智能溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究

齊 鐵，王志國(guó)，初秀娟

(綏化學(xué)院，黑龍江綏化，152061)

0 引言

本系統(tǒng)是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，多臺(tái)AT89S51 單片機(jī)為下位機(jī)組成的智能溫室計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是個(gè)以計(jì)算機(jī)為核心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有溫室中溫度和濕度的檢測(cè)和調(diào)節(jié)，把溫室中各傳感器采集的溫度和濕度等數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存起來(lái)，然后與計(jì)算機(jī)里儲(chǔ)備的多種作物生長(zhǎng)發(fā)育適宜環(huán)境參數(shù)，以及專(zhuān)家給出的植物生長(zhǎng)不同階段的生物信息進(jìn)行比較，根據(jù)所種農(nóng)作物的最佳環(huán)境指標(biāo)，經(jīng)過(guò)控制計(jì)算，給出執(zhí)行指令，使溫室中的天窗、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)網(wǎng)和濕簾等執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證溫室中所種的農(nóng)作物能獲得最佳的生長(zhǎng)空間。同時(shí)將數(shù)據(jù)送到上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、管理和統(tǒng)計(jì)分析。

1 系統(tǒng)的硬件電路研究

1.1 總體思路

系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫度和濕度等環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，由現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)完成對(duì)這些環(huán)境信息量的采集、存儲(chǔ)和預(yù)處理，并通過(guò)串行總線與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。然后與預(yù)置的參量進(jìn)行對(duì)比，完成越限報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，同時(shí)將信息控制量傳給控制器，控制器將處理后的信號(hào)再傳給繼電器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器（如電機(jī)、電磁閥等），完成天窗、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)網(wǎng)和濕簾等設(shè)備的自動(dòng)控制，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度和濕度 。硬件部分總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件部分總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 傳感器的選擇

傳感器是將被控對(duì)象或被控制量轉(zhuǎn)換為電量的一種裝置。它在系統(tǒng)中具有很重要的地位，它的精度會(huì)直接影響控制系統(tǒng)的精度。

1.1.1 溫度傳感器的選擇

本系統(tǒng)溫度信號(hào)采集選用可編程數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。它不僅可實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度信號(hào)的采集，還能通過(guò)編程直接讀出9 至12位四種設(shè)置讀取方式的被測(cè)溫度。因而系統(tǒng)可省去后面信號(hào)的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩部分電路，使外圍電路非常簡(jiǎn)單，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)。

1.1.2 濕度傳感器的選擇

本系統(tǒng)濕度信號(hào)采集選用電容式濕度傳感器HS1101。它采用專(zhuān)利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，測(cè)量范圍一般可達(dá)到0～100%，具有響應(yīng)時(shí)間短、可靠性高和穩(wěn)定性長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其精度非常高。

1.3 系統(tǒng)電路研究

本系統(tǒng)電路主要包括溫度檢測(cè)電路、濕度檢測(cè)電路、控制執(zhí)行電路和超限報(bào)警電路。

1.3.1 溫度檢測(cè)電路

DS18B20 的輸入和輸出采用的是數(shù)字信號(hào)，利用單總線技術(shù)接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù)它的內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理后，把轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)再按照通信協(xié)議利用一個(gè)IO 口模擬DS18B20 的時(shí)序，發(fā)送命令給DS18B20，轉(zhuǎn)換完成后送給計(jì)算機(jī)，在顯示器上讀取溫度值。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，需設(shè)定溫度的標(biāo)準(zhǔn)值和上下限值，當(dāng)某處溫度超過(guò)極限值時(shí)，報(bào)警器報(bào)警。

DS18B20 的最佳工作方式是采用外部電源供電方式，其多點(diǎn)測(cè)溫電路如圖2 所示。

圖2 外部供電方式的多點(diǎn)測(cè)溫電路圖

1.3.2 濕度檢測(cè)電路

由于HS1101 是電容式濕度傳感器，它的電容不可直接測(cè)量，所以需利用555 多諧震蕩電路先檢測(cè)到頻率，再由單片機(jī)計(jì)算出電容量值，最后根據(jù)電容值計(jì)算出相應(yīng)的濕度值。濕度檢測(cè)電路如圖3 所示。在電路中，555 定時(shí)器是用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號(hào)的。

圖3 濕度檢測(cè)電路

其工作中的周期為：

可見(jiàn)，當(dāng)溫室內(nèi)濕度發(fā)生變化時(shí)，HS1101 兩端的電容量發(fā)生改變，使電路的輸出頻率也隨著呈反比例的改變。這樣，只要測(cè)出NE555N 的輸出頻率就可測(cè)得濕度。

1.3.3 控制執(zhí)行電路

控制執(zhí)行電路由單片機(jī)的輸出開(kāi)關(guān)量來(lái)控制電機(jī)或恒溫閥，如圖4 所示。單片機(jī)選擇AT89S51，采用光電耦合器進(jìn)行弱電和強(qiáng)電的隔離，考慮到輸出信號(hào)要對(duì)可控硅進(jìn)行觸發(fā)，以便接控制電路，因此晶閘管選用既有觸發(fā)功能又有光電隔離功能的MC3041。鍵盤(pán)采用虛擬面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與實(shí)際操作對(duì)應(yīng)的各種控鍵，開(kāi)關(guān)K 接復(fù)位鍵，與RC 構(gòu)成復(fù)位電路。

圖4 控制執(zhí)行電路

2.3.4 超限報(bào)警電路

本系統(tǒng)中超限報(bào)警電路采用低壓音頻功率放大器，當(dāng)實(shí)際溫度或濕度超過(guò)設(shè)置的值時(shí)，放大器輸出一定頻率的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)音頻功率放大器放大后，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。

2 系統(tǒng)軟件研究

LabVIEW 不僅提供了開(kāi)發(fā)虛擬儀器面板的對(duì)象和進(jìn)行信號(hào)分析的函數(shù)，而且在外掛PID 工具里，還提供了開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的各種函數(shù)。用戶(hù)利用提供的接口，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況配置參數(shù)，方便的進(jìn)行PID 控制器的設(shè)計(jì)，搭建所設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)[5]。因此，本系統(tǒng)選用LabVIEW 為編程平臺(tái)。

前面板是直接面向用戶(hù)，用來(lái)提供用戶(hù)與系統(tǒng)的接口，用于設(shè)置輸入?yún)?shù)和觀察實(shí)時(shí)溫度和濕度等。根據(jù)系統(tǒng)的功能，利用LabVIEW 的控制模板，在前面板上放入輸入控件、顯示控件、數(shù)據(jù)輸出控件、控制按鍵和功能轉(zhuǎn)換鍵等。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)對(duì)溫度和濕度的自動(dòng)控制功能，并在智能溫室的應(yīng)用中取得了較好的效果。但是，影響溫室的環(huán)境信息還有CO2 及陽(yáng)光、室外的溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)光照和CO2 的自動(dòng)控制，還可以在溫室外面安裝一套傳感器來(lái)采集信息，這樣就可以將室內(nèi)外信息結(jié)合在一起，使溫室內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境達(dá)到最佳。

[1]李全利，單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M]，北京：高等教育出版社，2012

[2]張毅剛，彭喜元，彭宇，單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M]，北京：高等教育出版社，2011

[3]孫余凱，傳感器應(yīng)用電路300例 [M]，北京：電子工業(yè)出版社，2008

[4]張萍，黃增雙，基于555 定時(shí)器的數(shù)字化測(cè)濕方法的研究[J]，自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,26(09):106-107,2006

[5]楊樂(lè)平，李海濤，楊磊，LabVIEW 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M]，北京：電子工業(yè)出版社，2005