温室控制系统的设计.docx
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温室控制系统的设计
目录
1概述1
1.1研究的背景和意义1
1.2国内外现状1
1.2.1国内现状1
1.2.2国外现状2
1.3本课题的主要研究内容3
2系统的总体设计4
2.1系统的设计原则4
2.2系统的总体功能4
2.3系统总体结构方案的确定4
2.4系统下位机的硬件设计5
3单片机系统硬件方案的设计7
3.1传感器定义7
3.2温度传感器7
3.3温度采样关键电路设计7
3.3.1设计方案一7
3.3.2设计方案二10
3.3.3方案选定12
3.4湿度采样关键电路设计13
3.4.1设计方案一13
3.4.2设计方案二15
3.4.3方案的选定16
3.5光照传感器16
3.5.1设计方案一17
3.5.2设计方案二18
3.5.3方案的选择20
3.6接口电路设计21
3.7二氧化碳传感器22
3.7.1内部结构23
3.7.2工作原理24
结论27
参考文献28
1概述
1.1研究的背景和意义
应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。
近年来电子技术和信息技术的飞速发展，带来了温室控制与管理技术方面的一场革命，随着“设施农业”、“虚拟农业”等新名称的出现，“设施园艺”、“虚拟温室”的概念也应运而生。
温室计算机控制与管理系统正在不断吸收自动控制和信息管理领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，不断创新，逐步完善，从而使温室种植业实现真正意义上的现代化、产业化。
1.2国内外现状
1.2.1国内现状
国内在温室计算机控制技术的研究开始于20世纪80年代初，20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花齐研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并采用VisualBasic开发了基于windows操作系统的控制软件。
90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、C02施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。
在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施计算机控制与管理技术。
“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金委，均首次增设了工厂化农业（设施农业）研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度。
90年代末河北职业技术师范学院的目忠文研制了蔬菜大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。
北京委息通环境技术测控中心的魏俊奇教授研制出了的低成本高性能的数字温室传感器，用它制成的“温室环境智能测控系统”以及w传感器将有望为我国的农业工厂化、智能化铺平道路。
可以看出我国温室设施计算机应用与研究，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。
1.2.2国外现状
美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。
早在20世纪80年代初，雨鸟公司、摩托罗拉等几家公司就合作开发了智能中央计算机灌溉控制系统，并在20世纪90年代在全美得到了广泛的应用；此外，美国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花齐、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。
目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产，有82％的温室使用计算机进行控制，有67％的农户使用计算机，其中27％的农户还运用了网络技术。
以园艺业着称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断开发模拟控制软件。
到80年代中期，已有5000多台计算机应用于温室，目前荷兰拥有玻璃温室18万多亩，占世界的1／4以上，有85％的温室种植者使用环境控制计算机，种植者只需从软件公司购买温室控制软件，从化学公司购买营养液后，即可按照不同作物的特点进行自动控制，从而满足作物生长发育的最适要求。
英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。
另外，德国已经把3S技术（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感技术RS）应用于温室。
与此同时，温室计算机控制和管理技术在亚洲同样得到了极大的发展。
日本在20世纪80年代中期应用于温室中的计算机就达到1000多台，到1995年达6000多台，目前农业生产部门中计算机的普及率高达92％。
日本还建造了世界上最为先进的植物工厂，采用完全封闭生产、人工补充光照，全部由计算机控制。
日本的甜瓜农场应用一种新型的智能计算机系统，对7个温室群进行管理，实现最佳控制。
近年来日本还研制了一种遥感温室环境控制系统，将分散的温度群与计算机控制中心联结，从而实现更大范围的温室自动化管理。
有“沙漠上的绿洲”美誉的以色列对农作物的灌溉采用了现代化的滴灌和微喷灌系统，在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况，办公室里的中心计算机对田间的控制器进行通讯，即可方便地遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到80％—90％，使得原本资源医乏的以色列成为沙漠上的蔬菜出口国。
1.3本课题的主要研究内容
本设计主题是以智能控制为主，所以在本次设计中温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器的选择设计方案都做了详细的介绍。
传感器在本次设计中扮演着重要的角色。
2系统的总体设计
2.1系统的设计原则
通过对我国温室产业的发展现状及目前国内外生产的温室监控系统的认真分析和研究，并考虑到中国的温室产业的特殊性，温室监控系统的总体设计原则是“简单、灵活、实用、价廉”。
2.2系统的总体功能
1）监控温室环境：
各下位机监视温室内、外环境参数变化和现场各种设备的工作情况，并实时地把采集到的数据显示在下位机的控制面板上，同时对数据进行分析，根据设定的要求通过控制子过程控制各执行机构。
2）历史数据的存储：
温室现场采集到的各项数据可根据需要保存到下位机的RAM中，通过通信的程序，将该历史数据定期输送到上位机中，生成报表、曲线，并通过打印机打印出来。
3）传送和接收数据：
下位机把温室现场采集的数据根据上位机的需要，通过通信线路传送给上位机，下位机也可接收上位机发送来的数据或命令。
2.3系统总体结构方案的确定
本系统的硬件结构如图2.1所示。
图中，第一级为前沿机，它属于直接控制级，本系统中采用的是价格低廉、功能集成度高和抗干扰能力强的MCS—51系列微型控制器，它可为温
温室
图2.1系统结构图
室现场控制、数据采集和传输提供很好的条件。
第二级为管理级，即采用计算能力强、容量大、具有良好的人—机界面的PC机作为上位监控计算机，能对各个温室进行统一集中地管理，为存储大量的采集数据提供了方便。
因此整个系统可由一台上位计算机、多台单片机和通信线路组成。
系统的下位机以8031单片机为核心，集数据采集、处理、显示、报警、打印、控制以及通信等功能于一体，完成各温室现场的数据采集和环境控制。
由于温室下位机具有异步串行通信接口，通过设计TTL/RS485电平转换电路，就可以与上位机联网。
从上位机串口引出RS－232通信线，通过RS232/RS485的转换器，经485通信线与各下位机连接，就可实现上位机与各下位机的联网，而且可以远距离的通信。
其通信线路如图2.2所示。
下位机n
Data-Data-Data-
RS-232口Data+Data+Data+
图2.2RS－485联网拓补结构
2.4系统下位机的硬件设计
本系统的下位机也称前置机，采用8031单片机为核心，完成每个温室环境的自动检测与控制功能。
在设计方案工作中，根据下位机的功能要求重点解决以下几方面技术问题：
●硬件电路简单、可靠，并考虑输入信号的可能扩展；
●软件设计方便；
●考虑到温室控制设备的不断完善，设计的硬件执行电路要保留一定数量的备用接口。
温度传感器
图2.3下位机系统总体结构图
3单片机系统硬件方案的设计
3.1传感器定义
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。
3.2温度传感器
考虑到温室的实际情况，一般可选用铂电阻式温度探测器与集成化温度传感器（如AD590等）。
3.3温度采样关键电路设计
温度是影响果蔬变质速度的最重要的环境因子。
在最适温度基础上，每增加10℃，变质速度便增加两到三倍。
不适宜的温度除导致上述各种生理病害外，也影响呼吸代谢、乙烯的产生，从而引起各种成分的变化。
病菌孢子的萌发和生长受温度的影响。
温度还影响水分蒸发的速度。
3.3.1设计方案一
（1）系统简介
本温度控制和显示系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号经放大，A/D转换后送入计算机中，与设定值进行比较，得到偏差。
对此偏差按PID算法进行修正，返回对应工况下的可控硅导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对铁块的温度控制。
系统采用AT89C52芯片为CPU，外扩了8K的数据存储器6264。
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内8K的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。
AT89C52的主要性能参数有：
·与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。
·8K可重擦写的闪速存储器。
·1000次擦写周期。
·全静态操作：
0Hz-24MHz。
·三级加密程序存储器。
·256×8字节内部RAM。
·32个可编程I/O口线。
·3个16位的定时/计数器。
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节的Flash闪速存储器，256字节的内部RAM，32个I/O口线，3个16位的定时/计数器，一个6向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式：
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
（2）控制系统原理
本温度控制和显示系统中，单片机系统用控制对铁块的加热时间来控制铁块的温度，铁块的温度经检测，放大，校正和A/D转换后送入单片机，由单片机计算当前值，然后根据PID控制规律返回可控硅导通的脉冲个数Tn，通过比较Tn和当前可控硅导通的脉冲个数决定打开关闭双向可控硅。
铁块的温度给定和PID控制器参数设定用单片机系统的键盘来实现。
控制系统结构框图如下：
图3.1控制系统结构框图
系统的数据采集主要是对铁块现时温度的检测转换，温度的检测由铂电阻完成，用电桥得到差动值，经差动放大器放大后，送入A/D转换器进行转换，最后送入处理器处理。
温度传感器和信号放大电路如图3.2所示：
图3.2信号放大电路图
我们使用电桥读取铂电阻的输出信号，图中TL431电路部分为供桥电压产生电路，因为供桥电源的变化几乎是一比一的反映到电桥电压输出，所以供桥电源的稳定与否直接影响到温度采样的精度。
当系统有一精度足够的+10V电源时，TL431电路部分可以省略。
电桥部分桥上臂电阻选22KΩ，右下臂电阻选100Ω，电桥输出电压为：
假设系统温度变化范围为0-120℃，则根据
（1）式得电桥输出电压范围约为：
0-20mV。
信号放大部分属于V-V放大，前面我们已经知道电桥的输出电压为0-20mV，而A/D转换的输入电压为-5V-+5V，我们选用单极性输入+3V，这样可以确定放大器的增益为150倍（3V/20Mv）。
放大器的极数与单极放大器的带宽增益有关，由于铁块控制系统中测量速度不是主要的，也就是说带宽问题不予考虑，如果我们选用带宽增益积较大的芯片，则使用单极放大就足够了。
在这里我们选用差分式斩波稳零高精度运算放大器ICL7650。
一级放大接成双端差分输入，单端输出形式。
放大器接成T型反馈网络，则放大器的放大倍数为：
在应用时，各组件阻值可按照上图中选取，实际放大倍数应该根据系统需要通过微调Rv2得到。
A/D转换芯片选择首先取决于控制系统对分辨率的要求，在本系统中要求达到控制温度范围为20~100摄氏度，控制精度为0.25摄氏度，则分辨率为：
100/0.25=400
若选用8位的A/D转换则分辨率为256，不能满足要求，故需要选用转换位数更高的芯片。
本系统选用12位的A/D转换芯片ICL7109，该芯片是双积分型的，具有精度高，低噪声，低漂移，具有防尖峰干扰能力，价格低廉，不过由于是双积分型，故转换速度较慢，转换时间为30ms，但在本系统中已经足够。
ICL7109有14位输出，低12位为A/D转换值输出，OR为溢出标志输出，当转换值溢出时该位输出高电平；POL为极性输出，输入电压信号大于零时该位输出高电平。
14根数据线与单片机数据总线的接法为：
B1~B8分别接P0.1~P0.7，B9~B12，OR和POL分别接P0.1~P0.5，如下图所示。
CPU对A/D转换数据的读取通过依次选通LBEN和HBEN端口两步完成。
由于用3-8译码器SEL1和SEL2来选通LBEN和HBEN。
所以可以得到A/D转换数据的地址为：
ICL7109的RUN/HOLD引脚悬空，表示芯片工作在连续转换状态，在该状态下，每隔8196个时钟周期（约30ms）完成一次转换，并将转换值置于输出三态缓冲中等待读取。
这样，在我们需要读取数据时，直接通过选通LBEN或HBEN进行读取可从输出缓冲器中读出数据。
3.3.2设计方案二
（1）AD590简介
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
主要特点：
（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：
Ir/T=1
（1）
式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；
（2）AD590的测温范围为-55℃~+150℃；
（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；
（4）输出电阻为710mΩ；
（5）精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。
1
“+”电源
2
“-”电源
3
管芯衬底（浮置）
图3-3管脚排列
（3）温度采样实际电路及电路原理
⑴.温度采样实际电路
图3.3AD590管脚排列
图3.4AD590温度采样电路图
（2）温度采样电路原理
AD590在-55℃～+150℃内按1µA/C的恒定比率输出一个与温度成正比的电流，对电流测量便可得到实际温度值。
如上图所示，接通电路后，稳压管两端电压一定是5V；当T=0℃，AD590的电流为273.2µA；电路输出电压U0=0V，则有
设R=R2+R3,Rf=R4+R5所以
（式3.1）
一个AD590的输出电流为：
0℃的输出电流为
50℃的输出电流为
所以<1>可变为
（式3.2）
当t1+t2+t3=0℃时，这时要求U0=0V，由<2>得：
当温度为50℃时,即t1+t2+t3=150℃，这时要求U0=0V，由<2>得：
我们对温室的温度监控范围是0-50℃之间，输出为0-5v电压信号，因此，先用R3矫正0℃，这时U0=0V，在用R5矫正50℃，反复矫正三次，增加准确程度。
3.3.3方案选定
通过比较选用AD590进行温度检测较好。
方案一测量电路较复杂,使用组件较多，增加了成本，实际在温室应用中存在一些困难。
相比之下,AD590非线性误差小、精度较高、能够实现多路复用，接线简单。
另外，AD590使用寿命较长,易于维护。
例如在“多微机监控与通讯”系统中，采用AD590作为温度敏感远见的温度传感器经过5年运行，于1992年复查，无一损坏，工作稳定，不需重新标定，说明AD590又很高的使用价值。
3.4湿度采样关键电路设计
湿度是表征空气中所含水汽的物理量。
影响作物生长的湿度是空气的相对湿度，果蔬失水速度依赖于产品和周围环境的蒸汽压差。
蒸汽压差越大，水分损失增加，而这种压力差又受温度和相对湿度的影响。
在一定的温度和气流下，失水速度决定于相对湿度。
在一定的相对湿度条件下，水分损失随温度的提高而增加。
水分损失除直接引起外观的变化外，同时导致果蔬活体各种代谢失调，引起更全面的质变。
本系统是以相对湿度为检测对象而设计的。
相对湿度是绝对湿度与饱和湿度之比。
3.4.1设计方案一
（1）H204C简介
H204C是以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。
利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。
（2）线性化电路设计
湿度传感器（H204C）的湿度-电阻特性不是线性的，为获得与湿度成比例的输出，需用线性化电路处理，如图3.5：
图3.5H204C测湿线性化电路设计
（3）湿度测量电路
H204C是具有负温度系数的器件，在一定相对湿度条件下，随温度上升，由于本身电阻变小，会使输出电压下降。
故电路中必须使用负温度系数的感温组件去补偿温度引起的变化。
图3.6是经线性化和用热敏电阻电路来进行温度补偿后的输出特性，并且能在15℃和35℃时放大器输出与25℃时的输出相同。
由图可见，随温度上升，输出电压下降，且输出电压也未归一变化。
因此，对上图所示特性与VS的减法运算，并经过放大，故使输出特性变成易使用形式，见图3.7：
图3.6输出特性
图3.7H204C湿度检测电路
TH是热敏电阻，阻值为20k；RH是湿度传感器H204C，运放采用LM2904。
该电路在30%RH到90%RH湿度范围内有归一化输出，并在15—30C温度范围中能达到3%RH补偿特性。
输出特性如图3.8：
图3.8H204C湿度检测电路输出特性曲线
3.4.2设计方案二
在湿度检测组件中，以湿敏组件作为敏感组件构成的湿度传感器是当今国内外湿度传感组件领域研究的热点之一，并且为实践证明是一种既有发展前途的湿度测量方式。
在非电物理量的检测中，湿度测量是较困难的。
因为空气中含有的水蒸气量要比空气少的多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，从而使湿敏材料丧失原有性能；再者，湿信号的传递必须靠水对湿敏组件直接接触来完成，因此，湿敏组件只能直接暴露在待测环境中，而不能密封。
这些都导致湿传感器寿命较短。
目前最常用的湿敏组件有湿敏电阻和湿敏电容两类。
这两类组件必须采用交流信号驱动才能工作，并且通常情况下，湿敏电阻很大（几十千欧或几百千欧以上），湿敏电容很小（几百皮法以下），在使用中，若敏感组件和处理电路距离较远的话，连接导线的分布电容的影响就不容忽视，这在宏观上相当于在湿敏组件加上并联一个电容，这样，如果工作频率越高或连接导线越长，则对信号产生的影响就越大，直接远距离测量显然不现实。
温室内的湿度需要远距离测量，采用信号远传技术，变送处理是行之有效的手段之一。
图3.9湿度变送器原理图
该湿度变送其采用HG-2型厚模湿敏组件。
感湿材料为氧化铝复合晶体材料，其微观结构进程有序，为解决稳定性问题提供了可靠的保证。
厚膜工艺使其响应迅速，并具有使用时无需加热清洗及不怕水浸和结露的特点。
此组件全范围感湿，其阻值正常情况下与相对湿度呈线性关系。
由于湿敏组件又是温敏组件，采用具有与其温度系数相同特性的热敏电阻进行无源跟随补偿。
此外，湿敏组件属于非线性组件，在设计中采用对数放大器进行有源线性化。
3.4.3方案的选定
金属氧化物（H204C）为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵组件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，金属氧化物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。
电容式湿敏组件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。
但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。
市场上出售的一些电容式湿敏组件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。
虽然采用单片机补偿修正，但是湿度还是出现"阶跃"性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。
无论高档次或低档次的电容式湿敏组件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏组件不具备40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。
经过对以上方案进行分析，我们可以发现第二种方案更成熟、方便结构简单、实现容易。
通过在实验室中对后一种方案进行测试发现此种方案测试准确程度较高。
而另一种方案设计复杂在实际中存在一定的误差，因此我选定第二种方案。
3.5光照传感器
光照度是农作物生长的重要参数之一，在设施农业中光照度的检测越来越得到科技工作者的重视。
目前设施农业温室大棚环境控制用的光照度检测电路中，所使用的敏感组件大多为硅光电池。
实际上光敏二极管较硅光电池有许多优点，有很高的带宽，价格便宜，特别是光电流与光照度之间呈较好的线性关系，因此他在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中得到广泛的应用。
光照传感器的种类繁多，工作原理各异，在此不一一列举。
在温室环境控制中通常选用硅太阳能电池的感应组件及滤光片构成光照传感器。
3.5.1设计方案一
1.利用光敏三极管设计的光照检测电路
图3.10光敏三极管光照检测电路
2.利用光电二极管设计的光照检测电路（减法器）
图3.11光电二极管光照检测电路
3.利用光敏二极管设计的光照检测电路（加法器）
图3.12光敏二极管光照检测电路
3.5.2设计方案二
1.硅光电池的特点
硅光电池是较新的传感器，造价较低，精确度较高。
当光照照到硅光电池的表面时，光线的一部分被吸收，使半导体的原子中的电子离开原位，从而在PN结上产生了电压源。
它的一般特性如下：
1硅光电池在可见光区的光谱范围内使用；其峰值波长为8000～95000（M）
2硅光电池在实际使用中，其参数受环境温度影响较大，开始电压随环境的升高而降低，其电压温度系数约为-2mv/℃，短路电流随温度的升高而升高，其电流系数约为+78/℃，因此，硅光电池在
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