溫室大棚多功能測控儀的設(shè)計

溫室大棚多功能測控儀的設(shè)計

0溫室大灣溫濕度測量儀器以塑料大池為代表的現(xiàn)代溫室溫室在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科學(xué)的研究中，我們必須準確、準確地檢測和控制溫室內(nèi)的一些物理變量，如溫度和濕度。由于常用的各種檢測系統(tǒng)復(fù)雜,且價格較高,很難在溫室大棚中進行普及。當前實際生產(chǎn)中基本沿用人工測控方法,不可避免地存在勞動強度大、工作繁瑣、測量精度低,而且由于檢測報警不及時給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研工作造成損失等缺點。因此,為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準確性,推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展,迫切地需要一種造價適中、簡單實用的自動化程度高的溫室大棚溫濕度測控儀。為此,在市場調(diào)查研究和吸收用戶使用意見的基礎(chǔ)上反復(fù)分析論證,提出并研制了本測控儀系統(tǒng)。1測控儀硬件結(jié)構(gòu)為了測控儀的推廣和使用,系統(tǒng)硬件設(shè)計力求結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、性價比高。測控儀硬件結(jié)構(gòu)框圖,如圖1所示。其主要包括傳感器、變送器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機、I/O接口電路、輸入設(shè)備(鍵盤)、輸出設(shè)備(數(shù)碼顯示器LED,監(jiān)視器CRT,微型打印機)和輸出控制設(shè)備(含電磁閥)等。1.1a/d轉(zhuǎn)換電路主機板上裝有AT89C52單片機,這款單片機芯片有8KB閃存存儲器(flashmemory)、256B內(nèi)部RAM、A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135、電源和6個插槽(2個4052插件和4個8155插件)。冗余是指利用這6個插槽,根據(jù)用戶需要插上相應(yīng)的模板。在設(shè)計中,借鑒了STD總線控制機的設(shè)計方法,而采用了自定義的三總線結(jié)構(gòu),這樣可以充分地發(fā)揮AT89C52的硬件資源優(yōu)勢,降低成本。1.2濕度測量儀器本系統(tǒng)需要檢測的參數(shù)有空氣溫、濕度和土壤溫、濕度(即土壤含水量)。溫度傳感器選用了價格便宜,穩(wěn)定性、線性度比較好的集成半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。AD590測量范圍為-55°～150℃,滿足系統(tǒng)使用要求。本系統(tǒng)的濕度檢測采用干濕球原理,通過測量同一處干球和濕球溫度求得該處空氣濕度,即溫、濕度的檢測都用溫度傳感器。該測量原理能夠解決目前空氣濕度傳感器普遍存在的壽命短、精度低、穩(wěn)定性差、重復(fù)性差、電路復(fù)雜等缺點,進一步提高產(chǎn)品性能。干濕球法測濕的原理是基于濕球表面的水分在足夠大的穩(wěn)定風(fēng)速下蒸發(fā)得到濕球溫度,根據(jù)干濕表方程式,即導(dǎo)出被測空氣的水汽分壓,計算出相對濕度、露點溫度等各種濕度表示單位。計算相對濕度U,即有式中e—被測空氣的水汽分壓;U—被測空氣的相對濕度;e(ta),e(tw)—分別為干濕球溫度對應(yīng)下的飽和水汽壓;P—當時當?shù)卮髿鈮褐?濕度值的計算全部由單片機自動完成,這種方法既可以利用單片機解決系統(tǒng)計算量和修正工作量大的問題,同時又可以保證測量值的高精度,降低測控儀的成本,從而提高系統(tǒng)的性價比。土壤濕度(土壤含水量)測量比較困難,目前還沒有一種被普遍認可的標準測量方法,當前使用的方法各有優(yōu)缺點。本系統(tǒng)采用的是電阻法,根據(jù)土壤導(dǎo)電率隨其水分含量多少不同的原理,用兩根被絕緣質(zhì)隔離的長形的平行不銹鋼電極作為土壤水分含量傳感器。為了減少土壤物理結(jié)構(gòu)、溫度、化學(xué)成分以及電極與土壤的接觸狀態(tài)對測量精度的影響,將電極鑲嵌在石膏塊中。各傳感器將被檢測量轉(zhuǎn)為類型、數(shù)量級各異的電信號,經(jīng)過各自的變送器轉(zhuǎn)換為標準的-2～2V電壓信號,通過多路模擬開關(guān)4052共用一個A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135。硬件結(jié)構(gòu)進一步簡化,提高了可靠性,降低了成本。根據(jù)檢測現(xiàn)場的實際需要每個系統(tǒng)需要檢測與控制的物理量不盡相同,同一參量不同系統(tǒng)檢測點數(shù)與控制點數(shù)也有所區(qū)別,用戶可以選擇不同的模板進行組合。對于較小的單個溫室大棚,系統(tǒng)使用的傳感器和控制點都比較少,就只在2個插槽上插件(1個4052插件和1個8155插件)。對于較大的溫室大棚,如果只需檢測與報警而不需要控制,則只需圖1中的8155Ⅳ及其外部設(shè)備,并不需要8155Ⅰ-Ⅲ。1.3i/o接口電路設(shè)計本系統(tǒng)要控制驅(qū)動的有滴灌與噴灌電磁閥、電加熱絲、排風(fēng)扇電機(用于排除濕氣)和卷簾電機。因為8155I/O接口電路不但有3個接口,還有1個定時器和256個RAM單元,根據(jù)系統(tǒng)輸出量的多少,選用若干片8155作為輸出接口電路。這可以解決系統(tǒng)的大量計算和定時控制,不需要再擴展RAM和定時/計數(shù)器。1.4靜態(tài)顯示接口本系統(tǒng)設(shè)計了兩種顯示輸出接口電路:數(shù)碼顯示LED與監(jiān)視器顯示CRT。二者均占用串行輸出口,用戶根據(jù)需要擇其一即可。對于一般的檢測和巡回顯示,用串入并出移位寄存器74LS164作為靜態(tài)顯示的LED輸出接口;當組成比較大或需要顯示更多信息(比如漢字或圖形)時,用標準的232接口,配置CRT監(jiān)視器。為了打印檢測結(jié)果和相關(guān)信息,系統(tǒng)還設(shè)計了微型打印機接口電路。2基于主機的測控程序設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用模塊化結(jié)構(gòu),與硬件配置相適應(yīng)。利用主程序協(xié)調(diào)具有不同硬件配置的系統(tǒng)子程序,組成完整的能夠完成確定功能的系統(tǒng)測控程序是軟件的重點和難點。該系統(tǒng)軟件主要由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、顯示子程序(LED顯示或CRT顯示)、鍵盤中斷服務(wù)程序、打印子程序、定時中斷服務(wù)程序等組成。主程序框圖如圖2所示。2.1sds-料/片本單元根據(jù)系統(tǒng)硬件配置不同子程序會有所不同,主程序?qū)ψ映绦虻膮f(xié)調(diào)方法也會不同,但主程序的流程是相同的。它順序執(zhí)行:一是將給定值及各參數(shù)的上、下限由鍵盤輸入或指定的閃存單元傳送到指定的片內(nèi)RAM單元。二是初始化。主要是定義定時/計數(shù)器及各8155的接口功能,開中斷。三是巡回檢測、顯示并調(diào)節(jié)各量。如果參數(shù)有越限,聲光報警,這是整個軟件系統(tǒng)的主體。2.2控制精度的影響根據(jù)測控儀實際應(yīng)用的環(huán)境、溫室大棚的容量和所種作物的不同參數(shù)要求,其控制精度也會不同。容量大而要求控制系統(tǒng)動、靜態(tài)品質(zhì)不高的設(shè)施,一般采用乒乓控制;容量小要求控制系統(tǒng)動、靜態(tài)品質(zhì)高的設(shè)施,則采用PID調(diào)節(jié)方法。實踐證明,PID調(diào)節(jié)方法能夠滿足一般溫室大棚被控對象較高的控制要求。3存在干擾但仍然存在干擾運行實踐表明,盡管本系統(tǒng)一般運行于非工業(yè)環(huán)境的溫室大棚中,但仍然存在干擾。因此,采取有效的抗干擾措施是必須的,除在硬件方面采取了諸如凈化電源、信號屏蔽以及光電隔離等技術(shù)外,還在軟件方面采取了數(shù)字濾波和看門狗(watchdog)技術(shù)。4主要技術(shù)指標本測控儀已通過技術(shù)鑒定,投入應(yīng)用。根據(jù)溫室大棚用戶的實際應(yīng)用,該儀表除可減輕勞動強度、提高自動化程度外,節(jié)能效果也很明顯,如用于溫室大棚,至少節(jié)電、節(jié)水20%。其主要實測技術(shù)指標,如表1所示。以下各措施保證了本測控儀較高的檢測與控制精度和良好的運行穩(wěn)定性:一是系統(tǒng)選擇了最適合的傳感器;二是運算放大器采用的是具有高輸入阻抗、低失調(diào)電流、高共模抑制比的測量放大器AD521;三是A/D轉(zhuǎn)換電路采用的是抗干擾能力強的ICL7135,該芯片是4位半精度的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路;四是為了抑制整個