自动控制元件附线路.docx
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自动控制元件附线路
一、传感器的选型
传感器作为测量或监测系统的首要环节，是获取准确、可靠信息的重要手段。
在智能大棚中，传感器可以测量温度、湿度、CO2，光照等信息，并将测得的数据送到控制部分，经控制部分分析处理后转化为控制信号后，再驱动电机等进行工作。
因此，传感器部分是智能大棚整体结构中的重要环节。
下面分别详细地分析讨论智能大棚中各种传感器的选择。
1.温度传感器的选择
温度是影响茄子产量和品质的主要环境因子之一,在不同的生长时期对温度的要求也不尽相同,茄子幼苗生长发育所要求的适宜温度较高，一般为
。
如果温度高于
或者低于
，对茄子的幼苗生长发育都是不利的。
因此，选择高精度、高性能的温度传感器是我们的一项极为重要任务。
温度传感器是指能够感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，种类繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
温度传感器有四种主要类型：
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器。
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。
为了进行可靠的温度测量，首先就要选择正确的温度仪表，其中最常用的就是以上四种主要类型。
下面将详尽阐释几种常见的温度传感器特点及应用，并从中选择合适的传感器用作大棚温度的测量工具。
1.1热敏电阻
热敏电阻是用半导体材料制成的热敏元件，可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）。
负温度系数热敏电阻的应用较为广泛，其电阻温度特性曲线可用公式
表示，式中
是温度为
时的电阻值，A,B为常数。
热敏电阻的温度系数大,灵敏度高;体积小,可以测量点温度;固有电阻大,因此无需考虑延长导线时的误差补偿;热惯性小,适合动态测量;造价低;寿命长。
但是,热敏电阻器的精度和长期稳定性都不是很理想,而且非线性严重、互换性差。
为了克服热敏电阻器的非线性,往往需要进行线性修正。
有研究表明,经过补偿和线性修正后,采用热敏电阻器在大棚的实际温度测量范围内,准确度可以控制在
。
有的集成电路则可以直接将热敏电阻值转换为温度的数字输出,如MAX6682。
1.2热电偶
两种不同成分的导体两端相连接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。
其中,直接用作测量介质温度的一端叫作工作端（也称为测量端）,另一端叫作冷端（也称为补偿端）。
冷端与显示仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶测温电势可用如下关系式表示:
热电偶输出热电势
反映的是相对于冷端温度的热端温度,而我们测量温度的目的是要知道以
为基准的热端温度T。
这样,就必须知道
或冷端温度
这种通过获取
或
进而得到热端温度T的过程即为热电偶的冷端温度补偿。
由此可知热电偶冷端温度补偿的原因及其重要性。
电桥补偿法是最常用的冷端补偿法之一,但是热电偶是非线性的,而补偿电桥是线性的,因而难以实现完全补偿,常出现欠补偿或过补偿现象。
另外,补偿电桥与热电偶是一一对应的,通用性差。
热电偶测温的优点是测温范围广、热响应快、耐振动和冲击;缺点是灵敏度低,需修正冷端温度,并且温度要保持恒定。
此外,热电偶经长期使用后,热电极会出现被腐蚀、氧化或晶格不均匀等现象。
这将导致其热电特性发生变化并影响其准确性。
1.3电阻温度检测器
电阻温度检测器（或电阻测温器，通常简称RTD）一种稳定而又精确的测温元件，但也最昂贵。
在RTD中，器件电阻与温度成正比。
尽管有些RTD使用镍或铜，但RTD最常用的电阻材料还是铂。
RTD拥有很宽的温度测量范围。
根据其构造，RTD可测量
的温度范围。
RTD需要有外部激励（通常为一个电流源）才能是适当地工作。
但电流也会在电阻元件中产生热，从而引起测量误差。
用RTD测量温度的方法有多种，一种是让电流通过RTD并测量其上电压的2线方法。
其优点是仅需要使用两根导线，因而容易连接与实现。
缺点是引线电阻会参与温度测量，从而引入一些误差。
2线方法的一种改进是3线方法。
其中虽然也采用让电流通过电阻并测量其电压的方法，但使用第三根线可对引线电阻进行补偿。
这需要有一个第三线补偿测量单元，或需要测出第三根线上的温度值，并将其从总的温度测量值上减去。
第三种方法是4线法。
与其他两种方法一样，4线法中也同样采用让电流通过电阻并测量其电压的方法，但是从引线的一端引入电流，而在另一端测量电压。
电压是在电阻元件（RTD）上，而不是和源电流在同一点上测量，这意味着将引线电阻完全排除在温度测量路径以外。
换句话说，引线电阻不是测量的一部分，因此不会产生误差。
RTD具有一些明显优于其他测温器件的优点。
例如，它是所有测温器件中极为精确的一种，且其线性也比热电偶要好。
不过RTD也有一些缺点。
例如，它比热敏电阻和热电偶都贵，且需要使用一个电流源。
其DR也较小，这意味着用于测量温度变化的电阻也较小。
例如，当温度变化
时，RTD可能只变化0.1欧姆。
但如果采用2线法，则较低的绝对电阻也会引起测量误差。
在使用RTD时，有几种常见的现象常常未被人们考虑到，其中最严重的一种现象就是自热。
如果RTD由于测量电流流过而产生自热，则可能会引起误差。
1.4IC温度传感—智能型数字式温度传感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司推出的智能型数字式温度传感器。
DS18B20采用一线接口,该接口既可通信,又可通过数据线供电,只需占用微处理器的一个I/O位。
并且,DS18B20将测得的温度信号转换为数字量输出,可以直接与微处理器相连,不需进行信号放大和AD转换,大大简化了电路的设计。
DB18B20具有体积更小、试用电压更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建经济的测温系统。
DS18B20的内部结构如下图：
应用范围：
（1）该产品用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线等测温和控制领域
（2）轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。
（3）汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。
（4）供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。
由此可见由于DS18B20的优势很明显，测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少，因此得到了广泛的应用，在不同的领域发挥着重要的作用。
下图为其测温原理：
测温原理：
低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，位计数器提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，是很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器的2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度的测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，将
所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在
所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器达到被测温度值。
1.5总结
由于智能大棚采用单片机进行数据处理和控制，必须采用能够把非电量变成电量的传感器，根据上面各类传感器的优缺点对比和系统工作的需求，本系统选用DS18B20数字温度传感器，使用集成芯片，采用单总线技术，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时它可以直接将被测温度转化串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。
2.湿度传感器的选择
水分也是影响茄子产量主要环境因子之一，茄子在其生长发育过程中，不但要求土壤具有一定的含水量，而且还要求生长环境保持一定的空气湿度以保证根系吸收水分与叶子蒸腾之间的相对平衡。
茄子的生长期间适宜的土壤相对湿度为70%～80%；而茄子生长适宜的空气相对湿度为70%～80%，尤其在开花结果期对空气湿度要求较高。
因此，如何选择合适的湿度传感器来精确测量出空气和土壤的湿度又是一个需要解决的问题。
湿度有多种表示，根据测量对象、环境以及时量所要求的不同，也有多种不同的测量方法和测量仪器。
常用的几种湿度传感器优缺点列表比较如下：
湿度传感器的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸气吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。
湿度传感器具有精度和长期稳定性难以保证、受温度影响大、校正难度大等特点。
湿度传感器的精度一般应达到
。
在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，长时间使用会产生老化，导致精度下降，所以长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题。
针对大棚的具体环境，要求湿度传感器具有良好的灵敏度和精确度。
测湿范围宽，检测寿命长，可靠性要求高的特点。
目前国内市场上出现了不少湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化物和金属氧化物。
本系统采用HIH3620湿度传感器，它是为大批量OEM设计，具有仪表级测量性能，低成本，SIP封装。
线性放大电压输出，驱动电流200微安，适合电池供电，器件一致性好，所以有广泛的应用。
HIH3610湿度传感器的介绍
HIH3610湿度传感器采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
实物图如下：
HIH3610湿度传感器的特性：
（1）基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构
（2）高精度：
，极好的线性输出
（3）宽量程：
，宽工作温度范围
（4）湿度输出受温度影响极小，常温使用无需温度补偿
（5）响应时间5秒，浸水或结露后10秒迅速恢复
（6）抗静电，防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性气体物质
（7）长期稳定性及可靠性，年漂移量
年
3.光强传感器的选择
光照强度是影响茄子生产的重要因素之一，由于茄子属于对光照条件要求较高的作物，光照强度的变化会影响到茄子的生长发育。
所以我们需要高性能的光强传感器来检测光强的变化，实时关心茄子的生长。
光强传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料。
几种常用光电传感器的比较如下表所示：
由上表各类传感器的优缺点对比和系统工作的需求，选用集成光电传感器较为合适。
经过广泛查询和比较，本设计采用美国TAOS公司推出的光强度数字转换芯片TSL2561，该芯片主要由两个光敏二极管组成，可测量红外线和可见光强度。
TSL2561是一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。
该芯片的主要特点如下：
（1）可编程设置许可的光强度上下阈值，当实际光照度超过该阔值时给出中断信号
（2）数字输出符合标准的
总线协议；
（3）模拟增益和数字输出时间可编程控制
（4）在低功耗模式下，功耗仅为0.75mW
（5）自动抑制50Hz／60Hz的光照波动；
（6）内部集成了积分式A／D转换器，转换为数字量输出。
4.二氧化碳传感器的选择
也是影响茄子生长和产量因子之一，茄子在生长发育过程中，要求空气中较高的二氧化碳浓度，如能增加空气中的二氧化碳含量，光合作用的强度就会增强，从而达到增产目的。
但二氧化碳对光合作用的影响，与日照量有关，我们就需要测量大棚里二氧化碳的含量，观察其能否与日照量相匹配，进行调控，从而达到最优的光合作用效果。
因此，首先，我们应选择适当的二氧化碳传感器。
由于在温室生产特别是在密闭状况下的大棚生产状况下，
浓度常常较低。
不需要选择灵敏度高的
气体传感器，只需要性能稳定即可。
按所用气敏材料及气敏特性不同，气体传感器种类繁多。
几种常用气体传感器的比较如下表：
经广泛比较，本设计
浓度传感器选用美国FIGARO公司所生产的TGS4160。
TGS4160是一种固电式气体传感器，其输出量与
浓度呈很好的线性关系。
改产品具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点，同时还耐高湿低温，可广泛用于自动通风换气系统或是C02气体的长期监测等应用场合。
TGS4160主要技术参数如下：
（1）测量范围：
（2）输出电压：
：
（3）工作电压：
（4）使用寿命：
2000天
（5）加热器电压：
（6）加热器电流：
250mA
（7）加热器功耗：
1.25W
（8）内部热敏电阻：
（9）使用温度：
（10）使用湿度：
二、二氧化碳施肥装置
2.1二氧化碳施肥装置的组成及工作原理
考虑到该智能大棚用于东北地区，该地区用于烧煤的煤炉非常普遍，于是我们根据此特点设计出了二氧化碳施肥装置。
该装置主要由普通煤炉、气泵、过滤器、反应室、曝气管等组成，其结构图如下：
煤在普通煤炉中燃烧,产生的燃气通过过滤器被引入反应室底部,经曝气管分解为微小气泡,在药液中进行气液两相化学反应,吸收其中的二氧化硫、粉尘、煤焦油等有害成分,再经气泵抽吸后,即可输出纯净的二氧化碳气体,供温室作物利用。
2.2主要技术指标
外形尺寸（长×宽×高,含气泵）:
质量：
7.5Kg（含包装）
气泵型号:
CY-968C型温室气肥增施装置专用气泵（具有温升自动保护装置）
气泵尺寸（长×宽×高）:
气泵功率：
70W
气泵排气量:
气泵使用电源:
交流220V,50Hz
适用环境温度:
使用寿命:
5年以上
使用燃煤种类:
含硫量低于4%的低硫煤、中硫煤、多硫煤
温室内二氧化碳浓度（体积分数）:
主要有害气体浓度（体积分数）:
二氧化硫
一氧化碳
2.3该二氧化碳施肥装置的特点
a.燃料、炉具取材方便,适用地域广。
特别是在使用煤炉加温或有人住守的温室,可利用原有的煤炉产生气肥。
b.产生二氧化碳效率高,每燃烧1kg煤能产生
的二氧化碳。
使用成本低,每日耗煤约
耗电
加上药品费,每日使用成本不到2元,是现有各种气肥增施方法中最经济的。
c.可在开机时间内连续产生二氧化碳,并保持较高的浓度,因此增产效果显著。
d.可通过控制开机时间,调整二氧化碳的浓度。
e.使用安全,操作简便。
f.要在有交流电源的温室内使用。
三、温度控制系统的设计
3.1系统硬件设计方案
本方案主要设计思路是通过DS18B20温度传感器检测实时温度，并传输给单片机，在LED上显示温度，将检测到的温度与预先设置好的上下限温度进行比较，若实时温度不在上下限温度范围内则发生报警，然后调用控制模块自动执行升温或降温操作，并将实时温度传输给远程计算机进行记录与分析。
结构图如下：
该系统采用单总线工作方式，对大棚内进行多点温度采集和控制，AT89S51对整个系统进行自动控制，计算机作为上位机对数据进行实时记录与分析，单总线可以挂接多个DS18B20温度传感器，对大棚内不同地方的温度进行采集。
下面是各部分硬件的主要作用：
（1）温度采集：
DS18B20是一种精度高、数字化、功能强的温度传感器，可以将采集到的实时温度转换成数字信号传输给单片机，采用单向总线的方式与单片机连接，实现数据的双向传输。
DS18B20温度传感器测量的范围在
当温度在
到
之间时，误差为
。
DS18B20可将温度按照不同的分辨率进行转化，并将温度值转换成16位的二进制补码形式在单总线上传输，高五位为温度的符号位，当温度为正时则全部0，当为负时，则全部为1，低四位为温度的小数部分，中间7位为温度的整数部分。
（2）LED显示：
采用八段式共阴极数码管显示，编译命令简单，价格低廉，且输出精度高。
（3）执行器：
执行器主要由中间继电器控制接触器，进而控制电机的启动或正反转，实现对大棚的温度的控制。
当检测到的温度值不在设置的温度值范围内时，AT89S51控制相应的继电器闭合，对大棚内的温度进行自动控制。
（4）报警器:
将采集到的实时温度与设定的上下限温度进行比较，若超过上限温度则红灯亮，如低于下限温度则黄色灯亮，在预设的上下限温度范围内则绿灯亮。
（5）单片机：
本系统采用AT89S51单片机作为数据处理单元，对DS18B20温度传感器输入的16位二进制信息经过系统编程处理后，对数据进行显示、报警以及控制。
AT89C61是一种低电压、高性能的CMOS8位单片机，含有一个5向量级中断结构，和一个全双工串行通信接口。
AT89S51结构简单，使用方便，能够稳定运行，可通过C语言编写命令来完成各种控制。
DS18B20通过单总线方式连接到AT89S51，采集各店温度，通过单片机判断温度是否超出预设值，通过LED显示出温度，发出警报，并通过执行器进行升温或降温操作。
3.2系统软件设计方案
该系统主要通过C语言进行设计，主要对控制模块、LED显示、报警系统和温度采集等进行自动调用。
首先对系统完成初始化的过程，再完成对DS18B20温度传感器的初始化，使得传感器开始工作。
系统通过调用温度采集程序读取DS18B20传输的16位二进制数据，并进行转化，通过调用LED显示程序使得采集到的温度值在LED上进行显示，报警程序对温度传感器传输的温度与设定好的上限温度值进行比较，流程图如下：
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