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1、 第1章 绪 论1.1 课题背景及研究意义中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用
2、。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生
3、长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中小规模，要在大棚内引人自动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要，设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。该系统采用传感器技术和单片机相结合，由上位机和下位机构成，采用RS232接口进行通讯，实现温室大棚自动化控制。中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研
4、究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形
5、成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。1.2国内外温室控制技术发展概况温室是一种可以改变植物生长
6、环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化
7、的方向发展。 国内温室测控技术研究状况 ，以集散控制系统和国内温室测控技术为主，从80年代开始，我国的农业工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和CO2等单项环境因子控制技术的研究，并逐步推出适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件需要的温室产品。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卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并采用Visual Basic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、CO2，施肥等进行综合控制，是目前国产化温室
8、计算机控制系统较为典型的研究成果。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。这些无疑对我国的温室发展起了积极的作用，但是与国外先进水平相比仍有一定的差距。1.3 选题的目的和意义温室是农业大棚植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类的植物对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可自动控制加热、降温、通风。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技
9、术的体现。我国的农业工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和CO2等单项环境因子控制技术的研究，并逐步推出适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件需要的温室产品。 从而就可以利用计算机控制水、肥和温室小气候，自动调温、调湿、调光，而且结构非常先进，促进了工厂化农业的大发展。 第2章 农业大棚环境智能控制的系统方案设计目前 ,我国农村使用的简易日光温室绝大部分采用手动控制 ,生产效率低下 ,单位产品的生产成本偏高。随着温室产业的发展 ,温室作物趋向于多样化 ,对温室的控制要求也随之提高 ,手动控制因其控制精度低已开始不能满足温室生产的需求 ,需要设计一种
10、控制器减少手动控制。而当今国内常见的智能温室系统都是采用工控机,价格昂贵 ,较大部分用户经济能力承受不起。因此 ,在系统的设计过程中要充分考虑用户的经济承受能力 ,减少温室设计中的各种成本 ,提高劳动生产率 ,这在温室上具有较为深远的意义。为此 ,针对简易日光温室对温度、湿度以及光照度等环境因素的控制要求 ,设计和开发了基于单片机的低成本温室自动化控制系统。温室内气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、养分的吸收有着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温度最为敏感，也最为重要，对温室环境控制的研究也是最先从温度控制开始的。不同种类的作物对温度的要求是不同的，同一作物
11、在不同发育阶段对温度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温度的要求也会随着昼夜变化而呈周期性地变化。一般说来在白天作物进行光合作用需要的温度较高，晚上维持呼吸作用所需的温度要低一些。另外温室内的气温要受到太阳辐射强度和室外气温变化的影响，在温室环境自动控制系统的研制中应该考虑到这种情况。作物生长发育适宜的温度，随种类、品种、生育阶段及生理活动的变化而变化。为了增加光合产物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，随着光照强度的变化，实行变温管理是一种很有效的管理方法。2.1 控制方案设计植物的生长是在一定环境中进行的 ,在生长过程中受到环境中各种因素的影响 ,其中对植物生长影响最大的是温度
12、、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此 ,本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高 ,控制操作方便 ,性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚测控系统。该系统由单片机对温度、湿度等参数进行巡回测量 ,并对测量的结果进行优化补偿 ,并进行调控 ,此外主控制器还可以同时完成系统
13、参数测量 ,数据存储等，硬件总体设计结构如图2.1所示。由图2.1可知 ,整个系统采用单片机为处理核心 ,通过温室现有的各种传感器检测温室的温度、湿度、光照度等环境因素 ,经由控制系统传输到 CPU中 ,并与系统设定值进行比较、判断、处理以及相关数据的存储。然后将 CPU处理后各种控制结果传送到电机和电磁阀等执行机构上 ,从而实现对温室的控制。温室独立控制系统上还包扩各种人机界面和数据传输接口 ,实现了人机交换方式以及实时参数的设定。主控计算机（上位机）串行通信接口数据采集/控制器2数据采集/控制器3数据采集/控制器1光照传感器湿度传感器温度传感器光控驱动器湿控驱动器温控驱动器 图2.1 总体
14、结构图2.2 系统硬件结构整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器ADC0808 ,由下位单片机AT89C51读取，单片机将数据通过RS232总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。智能温室大棚控制系统的组成基于两个方面：单栋温室大棚控制系统和集约化生产连栋温室大棚控制系统。后者建立在前者的基础上，前者适于我国农村个体经营的现状。对于单栋温室大棚控制系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了RS-232 和
15、 RS-485通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图2.2。另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。图2.2 集散控制系统实现2.3 温室大棚的硬件组成2.3.1 传感器本系统设计了对与作物生长发育有关的环境温度、湿度、光照度、CO2含量及土壤水量等参数进行采集的功能，实现温室大棚内各种参数的数据采集任务，传感器负责对温室环境因子的采集，将采集信转换为0-5伏的电压信号，送入ADC0809, 再经过数模转换, 供单片机使用，而使用的各种类型传感器，
16、分别介绍如下：1. 温度传感器 DS18B20温度传感器的选择余地较大 可选用集成温度传感器 铂电阻传感器及数字式传感器本系统采用广州市科技发展公司自动化研究室生产的“可选通式温度传感器” 型号为KSG。优点是内置选通码和数字信号传输，测温范围为-10-50，精度为：0.3，适用于远距离传输。2. 湿度传感器 温室的湿度如果能控制在一定范围内，则可以大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。 本系统的湿度传感器选用湿度传感器HS1101, 该传感器采用热固,聚脂电容式传感头, 同时在内部集成了信号处理功能电路。 3. 光照传感器 光照传感器RHD-18选用硅太阳能电池的感应元件及滤光系统构成光照
17、传感器, 该传感器将0-150000LX的光照信号转换为电压信号，此信号经运放电路放大为0-5电压输出。4. 土壤湿度传感器 RHD-100土壤湿度传感器采用邯郸瑞华电子有限公司生产的土壤湿度传感器，该传感器由陶头、塑料连接管、压阻传感器 、真空表头四部分组成，该传感器输出为电压值 此电压值虽能反映出土壤水势的状态变化 但它不能直观地反映土壤水势指标值，所以需对传感器进行重新标定。5. 土壤温度传感器RHD-20土壤温度传感器是用来测量传感器周围环境温度参数,转换成模拟量信号输出,提供给采集设备.适用范围：广泛应用于气象、环境、农业、林业、水利、电力、科研等需要测量土壤温度的领域。6. CO2
18、传感器 CO2传感器选用RHD-21传感器，此传感器具有精度高，选择性好，浓度检测范围大等特点，此传感器将质量分数范围在0-100010-6浓度的CO2转换为0-5电压输出。传感器输出的电压信号，直接送至A/D转换器，经A/D转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。7.露点温度传感器露点温度传感器选用ALS100，产品具有以下显著优点：稳定性好，可靠性高， 能输出稳定的模拟信号，经A/D转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。8.叶面湿度传感器叶面湿度传感器传感器可测量植物叶片表面水份的百分比含量，采用电阻测量原理，它由表面感应格珊和信号变送器组成，使用时将传感器安装被测植物叶片附近，传感
19、器将模拟植物叶片获得水份的过程2.3.2 单片机控制系统和微机系统它主要包括：ADC0809数模转换、单片机89C51、继电器、侍服电机、本系统配备了89C51、ADC0809等芯片, 具有较强的抗干扰能力微机系统采用普通的微机即可。1. A/D 转换该设计选用ADC0809 把各被检测电压信号转换为数字信号送至主控制器，其优点在于换精度高，抗干扰能力强，线性度高，并可通过软件程下直接实现温度、土壤含水率等参数的切换。这里选择应用广泛的逐次逼近式ADC0809芯片。ADC0809管脚配置如图2.3所示。 图2.3 ADC0809管脚配置b)ADC0809引脚配置及其接口电路设计ADC0809芯
20、片属ADC0808系列多通道8位CMOS模数转换器。其芯片内置有多路模拟开关以及通道地址译码和锁存电路，因此能够对多路模拟信号进行分时采集与转换。ADC0809是8位逐次比较式A/D转换芯片，28引脚，双列直插封装，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟输入电压范围为0十5V，对应的转换数字量为OOH-FFH，转换时间为100us,无须调零或调整满量程。因此能够实现 8路模拟信号的分时采集和转换 (每个瞬间只能转换一路)，转换后的数据送入三态输出数据锁存器。A/D转换原理及过程:ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，由A, B, C编码选择
21、通道号通过最高位 (DN-1，)至最低位Do的逐次检测来逼近被转换的输入电压。 A/D转换过程主要包括采样量化及编码。采样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码口如8位A/D转换器所采集到的0-5V电压转换成为OOH-FFH相对应的数字量。通过数字量的运算比较的结果实现对模拟量的测量及控制。2. 系统控制器该设计选用20K 字节内存存储器和内部256 字节RAM 的单片机 AT89C51作为主控器。该系统由单片机对温度湿度等参数进行巡回测量，并对测量的结果进行优化补偿，并进行调控，此外，主控制器还可以同时完成系统参数测量，数据存储，以及与上位机通信等功
22、能。主控器控制功能主要包括调湿、调温和室外保温等控制。调湿，通过AT89C51 控制加热炉和风机完成升温，室内降温主要通过排气扇完成和风机完成。土壤调湿主要通过浇水、加肥来实现，可自动完成或采用辅助报警，由人工完成。室外保温通风调光主要采用自动或半自动得外部设备完成。2.4 温室大棚的软件组成系统软件设计包括单片机程序设计和微机程序设计。2.4.1 单片机软件组成它的主要功能模块有：采集模块、 控制模块、 通讯模块。1. 采集模块采集模块主要完成对ADC0809的通道的控制和转换结果的读取，并将结果暂存人数据区。通过对AT89C51定时器T0的计数实现定时，每15min 采集1 次，用定时器T
23、 ,定时来确定三个参量的采集时间间隔，定为0.50s 。温室内布置有温度、湿度、土壤水分、光照传感器、温度传感器将采集的信号送到89C51内的定时器T0的输入端, 通过对定时器 T0的计数,实现温度的采集;湿 度、 土壤水分 、光照传感器采集的电压值分别通过校正，转换为标准的0-5电压，送到ADC0809 的输入端，再经过数模转换，变换为数字信号，送到89C51。由于传感器、ADC0809 的采集、转换速度快 ，一分钟内可以采集成千上万条数据，温室内环境因子变化没有这么快 ，在实际应用中，没有必要对这些数据都进行处理， 所以要对采集的周期加以控制 。本实验每五分钟采集一次温度、湿度、土壤水分、
24、光照传感器 ，将采集值送到89C51。2. 控制模块控制模块分温度控制、空气湿度控制、光照控制、土壤湿度控制。根据不同的控制要求,发出不同的控制信号, 通过继电器、行程开关、电机, 控制开关窗、屋顶喷淋、遮阳网、滴灌, 达到实时控制的要求控制模块实现对通风和喷灌装置的控制，当接收到上位机的控制信号时，将相应的引脚置零即可开通通风和喷灌装置。控制模块分温度控制 、湿度控制、光照控制，当温室内的温度高于设定的温度上限时，通过开窗装置开窗通风，喷淋装置在屋顶上喷淋，达到温室降温的目的，当温室内的温度低于设定的温度下限时，通过关窗来实现保温目的。湿度的控制同样是通过开关窗和温室内喷淋来实现光照控制是通
25、过遮阳网来实现，当太阳的光照强度高于设定的光照值时，关遮阳网，低于设定的值，开遮阳网，滴灌控制是当土壤水分传感器的值低于设定的值时，打开滴灌装置进行灌溉。3. 通信模块通讯模块可将采集到的参量传到上位机，并接收上位机发来的控制信息。实现上位机和单片机之间的通信，便于用户远程管理，单片机将采集的数据和控制装置当前的状态信息通过RS-232送到上位机，实现信息的上传。通讯模块首先需要初始化设置,设置串口的工作方式、波特率、定时器的工作方式, 设置串口中断位和全局中断位。其次设置传输数据的帧格式,向上位机发送的数据有温度、湿度、光照、当前设备的状态等,不同的数据之间需要有区分标志, 在数据区的头部加
26、上联络标志和结束标志；接收到上位机的数据有各种控制信号, 在各个控制信号间有区分标志,同样在数据区的头尾有标志信号,目的是区分是有效数据还是误码。如果是误码, 则不处理,不执行控制处理程序, 直接退出中断；如果是有效数据, 则接收, 并根据控制信号进行操作,向控制部件发送命令,控制开关窗、遮阳网等部件, 达到实时控制的目的。最后在主程序中, 使用顺序方式向微机发送数据; 使用中断方式接受微机发来的数据。2.4.2 微机软件组成微机软件设计也由动态显示模块、 控制模块 、数据库模块、 通信模块四个部分组成， 通过动态显示模块可以及时监控各环境因子的变化， 控制模块可对整个系统进行监控 ，如开关窗
27、 、喷淋等控制， 数据库模块是为作物生长环境的设定而积累数据， 通信模块是实现上位机和单片机之间的通信， 上位机将控制信号通过RS-232送到单片机 实现信息的下传。温室大棚种植提高了人们的生活水平并得到了迅速的推广和应用.温室大棚种植的环境 ,如温度、湿度和二氧化碳含量等是对农作物生长影响最大的因素 ,传统的人工检测方式难以实现对农业综合生态信息管理与科学种植的要求 ,国内对温室大棚参数自动监控系统的研究与应用尚在起步阶段 ,而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵 ,很难适合中国农村的实际需求.为此 ,作者研制了一种性价比较高、运行可靠的自动测试系统 ,以适合中国温室大棚种植科学
28、化管理的推广与应用。2.5 测试系统的组成及原理本系统采用最简捷的数字采集系统将其动态参数实时地测量并显示 ,设计分为硬件部分和软件部分.硬件方框图如图2.4所示。分为传感器及其整理电路模块、 A/D转换模块、单片机模块、按键与显示模块.传感器把被测参数转换为电信号,并经过整理电路调理变为 05V的直流电压信号,再经过 A/D转换器转换为数字信号,送入单片机内,经过计算,以分时显示的形式,把 8个被测信号实时地轮流显示出来.软件采用汇编语言的程序模块构成。温度传感器湿度传感器CO2传感器光照度度传感器 ADC0809转换电路单片机MAX232 PC机 界面显示 键盘输入图2.4 动态参数测试系
29、统方框图第3章 温室大棚的数据采集系统随着我国经济的发展 ,农民增收缓慢的问题逐渐成为阻碍我国经济稳定发展的一大隐患。解决此问题的关键是大力发展农业科技 ,逐步走向农业现代化。温室大棚技术在农业中有着举足轻重的作用 ,是提高农业科技水平的关键。3.1 系统的整体分析3.1.1 系统组成本系统采用的是网络式的数据采集结构。上位机由PC机作为控制器 ,和若干按键构成人机交互界面 ,同时设有报警装置。上位机与下位机通信采用的 RS485总线形式,这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信,它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性。3.1.2 系统工作原理数据采集系统的下位机采
30、集现场温度和湿度 ,经过数字滤波处理后存储在控制器中 ,当上位机查询下位机时 ,下位机通过RS232 总线将温湿度等值传输至上位机。上位机每隔 10 分钟查询一次所有的下位机 ,将采集到的数据经行处理 ,排除干扰值 ,确定当前的温室大棚的温度和湿度 ,同时将其显示在 PC机 显示界面上。上位机根据当前温室大棚的参数变化,判断是否需要操作相应的执行机构。上位机除了正常的数据收集和显示作用外 ,还可以通过按键进行温湿度的设定 ,查询每个下位机的具体值。同时还具有报警功能 ,当系统检测到温湿度异常时能经行声光报警。3.2 系统的上下位机的分析3.2.1 上位机的组成上位机软件主要有键盘模块 ,显示模
31、块 ,控制决策模块 ,通讯模块 ,和报警模块。键盘模块功能包括参数和功能设置,下位机查询。显示模块是用于同时显示测得的温湿度值。控制决策模块根据下位机传输的数据判断当前是否需要调温或调湿。通讯模块功能是与下位机经行数据的传输。报警模块是指参数出现异常时,发出警报。3.2.2上位机功能： a)采集和发送数据：上位机通过通信系统接收各下位机从各温室现场采集的数据，而一些需要发送到下位机的数据(如参考参数等)又通过通信系统传给下位机，使整个监控系统能高效、准确、及时地传输数据。 b)实时画面监测：系统通过在计算机屏幕上以数据表格显示与实时曲线的配合使用，能从整体和细节两个方面对所有温室的环境进行监测
32、，下位机传送的数据随时刷新显示器上的内容，使模拟显示具有实时性。 c)实时报警：系统运行时可根据各下位机传送来的数据进行分析、诊断，对一些重要的环境参数，可进行实际值与参考值的对比，如越界就产生报警信号，并针对具体情况提供具体解决办法。d)信息存储查询：系统在实时检测各温室的运行状况的同时，还对信息 (主要指历史数据)进行存储和输出。各项数据既可根据需要存储在上位机系统中，又可统计生成各种报表，方便查询。e)上位机遥控下位机：系统可由客户根据需要将作物生长适宜的环境参数输入计算机系统，需要时将根据专家系统的意见传至下位机调控设备来改变作物的生育环境，其中包括作物生长需要的几项主要的环境因素：温
33、度、湿度、光照等。3.2.3 下位机组成下位机软件主要有采集模块 ,通讯模块和控制模块。采集模块主要完成温度采集和湿度采集。通讯模块主要完成向上位机传输数据的工作。控制模块功能是控制调温装置和调湿装置。下位机主要负责各温室现场数据的采集和环境设备的控制，采集的数据实时显示在下位机单片机控制的装置面板上，若需要控制相关的设备，如通信口有通信要求，则与上位机进行通信。a)监控温室环境：各下位机监视温室内环境参数的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程序控制各执行机构。b)数据的实时打印：温室现场采集到的各项数据可由下位机
34、的打印设备实时打印出来，以便作为历史数据保存起来。c)传送和接收数据：下位机把温室现场待机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。3.2.4 下位机的功能（1）单片机的选型根据系统的功能和要求，设计选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89C51作为控制中心,用于采集模拟量数据和PC机通讯的处理功能。（2）AT89C51单片机概述a)AT89C51单片机的性能特点图3.1 AT89C51单片机的引脚配置89C51AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4KB Flash EPROM，它采用了CMOS工艺和ATME
35、L公司的NURAM技术，且引脚和指令系统都与 MCS-51产品兼容，最大特点就是其闪速其主要性能如下:存储器优越的在线可重复编程性能。其主要性能如下：4KB可改编程序Flash存储器，可经受1,000次的写入/擦除周期；全静态工作:OHZ24MHZ；三级程序存储器保密；128B (8位)内部RAM；32条可编程I/0口线；5个中断源；2个16位定时器/计数器；可编程串行通道；片内时钟振荡器；低功耗的闲置及掉电保护模式。b)引脚配置AT89C51单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装(DIP) 其引脚配置见图3.1。(1)主电源引脚 VCC 接十5V电源正端 GND 接+5V电源地端(2
36、)时钟震荡电路引脚XTAL1和XTAL2(3)控制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG、和/VP RST为复位输入端；ALE为地址锁存允许信号，为Flash存储器编程脉冲输入端；为外部程序存储的读选通信号；为访问外部程序存储器允许端，VPP为Flash存储器编程电源12V输入端。(4)输入/输出引脚PO.O-PO.7, Pl.0-Pl.7, P2.O-P2.7和P3.O-P3.7PO口(P0.0-P0.7)是三态双向口，通称数据总线。P1口(P1.0-P1.7 )是准双向口，专门供用户使用的I/O口。P2口(P2.O-P2.7 )也是准双向口。P3口(P3.O-P3.7)是双功能口，一
37、般作I/O口。c)存储器的配置AT89系列单片机的存储器采用的是哈佛结构即程序存储器和数据存储器分开编址的，它们有各自的寻址系统、控制信号和特定功能。程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:内部存储空间和外部存储空间。这里系统的数据量不太大，程序也不太长，AT89C51片内的4KB ROM闪速存储器和128B的RAM 数据存储器即可满足要求，无需扩展片外RAM和ROM, CPU只需访问内部RAM和ROM，故在硬件电路设计上将和引脚连在一起接VCC，由一上拉电阻将其拉高。AT89C51内部存储器地址空间分配为:片内4KB程序Flash存储空间(0000H0FFFFH )；片内128字节
38、的数据存储空间 (00H7FH)；特殊功能寄存器空间 (80HFFH)；位寻址空间 (OOHFFH)。(c) AT89C51单片机内部有个振荡器。通过XTAL 1(输入端)、XTAL2(输出端)外接作为反馈元件的片外石英晶体和电容Cl, C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而利用它内部的振荡器产生时钟。连接图3.2所示 图3.2 时钟电路连接图第4章 温室大棚电气控制系统近年来，我国的设施农业得到了较大的发展，温室大棚作为新的农作物种植技术，已突破了传统农作物种植受地域 、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。而温室大棚的检测控制系统是实现其生产自动化、高效化的最关
39、键、最为重要的环节。目前我国的温室大棚 ，多依靠人工经验进行管理，或以单片机控制的单参数单回路的较多，自动化程度不高，效率低下，就农作物的生长环境而言，温度、 湿度、光照、二氧化碳是其最基本的要素，作为检测控制系统必须能够实现对以上要素的数据采集与分析处理，并进行相应的控制，以使温室大棚为农作物的生长提供一个良好的环境。4.1 系统的总体结构和特点4.1.1 系统的总体结构 温室大棚检测控制系统为满足室内环境检测的实时性要求，应采用多级子系统分布式结构。该系统总体结构包括传感器子系统、数据采集子系统、信息处理子系统和伺服子系统4部分。1. 传感器子系统 传感器子系统是检测控制系统的主要信息来源
40、，它关系到整个系统检测，分析加工和控制的可靠性与准确性。传感器主要包括检测温室大棚内部温度的温度传感器、检测室内空气及土壤水分的湿度传感器、检测室内光照度的光照传感器、 检测二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器。2. 数据采集子系统 数据采集子系统主要完成对传感器子系统传送来的信号进行A/D转换和采样。在检测控制系统中，为满足实时性要求，一般应选用速度较高，多种采样触发方式，多路采样保持的多通道数据采集卡。为了减轻后级处理工作量，数据采集子系统对采得的原始数据应进行一定程度的预处理。3. 信息处理子系统 信息处理子系统是整个系统的核心部分，包括环境参数预设置、信号处理和控制3个部分。环境参数预设置
41、一方面可将某一时间范围内，农作物正常生长对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度的要求进行设置。另一方面可将作物不同生长期对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度要求进行设置，进而对其进行数据拟合，以确定其在整个生长过程中对上述因素的要求。信号处理实现测量数据与本阶段环境参数值进行比较分析，控制部分则由此发出各种相应的控制信号。4. 伺服子系统 该子系统包括温度调节机构，通过对降温设备（如湿帘风机）、加热设备（如热风机）的工作方式及时间的控制以实现对温度的调节功能。湿度调节机构，通过对温室天窗、侧窗启闭部件以及喷雾器的控制以完成对湿度的调节。照明机构，通过对照明灯的开或关，以实现对温室内光照度的调节。二氧化碳
42、施放机构完成对温室内二氧化碳施放。4.2 主要特点4.2.1 信号检测的连续化 系统对温室内多种环境参数信息的检测是一个动态的连续过程。由于外界气候环境的变化具有很大的随机性，要实时保持温室内环境的相对稳定，必须对其进行连续监测。4.2.2数据采集与处理的实时化为了保证实时地检测温室内环境的变化，数据采集与处理要满足一定的时间限制，以便能实时做出评价，采取相应的控制措施，抵御自然灾害的袭击，预防意外事故发生。4.3硬件结构 该系统的硬件结构如图4.1所示，它由3部分组成：（1）信号转换部分。其功能为通过传感器拾取温室大棚内的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度信号，以满足数据采集卡对信号的要求；(
43、2)信号采集分析处理和控制部分。其功能为实现数据采集,对采集数据进行分析加工处理，输出相应的控制信号；(3)伺服机构部分。其功能是执行相应的控制命令。图4.1 系统硬件结构4.4现场设施的电气控制电路4.4.1 工作原理在图4.2所示电气线路的主电路中，可以分成M1、M2、M3、M4四个部分，其控制回路也可相应地分解成四个基本环节。这四个基本环节分别控制电动机M1、M2、M3、M4。下面以遮荫帘M1为例描述说明，其控制过程如下：合上刀闸开关QS，按启动按钮SB2,接触器KM1吸引线圈得电，其主触点KM1闭合，遮荫帘电机M1正转。由于接触器KM1的辅助触点并接于启动按钮SB2上，因此当松手断开启
44、动按钮后，吸引线圈KM1通过辅助触点可以继续保持通电维持其吸引状态。同理，按下按钮SB3，由于三相电源中改变了两相的极性，所以电机停止正转，开始反转。按下停止按钮SB1，接触器的吸引线圈失电，其主触点断开，遮荫帘电机M1失电停转。4.4.2 电气控制电路的设计温室现场调控设施主要有：水泵、排风扇、遮荫帘和侧窗等。其中遮荫帘、侧窗的电气控制需考虑电机的正、反转。主电路如图4.2所示，控制电路如图4.3所示： 遮荫帘 排风扇 水泵 侧窗 图4.2主电路设计图 图4.3 控制电路设计图 第5章 温室大棚的上下位机机监控系统 大棚温室自动控制系统,是基于目前我国温室大棚生产的特点,既能满足个体农民生产
45、的需要,又便于企业规模的生产的需要。该系统不但能完成对温室大棚参数实时高精度测量,而且能实现棚内温湿度调节、灌溉等的智能控制及报警提示,而且也能自动实现保湿、通风和光照调节。并可及时实时进行温度报警。系统主要由两部分组成:下位机系统和上位机系统。下位机系统以单片机为核心,接受多路传感器模块信息并进行处理、判断,控制PC机参数显示界面实时显示现场的环境参数；然后控制温度、湿度、光照控制器调节温室环境参数,最后通过上位机网络传输到监控中心；监控中心为通过串口与上位机模块连接的计算机,完成各种信息的存储、统计和控制命令发送功能。如系统出现异常,则通过控制通讯模块将异常信号发送到管理员的PC机上。将信
46、息传输到上位机。软件系统主要包括两部分,一部分是控制中心计算机软件,一部分是单片机软件。5.1 计算机部分软件 主要完成对温室大棚的控制以及信息管理,通过串口与现场通讯模块连接, 读取模块中接收到的信息流,进行相关处理,或者完成控制信息的发送。同样是通过指令完成,也就是通过串口向上位机通讯模块发送指令。5.1.1 编程语言的选用本系统的开发语言选用Visual Basic(简称VB)。 VB是真正的面向对象的Windows应用程序开发工具，它以对象为基础，并运用事件驱动机制实现对 Windows操作系统的事件响应，具有高效、简单、易学和功能强大等特点。Visual Basic提供了大量控件，可
47、用于设计界面和实现各种功能，程序员可以通过施放操纵完成用户界面设计。与其它 Windows应用程序开发工具相比，在设计用户界面时十分方便，大大减轻了工作量，简化了界面设计过程，有效地提高了应用程序的运行效率与可靠性。利用Visual Basic还可以采用分布式计算获得最大的可伸缩性能。使用现有的技能、代码和技术，将能够创建适用于传统客户/服务器、Internet 及 Microsoft Transaction Server 体系结构的可重用ActiveX部件。本设计中用到了Visual Basic中以下几个主要控件：表5.1 本设计常用到的控件控件名称主要作用Data控件Data控件允许从一个
48、记录移动到另一个记录，并显示和操纵来自被连结的控件的记录的数据DataGrid控件Data Grid 控件是最基本的数据交互控件之一，是数据源与用户之间的接口DataCombo控件Data Combo控件是一个数据绑定组合框，它自动地由一个附加数据源中的一个字段充填，并且可以选择地更新另一个数据源的一个相关表中的一个字段MSCHART控件它的功能是给应用程序添加图表，用它能创建包括条、线 、饼等的不同类型的二维或三维图表5.1.2 数据库的选用数据库平台选用Microsoft Access2003。Access2003是Office2003中文版的组件之一。是一个中、小型数据库管理系统，使用方便、功能强大，与其它数据库有良好的接口
