基于STC89C58单片机的温室控制系统设计

基于 STC 89C 58单片机的温室控制系统设计 陈教料, 严 � 海 (浙江工业大学 机械制造及自动化省部共建教育部重点实验室 , 杭州 � 3 10014 ) 摘 � 要: 由于目前国内外公司生产的温室控制系统价格昂贵 , 对农民来说一次性投资太大从而不能普及。为 此 , 介绍了一种基于 STC89C 58RD+ 单片机为核心的温室控制系统 , 对温室内温度、湿度及光照度进行了合理的 控制。同时 , 详细阐述了温室控制系统的硬件、软件实现方法。该系统经试验温室中调试使用 , 系统操作简单 , 经济实用, 控制精度达到农业生产要求。 关键词: STC89C58RD+ ; 单片机; 温室控制系统 中图分类号: TP368. 2 � � � � � � � 文献标识码: A 文章编号: 1003- 188X(2009) 11- 0140- 05 0� 引言 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 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或者 PLC 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 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 STC89C58RD +单片机的低成本温室自动化控制 系统。 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、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 收稿日期: 2008- 12- 27 基金项目: 浙江省重大科技专项重点项目 ( 2006C 12040 ) ;浙江省教 育厅科研项目 ( Y200803864 ) 作者简介: 陈教科 ( 1979- ) ,男,浙江苍南人,讲师, ( E - m a il) lchen@ z iut. edu. cn。 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 完成系统参数测量, 数据存储等。硬件总体设计结构 如图 1所示。 图 1� 总体结构图 由图 1可知, 整个系统采用 STC89C58RD + 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, 经由控制系统的 8 路模拟量、数字量输入接口传输到 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通过 16路开关量输 出口传送到电机和电磁阀等执行机构上, 从而实现对 �140� 2009年 11月 � � � � � � � � � � � � � 农 机 化 研 究 � � � � � � � � � � � � � � � � 第 11期 温室的控制。温室独立控制系统上还包括各种人机 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。 本控制系统采用宏晶科技公司生产 STC 51系列 单片机控制器 ( STC89C58RD+ )。该单片机具有强加 密性,无法解密;具有超强的抗干扰性能, 且芯片内部 自带看门狗。STC89C58RD +单片机最高时钟频率为 0~ 80MH z, 32k的 Flash存储器、1 280字节的 RAM、 拥有 P4口适合需要多 I /O的系统设计、16k字节的 E 2 PROM可以提供比其它单片机更多的存储空间。其 不需要依靠任何烧录器, 直接通过电脑上的串口以 ISP方式进行烧录。这种单片机的烧录方式操作简单 容易,程序的调试和烧写灵活, 修改方便, 且不受地 域、时间和环境的影响和限制, 可为以后产品的改进 和升级提供方便。 2� 硬件设计 2. 1� 采集模块 由于温室传感器的精度不超过 1%, 本节点选用 精度为 0. 1%采样电阻, 这样在采样电阻上的精度损 失可以忽略不计, 阻值大小为 100� , 4~ 20mA的信号 电流就转变成为 0. 4 ~ 2V的电压信号。 8路的电压 信号通过单片机的 I/O 口选择 8路模拟量通道 ( CD4051), 以差分的方式将数据输送到仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 放大器 AD620中, 然后通过运放电路输送到 A /D 芯片 ( ADS1110)中进行处理和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 并通过 SDL, SCA两 条数据线把数据传输到 CPU中。其具体结构如图 2 所示。 图 2� A /D采样模块 � � A /D采集模块控制系统的元器件采用了高抗干 扰度的逻辑器件, 即 I /O口与 CD4051之间通过光耦 ( TLP521- 1)把数字量信号和模拟量信号进行隔离处 理,减少数模之间的干扰及影响。采用仪表放大器 ( AD620)进行差分方式输入电压信号, 极大地减少了 外间因素给 A /D数据采集带来的信号干扰。同时, 人 为地附加电容, 以降低某个逻辑电路的工作速度抑制 高频干扰,从而保证了数据采集和传输的准确性。 ADS1110是精密的连续自校准模 /数 ( A /D)转换 器,带有差分输入和高达 16位的分辨率, 封装为小型 SOT23 - 6。片内 2. 048V的基准电压提供范围为 � 2. 048V的输入差分电压, 精度 � 2. 048V + 0. 05% , 温度漂移为 5 � 10- 6 /� 。ADS1110使用可兼容的 I2C 串行接口, 在 2. 7 ~ 5. 5V 的单电源下工作 [ 1 ]。 ADS1110可每秒采样 15, 30, 60或 240次以进行转 换。片内可编程的增益放大器 PGA提供高达 8倍的 增益,并且允许以高分辨率对较小的信号进行测量。 温室控制系统选用精度为 14b its就能够满足温室 控制数据采集的需要, 因此 A /D采集模块设计中选定 采样精度定为 14b its。因此, 根据表 1[ 2] 可得知 ADS1110每秒采样 60次, 而温室控制系统设计中运 放负电压输入端是接地。所以, 最小码为 0( 0000H ) , 最大码为 8 192( 7FFFH ), 分别对应的是 0. 4V和 2. 048V的电压值。当采集到信号电压值为 0. 4 ~ 2. 048V量程中的任何一个值都可通过如下公式计算, 即 输出码 = - 1 �最小码 �PGA � ( V IN+ ) - ( V IN- ) 2. 048V 计算出对应的输出码, 其输出码的值都在 0000H ~ 7FFFH的范围内。不同的输出码以线性关系对应为 0. 4~ 2. 048V量程的不同电压, 从而达到 A /D采集的 目的。 A /D采集模块的运算放大器工作在线性区, 可得 运算放大器的两个依据 [ 3 ] : 1) 由于运算放大器的差模输入电阻 rid � � ,故可 认为两个输入端的输入电流为零; 2) 由于运算放大器的开环电压放大倍数 Au0 � � ,而输出电压是一个有限的数值, 故可知 u+ - u- = u0 A u0 � 0,即 u+ � u-。 �141� 2009年 11月 � � � � � � � � � � � � � 农 机 化 研 究 � � � � � � � � � � � � � � � � 第 11期 从而可得 V IN, VOUT的关系为 V IN � R 2 R1 + R 2 = VOUT � R3 R 3 + R4 + R 5 ADS1110片内基准电压是 2. 048V, 即 VOUT = 2. 048V,而 VIN = 5V 。因此, 根据上式可适当选择电 阻 R1, R2, R3, R 5的值以及滑动变阻器 R 4的阻值范围, 实现 A /D采样所需的放大倍数。 表 1� 最小和最大码 DATA RATE NUMBER OF B ITS M IN IMUM CODE MAX IMUM CODE 15SPS 16 - 32768 32 768 30SPS 15 - 16384 16 384 60SPS 14 - 8192 8 192 240SPS 12 - 2048 2 048 � � 数字量采集模块用于采集温室执行设备的运动状 态信号。执行设备的运动状态通过行程开关的闭合状 态获取。把行程开关安装在执行设备上, 当执行设备 运动到头时, 行程开关的触点被碰开。而行程开关又 是串联在 24V的电源上, 并将数字量采集模块上的开 关光耦和 2. 4k�的电阻也串联在一起。行程开关的开 关状态就反映到开关光耦的开关状态然后通过总线器 件读入单片机。 2. 2� 输入、输出及显示模块 输入模块中设计了 6个独立按键, 通过一片 CD40106直接 I /O相连, 6个键分别起到上翻、下翻、 功能、选择、确定、取消 6种功能。当按键按下时, 口 线值为 1, 通过 CD40106反向作用后对应的 I /O口为 0。功能键与单片机中断口相连起到外部中断唤醒的 作用。这种设计方法可以减轻单片机的资源消耗, 提 高单片机的运作效率。 液晶设计中选用了 OCM 4 � 8C液晶显示模块, 它 是 128 � 64点阵的汉字图形型液晶显示模块, 内置国 标 GB2312码简体中文字库 ( 16 � 16点阵 )、126个字 符 ( 8 � 16 点阵 ) 及 32 � 128 点阵 显示 RAM ( GDRAM ) [ 4 ] ,可与 CPU直接接口, 提供串行 /并行两 种接口方式与 CPU相连接。为了节省 I/O口的使用 数量,设计中选用串行方式。同时, 为了使液晶有一 定线长距离, 在液晶和 CPU之间加一片 CD40106增 加其驱动能力。整个系统在控制过程中可以实时的、 直观地显示温室的温度、湿度、光照度等数据信息, 用 户能够及时地得到温室的信息。 16路开关量输出模块用于控制温室执行设备的 运动,控制执行设备其实就是控制自动控制开关, 强 电柜中一般采用 220V /AC继电器作为自动控制开 关。而单片机的 IO口是不能直接驱动继电器的。所 以, 开关量控制模块就是一个增强驱动的电路。当单 片机的某个 IO口输出为低电平时, 相应的继电器吸 合从而驱动它所连接着的温室执行机构, 最终控制温 室的侧窗、顶窗、湿帘、风机以及喷淋系统等设备的开 启和关闭。 2. 3� 通讯模块 通讯模块主要是用于把保存在 CPU中的数据传 送到上位机中进行比较分析,从而能够更好地调整和 改进控制方案, 设计中采取两种通讯方式, 即 RS232 方式和 RS485方式。两种不同的通讯方式适合不同 环境、不同用户的需求。RS232采用异步通讯方式, 传输速度有限,且传输的距离有限, 只适合短距离、少 量数据的通讯, 能够很方便与 PC机的 COM 口相连 接。RS485通讯方式能够有较远的传输距离, 适合远 程控制,当数据传输速率在 105bit / s以下时, 传输距 离往往可以达到 1 200m 以上, 适合较远距离及多个 节点的数据采集、传输。 3� 软件设计 温室控制的主要影响因素是环境因素。对环境 因素的调节手段, 在不同季节、不同气候条件下有所 不同 [ 5]。例如, 对温度的调节, 在春季, 只使用侧窗和 顶窗开闭调节; 在夏季, 可使用的调节手段有使用侧 窗、排风扇、水帘、遮荫帘等; 在冬季, 可使用暖气电磁 阀、气泵、天窗等调节手段。可见, 针对不同季节和不 同气候条件, 需要归纳出多套控制规则, 这给控制器 的设计带来了很大麻烦。为了简化设计工作量, 可选 择调节手段最齐备的情况来归纳控制规则, 其他季节 和气候条件下仍使用同一控制规则, 只是仍需要封锁 某些控制输出。本系统采用最简单的阈值法控制。 即事先根据作物生长条件的设定温室环境参数的阈 值, 当传感器检测到的温室环境参数不在阈值范围内 的时候。控制相应的执行机构, 改变温室环境状态, 直到参数处在阈值范围内。 系统控制软件采用 C语言编程和模块化设计思 想, 各功能模块都有相应的子程序, 通过主程序调用。 系统包括的功能模块子程序有传感器检测、液晶显 示、键盘输入、时钟等。而且官方还提供 STC89C58RD +系列的单片机的头文件,用户可以直接使用这个头 文件到相关程序中, 给开发带来极大的方便, 缩短了 开发周期。温室控制系统主程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图 3所示。 考虑到传感器检测是定时进行的, 所以在定时器 �142� 2009年 11月 � � � � � � � � � � � � � 农 机 化 研 究 � � � � � � � � � � � � � � � � 第 11期 中断程序中完成。既设定一个定时值, 每当定时器计 数结束后对传感器进行统一读取, 然后保存到全局变 量中,供主程序调用。温室环境恶劣, 干扰源多, 为保 证检测到的传感器值不受干扰的影响, 所以对检测到 的传感器值进行求平均值算法处理。每次进入定时 器中断时,先对采集到的数据进行筛选, 排除异常数 据,然后把采集到 5组传感器值求其平均, 当成一次 测量值。 根据温室系统的主要控制对象可分为: 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, 通过开窗装置开启侧窗和天窗进行通 风,喷淋装置在屋顶上喷淋, 以达到温室降温的目 的 [ 6]。当温室内的温度低于设定的温度下限时, 通过 关闭侧窗和天窗、打开暖气炉实现保温目的。湿度的 控制同样是通过开关侧窗和天窗、温室内喷淋及暖气 炉来实现。光照控制是通过内外遮阳网来实现。当 太阳的光照强度高于设定的光照值时, 关闭内外遮阳 网;低于设定的值, 开启内外遮阳网。 图 3� 主程序控制流程 在种植凤梨的试验温室中对观赏凤梨的光照度 的控制流程如图 4所示。 系统初始化开始后, 每隔 5m in采集一次光照度 数据,排除异常数据后求平均值, 然后判断光照度数 值的大小。当光照度数值小于 1万 Lux时,关闭外遮 阳和内遮荫;当光照度数值大于 1万 Lux, 小于 2. 3万 Lux时, 开启外遮阳,关闭内遮荫; 当光照度数值大于 2. 3万 Lux时, 开启关闭外遮阳和内遮荫。这样既能 达到控制温室的目的, 又能够节约温室开关外遮阳和 内遮荫所消耗的能源,从而实现温室的最优控制。 图 4� 温室系统对光照度控制流程 4� 结论 1) 数据采集与处理的实时化。为了保证实时地 检测大棚内环境的变化,数据采集与处理要满足一定 的时间限制, 以便能实时做出处理, 抵御意外事故的 发生。 2) 信号检测的多元化和连续化。检测信号为温 度、湿度、光照度等多种不同类型。系统对植物温室 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 保持大棚内环境气候的相对稳定性, 必须对它进行连 续监控。 3) 软件可随时修改, 所以适应性强, 操作人员可 以根据温室内所种植物的习性及生长特点, 人为改变 环境预置参数, 保证植物生长环境最佳。另外, 系统 设计采用模块化结构,在不需要改动系统结构的情况 下, 容易增加新的模块, 使系统的功能容易扩展。 4) 控制系统具有简单、灵活、价廉、实用等特点, 可满足不同用户的需要。目前, 商丘和全国农民正在 大力发展温室栽培,绝大部分温室大棚已经安装有通 风、加热、喷淋等设备,只需添加 �自动控制系统 �中的 单片机控制器、环境参数采集传感器及输出控制柜, 就能实现有中、低档温室改装成一套低成本的 �智能 温室 �。 本系统在种植凤梨的试验温室中调试两个月, 工 作稳定,性能可靠,控制效果良好, 大大节省了人力资 源, 既经济又实惠,符合广大农业用户的消费水平, 符 �143� 2009年 11月 � � � � � � � � � � � � � 农 机 化 研 究 � � � � � � � � � � � � � � � � 第 11期 合我国国情,具有很大的推广价值。 参考文献: [ 1] � 16 - B it ANALOG2TO2D IG ITAL CONVERTER w ith On� board Re ference[ Z ]. T exas Instrum ents Inco rpo ra ted, 2003. [ 2] � 孙汝建. 基于 I2C总线的 16位 A /D转换器 ADS1110及其 应用 [ J] .自动化与仪器仪表, 2006( 5): 49- 51. [ 3] � 秦曾煌. 电工学 (下 ) ( 5版 ) [M ]. 北京: 高等教育出版 社, 1999. [ 4] � 任志刚,唐征兵. 温室控制系统设计 LCD实现控制参数设 置与测量参数显示 [ J] . 西安航空技术高等专科学校学 报, 2005, 23( 5): 14- 16. [ 5] � SAYEA, VANLOON WKP, BOT GPA, e t a.l The So la rG reen� house: A Survey of Energy Sav ing M ethods[ J]. Ac ta H ort, 2000, 534: 131- 138. [ 6] � 朱克武,贺小龙. 温室大棚自动控制系统的研究 [ J]. 农业 网络信息, 2005( 5): 52- 53. Design ofGreenhouse Control System Based on STC89C58MCU Chen Jiao liao, YanH a i ( Key Lab ofM in istry o f E ducation for Prov ince Jo intedM echan ica lM anufacture & A utomation, Zhejiang University o f Technology, Hangzhou 310014, China) Abstract: As the g reenhouse control systems produced by domestic and overseas compan ies at present are too cost ly for farmers, Based on STC89C58RD+ MCU, a k ind o f greenhouse con tro l system about temperature, hum idity and illum i� nation intension is introduced. The design methods of system hardw are and softw are are fully described. The system has been run in tentative g reenhouse, the system can be easily controlled, and canmake greenhousemeet the env ironment re� quiremen ts for crop. al gu idance of using agricu ltural w aste for removal heavy m eta l ions from w astew ater. Key words: STC89C58RD+ ; MCU ; greenhouse contro l system (上接第 139页 ) [ 5] � 李冰, 王顺喜,杨炳南. 青饲切割机动刀片受力对比分析 [ J] .农业机械学报, 2005, 36( 5): 49- 52. [ 6] � 王宏立, 王文春,杨天维 ,等. 青饲机平板刀式滚筒切碎器 的设计研究 [ J] .黑龙江八一农垦大学学报, 2004, 16( 3) : 49- 52. [ 7] � 陈菊芬,王顺喜. 青饲切碎机动刀片刃口的受力分析 [ J]. 农机化研究, 2004( 6): 51- 53. [ 8] � 王泽群,唐遵峰, 崔刚,等. 自走式饲料收获机的设计 [ J]. 中国奶牛, 2007( 6): 51- 53. Abstract ID: 1003- 188X( 2009) 11- 0137- EA V irtual Design and Experim ents of 9QS8 Forage Harvester Based on Solidworks Zhu Kongxin, N ing Encheng, ZhaoM ing, H u Guosheng, W ei Zhong, Jia J ingx ia (M odern Agricultural Equ ipment Northern Co. , L td. , B eijing 100083, Ch ina) Abstract: Ow ing to the beh indhand and ineffic ient design o f forage harvester, a feature- based param etric modeling soft� ware Solidworks w as used for the design o fm ach ine. N ew 9QS8 Forage harvesterwas designed. Low stubb le harvest ing o f overtake d iam eter d isk cutter is realized and n ipp ing, transportation, feed ing prob lem of crops is settled. Log ical research and design ofmov ing parameters and dr iv ing rou te can ge t structure andmov ing parameters o f overtake diameter disk cut� ter, pow er costing is low and performance is reliable. R esearch o f cutting parts structure and mov ing parameters confirm uniform ity of cutting crops. F ie ld experimen t resu lts of forage harvester show that harvesting losing rate are less than 2% and feed ing quantity is more than 10. 8kg / s. Th is paper offers reference for the study o f forage harvester in future. Key words: forage harvester; parametricmode ling; virtual �144� 2009年 11月 � � � � � � � � � � � � � 农 机 化 研 究 � � � � � � � � � � � � � � � � 第 11期