蘇遠(yuǎn)鋒
摘 要:設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分是溫室,而溫室智能控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的根本保證。大棚內(nèi)的環(huán)境由溫度、濕度、二氧化碳濃度等多種因子構(gòu)成,溫室智能控制系統(tǒng)可以做到溫濕度檢測(cè)、實(shí)時(shí)顯示、信息存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)控制等功能,為提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,對(duì)這一系統(tǒng)的研究就顯得更加重要了。本系統(tǒng)采用層次化、模塊化設(shè)計(jì),將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集于一身。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,通過分析濕度、溫度傳感器所獲數(shù)據(jù),并結(jié)合作物自身的成長(zhǎng)規(guī)律來控制其環(huán)境條件。這樣既能對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè),又能對(duì)溫室環(huán)境的溫濕度實(shí)時(shí)智能控制,從而使作物能夠在各種環(huán)境中都可以更好的生長(zhǎng),達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。
關(guān)鍵詞:溫室;智能控制系統(tǒng);功能;模塊化設(shè)計(jì);單片機(jī)
中圖分類號(hào):S625.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8937(2015)26-0026-03
1 緒 論
1.1 選題的背景和意義
現(xiàn)代溫室極大地促進(jìn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)的總體發(fā)展水平。隨著大棚技術(shù)遍及范圍越來越廣,大棚數(shù)量也不斷增多,因此如何更好地控制大棚內(nèi)的環(huán)境便成為人們喜歡研究的一個(gè)新課題。傳統(tǒng)的溫度控制方法是把溫度計(jì)掛在溫室大棚內(nèi)來獲取里面的實(shí)際溫度,而后依據(jù)測(cè)得的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度相比較,看溫度是否合適。這種方法不但必須人工來完成,而且效率也很低。況且照目前的實(shí)際情況,傳統(tǒng)的溫度控制方法就更加不可行。這些問題致使我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益很低,因此,智能化溫室控制系統(tǒng)的研究顯得至關(guān)重要。它能在生產(chǎn)成本很低的情況下給作物生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)最佳的環(huán)境條件,有利于我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
溫室栽培技術(shù)起源于我國,但我國的溫室技術(shù)發(fā)展非常緩慢,到20世紀(jì)60年代仍然處在很低的生產(chǎn)水平。傳統(tǒng)溫室以塑料大棚、日光溫室為主,這類溫室成本低效益好,但設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)陋、環(huán)境調(diào)控能力差。
隨著單片機(jī)技術(shù)和傳感器的發(fā)展,逐步興起了一種有利于資源節(jié)約的高效設(shè)施技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)。特別是隨著20世紀(jì)70年代微型計(jì)算機(jī)的誕生,更使溫室環(huán)境控制技術(shù)有了天翻地覆的變化。至20世紀(jì)80年代,以微型計(jì)算機(jī)為核心的溫室智能控制系統(tǒng)在國外一些國家已經(jīng)向完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。
總之,我國的智能溫室控制系統(tǒng)研發(fā)較晚,全面的環(huán)境控制技術(shù)研發(fā)才剛開始。同國外先進(jìn)化的水平比較,還滯留在初級(jí)階段。
1.3 主要的研究?jī)?nèi)容
本設(shè)計(jì)主要完成了三方面的工作:
①確定整體的設(shè)計(jì)方案;
②是設(shè)計(jì)傳感器的軟硬件系統(tǒng);
③是設(shè)計(jì)單片機(jī)及通信接口。
本文針對(duì)溫室內(nèi)存在的諸多相互影響和制約的因素,設(shè)計(jì)出了基于單片機(jī)AT89S52的智能化溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了信息采集技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息存儲(chǔ)技術(shù)及信息處理技術(shù),可以對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況做到全面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境檢測(cè)智能化。
2 智能化溫室控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究
在外界環(huán)境中,溫度作為影響植物生長(zhǎng)環(huán)境的主要因素,植物在在生長(zhǎng)過程中的一切生物化學(xué)作用,都應(yīng)該在適宜溫度條件下進(jìn)行,溫度因素在空間上隨著緯度和海拔的變化而變化,在時(shí)間上會(huì)由于四季及晝夜的改變而變化,不同品種的農(nóng)作物對(duì)環(huán)境溫度的要求也有所不同,相同品種處在不同生長(zhǎng)階段農(nóng)作物對(duì)溫度亦有不同的要求,因而智能化溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。
2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
智能化溫室控制系統(tǒng)的主要功能有以下幾方面:
①首先系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集;
②系統(tǒng)采用RS-232串行通訊方式,使得通信系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈敏度、較好的實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)的抗干擾能力;
③系統(tǒng)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程通信等功能;
④在溫度超限時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警;
⑤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)并記錄。
2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證系統(tǒng)具有可靠性、易于操作、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。
2.2.1 可靠性
在實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)的可靠性是實(shí)際應(yīng)用的前提,設(shè)計(jì)時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性一般從以下幾個(gè)方面著手:選用性能較好的元器件;在設(shè)計(jì)電路板時(shí)不要胡亂布線且接地處設(shè)計(jì)要合理;要在容易受干擾的地方采取適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施來保證系統(tǒng)的可靠性。
2.2.2 易于操作
系統(tǒng)操作和維護(hù)方便在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),應(yīng)想辦法盡量將復(fù)雜的操作內(nèi)置化,這樣能方便不同階層的人使用。
2.2.3 高性價(jià)比
系統(tǒng)控制芯片為單片機(jī),單片機(jī)不僅體積小、功耗低,其最大的優(yōu)勢(shì)是其性價(jià)比高。性價(jià)比是決定單片機(jī)是否能夠廣泛使用的一個(gè)極為關(guān)鍵的因素。
2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
溫室控制系統(tǒng)單片機(jī)為控制核心,其中測(cè)量溫度采用DS18B20溫度傳感器作為測(cè)量元件,構(gòu)成了智能溫度控制系統(tǒng)。溫室控制系統(tǒng)具有溫度測(cè)量電路、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示電路,語音報(bào)警電路等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,如圖1所示。
3 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心,它可以完成溫濕度的采集、處理、顯示并自動(dòng)控制等功能。其硬件電路由溫濕度傳感器、RS-232串口通信、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)三部分構(gòu)成。單片機(jī)通過對(duì)溫度傳感器DS18B20進(jìn)行編程來獲取溫度值,并將數(shù)值通過串口通信傳送給計(jì)算機(jī)。
計(jì)算機(jī)主要是進(jìn)行編程,控制溫度的顯示和報(bào)警等。經(jīng)過綜合考慮,最終我們選用AT89S52為微處理器。
DS18B20的測(cè)溫原理,如圖2所示。
4 軟件設(shè)計(jì)
能化溫室控制系統(tǒng)的整體功能的實(shí)現(xiàn)是在程序的控制下完成的,溫室控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),溫室控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)思想一致,系統(tǒng)針對(duì)不同的功能將系統(tǒng)分成各種不同的程序模塊,并對(duì)其分別進(jìn)行編程、修改與調(diào)試,系統(tǒng)通過主程序、中斷處理程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)各程序模塊調(diào)用,最終其連接起來完成整個(gè)智能化溫室系統(tǒng)的功能。
軟件部分采用程序模塊化的方法將程序分為幾個(gè)程序模塊,然后針對(duì)每個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)程序,使各模塊結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中溫度的實(shí)時(shí)控制。智能化溫室控制系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的子程序構(gòu)成,各個(gè)子程序之間通過軟件接口相連,這樣既便于連接、調(diào)試,也便于修改和移植。智能化溫室控制系統(tǒng)的軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算、實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)機(jī)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和采集,系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、語音報(bào)警等。智能化溫室控制系統(tǒng)測(cè)控軟件主要與硬件系統(tǒng)相結(jié)合,共同完成對(duì)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)以及與PC或移動(dòng)終端通信等功能, 軟件系統(tǒng)也能夠根據(jù)模塊程序自動(dòng)將結(jié)果與設(shè)定的閥門報(bào)警值進(jìn)行比較, 若檢測(cè)的值超過設(shè)定的閥門值, 系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警。
主程序模塊的主要功能是調(diào)用各種數(shù)據(jù)處理子程序和實(shí)現(xiàn)智能化溫室控制系統(tǒng)的自檢功能,通過主程序?qū)ψ映潭鹊恼{(diào)用來實(shí)現(xiàn)打開濕簾泵、啟風(fēng)機(jī)和關(guān)閉遮陽網(wǎng)等降低溫度措施。在溫度低于程序?qū)厥铱刂葡到y(tǒng)設(shè)定值后,通過主程序?qū)ψ映潭鹊恼{(diào)用來實(shí)現(xiàn)打開遮陽網(wǎng)和補(bǔ)光燈等措施。這樣就使得各程序模塊有清晰架構(gòu),無論是維護(hù)還是修改都非常便捷。主程序程序框圖,如圖3所示。
5 仿真與調(diào)試
繪制完電路圖后,需要Keil已編譯寫好的AT89S52的設(shè)計(jì)程序,將鼠標(biāo)移動(dòng)至AT89S52 芯片上,雙擊即可完成程序的添加。當(dāng)雙擊時(shí),會(huì)進(jìn)入一個(gè)設(shè)置的對(duì)話框,在對(duì)話框中可以設(shè)置單片機(jī)系統(tǒng)的晶振頻率,在這同時(shí)可以設(shè)置輸入程序的路徑,單擊OK鍵就能夠完成輸入設(shè)置,并將已編譯好的程序添加到AT89S52中,當(dāng)再回到Proteus設(shè)計(jì)電路界面時(shí),左鍵點(diǎn)擊位于Proteus主界面左下方的開始按鈕,這樣就可以進(jìn)行電路仿真。Proteus實(shí)現(xiàn)的是交互式仿真,在仿真進(jìn)程中能夠根據(jù)系統(tǒng)的需要操作各開關(guān)、控制按鈕等器件,系統(tǒng)會(huì)真實(shí)地反映出仿真結(jié)果。在仿真開始后,通過程序編譯來設(shè)置上下限溫度,當(dāng)溫度值超出或低于所設(shè)定的范圍時(shí),就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。
設(shè)置溫度上限為25 ℃,溫度下限為10 ℃,如圖4所示,此時(shí)溫度是43 ℃,高于上限溫度,此時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),看到警燈亮報(bào)警。
6 結(jié) 語
本文針對(duì)溫室大棚測(cè)控系統(tǒng)的研究,運(yùn)用了單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和自動(dòng)化等專業(yè)知識(shí)。在設(shè)計(jì)和開發(fā)的過程中,綜合目前一些先進(jìn)的測(cè)控理念并緊密結(jié)合溫室大棚的實(shí)際情況。本文遵循系統(tǒng)的需求,進(jìn)行總體分析與設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì),并對(duì)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
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