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設施農業(yè)是世界現代農業(yè)發(fā)展的主要方向之一，我國農業(yè)正處于從傳統也向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效為目的的現代化農業(yè)轉化新階段，設施農業(yè)是我國今后比較長(cháng)的時(shí)間內農業(yè)發(fā)展的個(gè)主要方向。 環(huán)境控制對果樹(shù)生產(chǎn)的重要作用已經(jīng)為國內外大量的科學(xué)實(shí)驗和生產(chǎn)的實(shí)踐所證實(shí)。只有在適宜的生長(cháng)環(huán)境下果疏才能充分發(fā)揮其高產(chǎn)潛力。多年的有關(guān)果樹(shù)生長(cháng)環(huán)境的研究，不儀知道了農業(yè)生產(chǎn)，也為溫室環(huán)境測控的研究提供了理論和依據。但如何利用傳感器技術(shù)，白動(dòng)檢測技術(shù)，通訊技術(shù)，計算機技術(shù)的發(fā)展和溫室栽培的推廣研制出對溫室溫度，濕度，二氧化碳濃度的智能測控系統，為果樹(shù)提供最佳的生長(cháng)環(huán)境，一直是農業(yè)研究者面臨的重要課題。 雖然國外采用了全智能控制，但是他們的成本太高，不適合我國國情，國內已有的日光溫室主要采用自然能源，雖然造價(jià)比較低，但過(guò)于簡(jiǎn)陋，只有少數實(shí)現了溫度、濕度、光照等單一因素的測控，不能滿(mǎn)足日益現代化的農藝要求。本文研制一種價(jià)格比較適宜、擴展性較好的多功能溫室智能測試系統。 1 系統組成及工作原理 本系統功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉換、各種信息的顯示等;軟件主要完成信號的處理及控制功能等。 其工作原理是89C51單片機一次查詢(xún)各傳感器的輸出信號，然后89C51對輸入信號進(jìn)行相應處理后通過(guò)顯示模塊44780輸出，同時(shí)還可輸出各種報警信號。 2 硬件構成 該系統硬件主要包括以下幾個(gè)模塊：89C51主控模塊、傳感器模塊、A/D轉換器、擴展、44780顯示模塊等。其中89C51主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，傳感器完成信號的采樣功能，A/D轉換器主要完成模/數的轉換、存儲器主要完成程序和數據的存儲、44780顯示模塊完成字符、數字的顯示功能。 主控模塊 系統采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機，它帶有4kB閃速式存儲器、128B內存，最大工作頻率24MHz，同時(shí)，具有32條輸入輸出線(xiàn)，16位定時(shí)/計數器，5個(gè)中斷源，1個(gè)串行口。 2.1 傳感器的選取 2.1.1 溫度傳感器 采用AD590集成溫度傳感器，此傳感器是電流型的，它的特性如表1所列。 測量地表溫與土溫也可以用AD590集成溫度傳感器。由于傳感器探頭要插入土中，所以要將傳感器及變換電路封裝在金屬探棒中。金屬探棒可以起到防水、防腐的作用。又因為金屬的導熱性好，所以金屬探棒不會(huì )影響傳感器對溫度的測量。 2.1.2 濕度傳感器 采用IH3605電容式集成濕度傳感器。其輸出電壓較高且線(xiàn)性較好。尢需進(jìn)行信號放大和信號調整，可直接進(jìn)行A/D轉換。其特性表如表2所列。 2.1.3 光照強度傳感器 本系統選用北京林業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的光量子傳感器，主要由感應元件和匹配濾光片系統組成。感應元件選用硅太陽(yáng)能電池，在太陽(yáng)輻射作用下產(chǎn)牛的光電流與輻射強度成線(xiàn)性關(guān)系。標準的硅光電池的光譜響應在400nm-1100n。的范圍，峰值波長(cháng)為800nm。光量子傳感器是一種靈敏的藍色硅電池，在近紅外區域700nm-1100nm只有相當低的響應，而在可見(jiàn)區域400～700nm比一股硅電池的響應卻要高得多，峰值響應在550～-650nm之間。光量子傳感器在光的照射下，輸山變化十分微弱的電流信號(約幾個(gè)微安)。所以光合有效輻射的檢測電路應選用低漂移，共模抑制比高的集成運算放大器。放大電路采用電流一電壓變換放大電路，如圖1所示。光電子傳感器的電氣特性如表3所列。 2.1.4 C02濃度傳感器 C02濃度傳感器選用紅外線(xiàn)氣敏傳感器。其測量范圍寬，達-2000ppm，檢測精度可達15%�？梢赃x用這種方法來(lái)監測溫室空氣中C02的濃度。 2.1.5 土壤水分傳感器 選用TDR-3型土壤水分傳感器。TDR-3土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機理無(wú)關(guān)，是目前國際上最流行的土壤水分測量方法。TDR-3型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。 2.2 多路開(kāi)關(guān)CD4051 本系統選用了單端8通道模擬多路開(kāi)關(guān)CD4051。它由電平位移電路，帶禁止端INH的8選1譯碼器和由該譯碼器對各個(gè)輸出分別加以控制的八個(gè)CMOS雙向模擬開(kāi)關(guān)組成。其引腳如圖2所示。INH為高電平時(shí)，八路通道全部不通。A、B、C分別為輸入選通地址端，0-7為八路模擬輸入信號端，COMMON端為被選通模擬信號的輸出端CD4051傳送的信號范圍從VFE到VDD。由于環(huán)境因子的采樣信號幅值為0～2V，所以將VEE端與Vss端相連并接地，VDD端接電源端Vcc，使得信號傳送范周為O-Vcc，即0～+5V，INH，A，B，C四端連接四根地址線(xiàn)，控制信號的選通，其真倩表見(jiàn)表4。選通的信號從COMMON端送到A/D電路。 2.2.1 通道的分配 七路環(huán)境因子的測量信號各占一個(gè)通道。通道分配如表5所列。 2.3 A/D轉換電路 MC14433采用8位數據輸出，轉換精度為1/2000，相當于11位二進(jìn)制A/D轉換器的精度。它還具有抗干擾性好、自動(dòng)校零、自動(dòng)極性輸山、自動(dòng)量程控制信號輸出、單基準電壓、外接元件少等特點(diǎn)。MC14433的引腳及外接元件如圖3所示。 MC14433的轉換速度較慢，不宜用查詢(xún)方式。系統采用如圖3中所示的中斷方式。每次A/D轉換結束，EOC都輸出一個(gè)正脈沖，其寬度為0.5個(gè)內部時(shí)鐘振蕩周期，如圖3所示。將EOC端接入89C51的外部中斷1引腳，利用EOC脈沖的下降沿觸發(fā)中斷。單片機處理中斷服務(wù)程序，接收數據。動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出 BCD碼的QO-Q3和DSi-DS;與89C51的PI口相連。 2.4 擴展電路與地址分配 2.4.1 擴展電路 89C51芯片上帶有擴展功能引腳。 -EA/VPP端：系統中該引腳接+5V高電平，程序計數器PC先訪(fǎng)問(wèn)內部程序存儲器，當PC值超過(guò)OFFFH(4k)時(shí)，轉向 執行外部程序存儲器內的程序。 -PSEN端：外部程序存儲器讀選通信號。本系統未擴展外部程序存儲器，此引腳空。 ALE/-PROD端：系統擴展外部存儲器時(shí)ALE輸出鎖存信號。 89C51內部有128個(gè)字節的RAM存儲器。存實(shí)時(shí)數據采集和處理時(shí)，僅靠片內的RAM是不夠的，還需要利用89C51的擴展功能擴展外部數據存儲器。常用的數據存儲器有靜態(tài)SRAM和動(dòng)態(tài)DRAM。由于DRAM需要不斷刷新，設計時(shí)要增加刷新電路，電路復雜，可靠性差。因此SRAM在單片機測控系統中應用更普遍。 系統采用常用的2KX8位SRAM6116。它采用CMOS工藝制造，單一+5V電源，典型存取時(shí)間200ns。與89C51硬件連接如圖4所示。74LS373是帶三態(tài)門(mén)的8D鎖存器，用作地址鎖存器。 2.4.2 端口及地址分配 端口及地址分配如表6所列。 根據以上端口分配，可以確定外設地址為： 多路開(kāi)關(guān)CD4051：XO-X7對應BOH-B7H;B8H-BFH全不通; 外部擴展RAM：0800-OFFFH，共2k; 執行信號輸出依靠P2.5線(xiàn)選鎖存器74LS373，后將控制字從PO口輸山到74LS373來(lái)完成。 2.5 執行信號輸出 本系統的執行信號輸出電路為試驗性的仿真電路。系統模擬八路執行信號，針對七路環(huán)境因子信號的監視情況，主控機發(fā)出控制指令，控制單片機開(kāi)啟一路或多路執行信號電路，以實(shí)現對環(huán)境因子狀態(tài)的調控。執行輸出電路由控制字鎖存器、發(fā)光二極管、電阻組成。各路執行信號所代表的執行機構或系統如表7所列。 2.6 通信方式 本系統是溫室群的監控系統，它是由多臺前沿機和主控機構成的網(wǎng)絡(luò )組成的。因此系統的狀態(tài)監視、環(huán)境控制等都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信來(lái)實(shí)現的。所以，前沿機的通信電路是系統重要組成部分。 溫室群環(huán)境監控系統的實(shí)時(shí)性要求不高，傳輸的信息量也不太大，因此串行異步通訊可以滿(mǎn)足其通訊需求，并且具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)。本系統采異步通訊。溫室群環(huán)境監控系統要求遠距離數據傳送，對數據傳送速率要求不太高并要有一定的抗干擾能力，因此RS-422最適合系統的要求。適當降低傳輸速率，如9600bit/s，可以使傳送距離達到1200m以上，完全滿(mǎn)足系統要求。主控機口通信采用主機板上空閑的標準25芯COM2 口，進(jìn)行電平轉換后掛接RS-422總線(xiàn)。使用這種轉換器時(shí)可以使用與RS-232相同的通訊軟件而無(wú)需進(jìn)行修改。其引腳定義如表8所列。 本系統采用RS-422與TTL電平轉換常用芯片：傳輸線(xiàn)驅動(dòng)器SN75174;傳輸線(xiàn)接收器SN75175，SN75174是一具有三態(tài)輸出的單片四差分線(xiàn)驅動(dòng)器。SN75175是具有三態(tài)輸山的單片四差分接收器。它們的設計符合EIA標準RS-422規范，適用于噪聲環(huán)境中總線(xiàn)線(xiàn)路較長(cháng)的多點(diǎn)傳輸。芯片采用+5V電源，與其他芯片一致。通信線(xiàn)路采用標準RS-422九芯插接件。電路如圖5所示。 2.7 監控網(wǎng)絡(luò ) 本系統采用總線(xiàn)型監控網(wǎng)絡(luò )�？偩�(xiàn)型拓樸結構如圖6所示。在總線(xiàn)型控制網(wǎng)絡(luò )中，主控站通過(guò)總線(xiàn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)前沿機。只有主控站有權控制總線(xiàn)，而各前沿機則不可以，并且各個(gè)前沿機之間不能直接進(jìn)行通信。這種拓樸結構的特點(diǎn)是：數字化的數據通過(guò)串行輸入/輸出總線(xiàn)進(jìn)行傳送;通訊協(xié)議采用RS232，RS422，RS485等;系統擴展較為靈活：通信速率較低。 2.8 44780顯示模塊 本系統采用44780驅動(dòng)的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規模點(diǎn)陣LCD控制器(兼帶驅動(dòng)器)，和4bit/8bit微處理器相連，它能使點(diǎn)陣LCD顯示大小寫(xiě)英文字母、數字和符號等豐富的信息，同時(shí)有較強的通用性應用，使用方便，用戶(hù)能用少量元件就可組成一個(gè)完整點(diǎn)陣LCD系統，送入相關(guān)的數據和指令即可實(shí)現所需的顯示。 44780顯示模塊有8條數據線(xiàn)，3條控制線(xiàn)，可與微處理器或微控制器相連，通過(guò)送入數據和指令，就可使模塊正常工作，44780顯示模塊和89C51單片機連接電路如圖7所示。 2.9 抗干擾設計 在微機測控系統中，系統抗干擾性能的好壞直接影響到整個(gè)系統工作的可靠性與安全性。因此，抗干擾設計是系統設計的一個(gè)主要內容，本系統采用的是由硬件和軟件相結合的抗干擾措施。 2.9.1 系統硬件抗干擾設計 (1) 濾波技術(shù) 將電源變壓器的進(jìn)線(xiàn)段加入濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾;在直流電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間接濾波電容，以抑制電源噪聲。 (2) 去耦電路 存印刷電路板的各個(gè)集成電路的電源線(xiàn)端與地線(xiàn)端之間配置去耦電容。 (3) 屏蔽技術(shù) 屏蔽技術(shù)主要由電場(chǎng)屏蔽，電磁場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽三類(lèi)，本系統是電場(chǎng)和電磁場(chǎng)屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛起來(lái)。磁場(chǎng)屏蔽則應采用高導磁率的材料。 (4) 光電隔離： 再I(mǎi)/O通道上采用光電隔離器，將單片機系統與各種傳感器、開(kāi)關(guān)從電器上隔離開(kāi)來(lái)，很大一部分干擾可被阻擋 2.9.2系統軟件抗干擾設計 對于微機測控系統，僅僅考慮硬件的抗干擾是遠遠不夠的，采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不儀能降低系統的硬件成本，又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，使系統具有自我診斷，自我恢復的能力。本系統采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種： (1) 數字濾波技術(shù)，采用數字濾波技術(shù)除去輸入信號中所摻雜的各種隨機干擾。 (2) 軟件陷阱技術(shù)，當系統受劍干擾，PC值發(fā)生變化，程序"亂飛"等情況，可以用軟件陷阱和看門(mén)狗將程序拉回到復位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標志，在每次程序復位時(shí)，通過(guò)這些標志，可以判斷復位原因并根據不同的標志直接跳到相應的程序。這樣可以使程序運行有連續性，用戶(hù)在使用時(shí)也不易察覺(jué)到程序被重新復位過(guò)。 3 軟件設計 該系統軟件主要由主程序、中斷子程序、數據采集與A/D轉換子程序、顯示子程序、報警子程序等六大模塊組成，因為C語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件易于實(shí)現模塊化，生成的機器代碼質(zhì)量高、可讀性強、移植好，所以本系統的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，再KeilVision3 Demo版本的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。 3.1 主程序設計 主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能，主程序流程圖如圖8所示。 3.2 數據采集子程序設計 數據采集與A/D轉換子程序根據輸入參數對相應的模擬信號進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應信號的數值返回主程序。 3.3 顯示子程序設計 顯示子程序完成符號、數值的顯示輸出。 3.4 報警子程序 主要實(shí)現異常情況下控制告警信號輸山。如當室內溫度升高到某一點(diǎn)時(shí)，或濕度低于某一規定值時(shí)，音頻報警裝置會(huì )發(fā)出不同頻率的告警信號，同時(shí)相應的指示燈亮(點(diǎn)亮報警指示燈的任務(wù)由顯示子程序來(lái)完成)，以引起工作人員的主意。 4 仿真與調試 4.1 仿真器選擇 本系統選用ME-52單片機仿真開(kāi)發(fā)系統，它實(shí)時(shí)仿真頻率高達33MHz，提供2～24MHz的時(shí)鐘信號。同時(shí)它提供64KB程序代碼存儲器，支持仿真所有程序和數據地地址空間，支持Franklin V3.XX/Keil 6.xx編譯連接工具。具有分別獨立控制項目文件的項目管理器。另外具有VC++風(fēng)格的窗口駐留，窗口動(dòng)態(tài)切分和工作簿模式窗口界面。 4.2 仿真調試 在仿真調試階段，采用"自底向上逐步集成"的策略，逐模塊進(jìn)行仿真測試，在此基礎上逐步集成。譬如可先仿真顯示模塊、測溫子模塊、測濕度子模塊等，然后將仿真成功的模塊逐個(gè)加入主程序進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中發(fā)現錯誤，采用"分塊壓縮策略"，快速找到并改正錯誤;注意在集成過(guò)程中出現問(wèn)題，大多是由于模塊間資源使用沖突引起的。當軟件模塊仿真成功后，可與硬件一起進(jìn)行在線(xiàn)仿真，此時(shí)在調試中出現的問(wèn)題大多是由于連接線(xiàn)連接錯誤、虛焊、布線(xiàn)不合理等原因造成的。 隨著(zhù)電子技術(shù)的廣泛應用，智能溫室控制必將成為一種發(fā)展趨勢，文中提出利用51單片機和新型傳感器對溫室環(huán)境進(jìn)行測試，目前原型機己取得成功。調試結果表明，本系統可靠性高、使用方便，下一步將住此基礎上開(kāi)發(fā)控制系統，給用戶(hù)提供更大的方便。 |
