控制的对象种类繁多，都是在生长的生物，不同种类、不同品种的需求大不一样，即便是同一品种，在不同生长阶段的需求也不同，再加上受能源、资金、劳动力、生产资料等资源的限制及市场与天气变化的影响，温室环境控制必须在极有效率的状态下进行。

我国的农业正处于从传统农业向优质、高效、高产为目的的现代农业转化的新阶段。

在前面的论述中，作者结合相关资料和实际应用情况，综合比较了几种测控系统的模式，提出了温室测控装置的发展方向。

在此基础上，结合自身实际，从温室控制装置的四个发展趋势中选择基于单片机和RS－485的温室现场总线控制模式作为论文的主要研究方向。

1.3.2研究内容

本论文的主要研究内容包括：

1.在分析温室环境及其因子的控制方式的基础上，提出了基于RS-485总线的，对温室环境的光照强度、湿度、温度、二氧化碳浓度等四大因子进行测控的总体设计方案。

2.分析温室环境下测量光照强度、湿度、二氧化碳浓度等参数的传感器和A/D转换模块的工作原理，选择合适的器件组成系统；

3.对使用较多的执行机构如阀门、开窗机构进行了设计改进；

4.根据温室测控装置的总体设计方案，以温度因子为例，选择合适的传感器，控制芯片、控制输出机构、通讯模块等，设计合适的系统电路，研制温室温度测控装置，实现温室目标温度的设定、实现和调控等；

5.仿照玻璃温室的结构形式，设计并用透明材料制作一个能模拟温室环境状况的温室模型，在该模型中，选择合适的升温、降温设施，用于调控模型中的温度；

6.利用模型验证所设计的温度测控装置的调控性能。

第二章温室环境及其总体测控方案设计

在引言中我们分析