温室大棚多功能测控仪的设计

温室大棚多功能测控仪的设计

0温室大湾温湿度测量仪器以塑料大池为代表的现代温室温室在现代农业生产中发挥着重要作用。在农业生产和农业科学的研究中，我们必须准确、准确地检测和控制温室内的一些物理变量，如温度和湿度。由于常用的各种检测系统复杂,且价格较高,很难在温室大棚中进行普及。当前实际生产中基本沿用人工测控方法,不可避免地存在劳动强度大、工作繁琐、测量精度低,而且由于检测报警不及时给农业生产和科研工作造成损失等缺点。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,迫切地需要一种造价适中、简单实用的自动化程度高的温室大棚温湿度测控仪。为此,在市场调查研究和吸收用户使用意见的基础上反复分析论证,提出并研制了本测控仪系统。1测控仪硬件结构为了测控仪的推广和使用,系统硬件设计力求结构简单、性能可靠、性价比高。测控仪硬件结构框图,如图1所示。其主要包括传感器、变送器、A/D转换电路、单片机、I/O接口电路、输入设备(键盘)、输出设备(数码显示器LED,监视器CRT,微型打印机)和输出控制设备(含电磁阀)等。1.1a/d转换电路主机板上装有AT89C52单片机,这款单片机芯片有8KB闪存存储器(flashmemory)、256B内部RAM、A/D转换器ICL7135、电源和6个插槽(2个4052插件和4个8155插件)。冗余是指利用这6个插槽,根据用户需要插上相应的模板。在设计中,借鉴了STD总线控制机的设计方法,而采用了自定义的三总线结构,这样可以充分地发挥AT89C52的硬件资源优势,降低成本。1.2湿度测量仪器本系统需要检测的参数有空气温、湿度和土壤温、湿度(即土壤含水量)。温度传感器选用了价格便宜,稳定性、线性度比较好的集成半导体温度传感器AD590。AD590测量范围为-55°～150℃,满足系统使用要求。本系统的湿度检测采用干湿球原理,通过测量同一处干球和湿球温度求得该处空气湿度,即温、湿度的检测都用温度传感器。该测量原理能够解决目前空气湿度传感器普遍存在的寿命短、精度低、稳定性差、重复性差、电路复杂等缺点,进一步提高产品性能。干湿球法测湿的原理是基于湿球表面的水分在足够大的稳定风速下蒸发得到湿球温度,根据干湿表方程式,即导出被测空气的水汽分压,计算出相对湿度、露点温度等各种湿度表示单位。计算相对湿度U,即有式中e—被测空气的水汽分压;U—被测空气的相对湿度;e(ta),e(tw)—分别为干湿球温度对应下的饱和水汽压;P—当时当地大气压值;湿度值的计算全部由单片机自动完成,这种方法既可以利用单片机解决系统计算量和修正工作量大的问题,同时又可以保证测量值的高精度,降低测控仪的成本,从而提高系统的性价比。土壤湿度(土壤含水量)测量比较困难,目前还没有一种被普遍认可的标准测量方法,当前使用的方法各有优缺点。本系统采用的是电阻法,根据土壤导电率随其水分含量多少不同的原理,用两根被绝缘质隔离的长形的平行不锈钢电极作为土壤水分含量传感器。为了减少土壤物理结构、温度、化学成分以及电极与土壤的接触状态对测量精度的影响,将电极镶嵌在石膏块中。各传感器将被检测量转为类型、数量级各异的电信号,经过各自的变送器转换为标准的-2～2V电压信号,通过多路模拟开关4052共用一个A/D转换器ICL7135。硬件结构进一步简化,提高了可靠性,降低了成本。根据检测现场的实际需要每个系统需要检测与控制的物理量不尽相同,同一参量不同系统检测点数与控制点数也有所区别,用户可以选择不同的模板进行组合。对于较小的单个温室大棚,系统使用的传感器和控制点都比较少,就只在2个插槽上插件(1个4052插件和1个8155插件)。对于较大的温室大棚,如果只需检测与报警而不需要控制,则只需图1中的8155Ⅳ及其外部设备,并不需要8155Ⅰ-Ⅲ。1.3i/o接口电路设计本系统要控制驱动的有滴灌与喷灌电磁阀、电加热丝、排风扇电机(用于排除湿气)和卷帘电机。因为8155I/O接口电路不但有3个接口,还有1个定时器和256个RAM单元,根据系统输出量的多少,选用若干片8155作为输出接口电路。这可以解决系统的大量计算和定时控制,不需要再扩展RAM和定时/计数器。1.4静态显示接口本系统设计了两种显示输出接口电路:数码显示LED与监视器显示CRT。二者均占用串行输出口,用户根据需要择其一即可。对于一般的检测和巡回显示,用串入并出移位寄存器74LS164作为静态显示的LED输出接口;当组成比较大或需要显示更多信息(比如汉字或图形)时,用标准的232接口,配置CRT监视器。为了打印检测结果和相关信息,系统还设计了微型打印机接口电路。2基于主机的测控程序设计系统的应用程序采用模块化结构,与硬件配置相适应。利用主程序协调具有不同硬件配置的系统子程序,组成完整的能够完成确定功能的系统测控程序是软件的重点和难点。该系统软件主要由主程序、数据巡回采集及处理子程序、显示子程序(LED显示或CRT显示)、键盘中断服务程序、打印子程序、定时中断服务程序等组成。主程序框图如图2所示。2.1sds-料/片本单元根据系统硬件配置不同子程序会有所不同,主程序对子程序的协调方法也会不同,但主程序的流程是相同的。它顺序执行:一是将给定值及各参数的上、下限由键盘输入或指定的闪存单元传送到指定的片内RAM单元。二是初始化。主要是定义定时/计数器及各8155的接口功能,开中断。三是巡回检测、显示并调节各量。如果参数有越限,声光报警,这是整个软件系统的主体。2.2控制精度的影响根据测控仪实际应用的环境、温室大棚的容量和所种作物的不同参数要求,其控制精度也会不同。容量大而要求控制系统动、静态品质不高的设施,一般采用乒乓控制;容量小要求控制系统动、静态品质高的设施,则采用PID调节方法。实践证明,PID调节方法能够满足一般温室大棚被控对象较高的控制要求。3存在干扰但仍然存在干扰运行实践表明,尽管本系统一般运行于非工业环境的温室大棚中,但仍然存在干扰。因此,采取有效的抗干扰措施是必须的,除在硬件方面采取了诸如净化电源、信号屏蔽以及光电隔离等技术外,还在软件方面采取了数字滤波和看门狗(watchdog)技术。4主要技术指标本测控仪已通过技术鉴定,投入应用。根据温室大棚用户的实际应用,该仪表除可减轻劳动强度、提高自动化程度外,节能效果也很明显,如用于温室大棚,至少节电、节水20%。其主要实测技术指标,如表1所示。以下各措施保证了本测控仪较高的检测与控制精度和良好的运行稳定性:一是系统选择了最适合的传感器;二是运算放大器采用的是具有高输入阻抗、低失调电流、高共模抑制比的测量放大器AD521;三是A/D转换电路采用的是抗干扰能力强的ICL7135,该芯片是4位半精度的双积分型A/D转换电路;四是为了抑制整个