智能溫室計算機控制系統研究

齊 鐵，王志國，初秀娟

(綏化學院，黑龍江綏化，152061)

0 引言

本系統是由一臺計算機作為上位機，多臺AT89S51 單片機為下位機組成的智能溫室計算機自動控制系統，它是個以計算機為核心的網狀結構。下位機主要實現對所有溫室中溫度和濕度的檢測和調節，把溫室中各傳感器采集的溫度和濕度等數字信號儲存起來，然后與計算機里儲備的多種作物生長發育適宜環境參數，以及專家給出的植物生長不同階段的生物信息進行比較，根據所種農作物的最佳環境指標，經過控制計算，給出執行指令，使溫室中的天窗、風機、遮陽網和濕簾等執行機構自動運轉，保證溫室中所種的農作物能獲得最佳的生長空間。同時將數據送到上位機對數據進行存儲、顯示、管理和統計分析。

1 系統的硬件電路研究

1.1 總體思路

系統通過傳感器對溫室內溫度和濕度等環境因子進行實時采集，并將其轉換為數字信號傳送給現場控制系統，由現場控制系統完成對這些環境信息量的采集、存儲和預處理，并通過串行總線與計算機系統相連，寫入數據庫系統中。然后與預置的參量進行對比，完成越限報警、數據傳輸等功能，同時將信息控制量傳給控制器，控制器將處理后的信號再傳給繼電器驅動執行器（如電機、電磁閥等），完成天窗、風機、遮陽網和濕簾等設備的自動控制，從而自動調節溫室內溫度和濕度 。硬件部分總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件部分總體設計框圖

1.2 傳感器的選擇

傳感器是將被控對象或被控制量轉換為電量的一種裝置。它在系統中具有很重要的地位，它的精度會直接影響控制系統的精度。

1.1.1 溫度傳感器的選擇

本系統溫度信號采集選用可編程數字式溫度傳感器DS18B20。它不僅可實現溫室內溫度信號的采集，還能通過編程直接讀出9 至12位四種設置讀取方式的被測溫度。因而系統可省去后面信號的放大和模數轉換兩部分電路，使外圍電路非常簡單，可靠性高，傳輸距離遠。

1.1.2 濕度傳感器的選擇

本系統濕度信號采集選用電容式濕度傳感器HS1101。它采用專利設計的固態聚合物結構，測量范圍一般可達到0～100%，具有響應時間短、可靠性高和穩定性長等優點，其精度非常高。

1.3 系統電路研究

本系統電路主要包括溫度檢測電路、濕度檢測電路、控制執行電路和超限報警電路。

1.3.1 溫度檢測電路

DS18B20 的輸入和輸出采用的是數字信號，利用單總線技術接收主機發送的命令，根據它的內部協議進行相應的處理后，把轉換的溫度以串口發送給主機。主機再按照通信協議利用一個IO 口模擬DS18B20 的時序，發送命令給DS18B20，轉換完成后送給計算機，在顯示器上讀取溫度值。在系統啟動時，需設定溫度的標準值和上下限值，當某處溫度超過極限值時，報警器報警。

DS18B20 的最佳工作方式是采用外部電源供電方式，其多點測溫電路如圖2 所示。

圖2 外部供電方式的多點測溫電路圖

1.3.2 濕度檢測電路

由于HS1101 是電容式濕度傳感器，它的電容不可直接測量，所以需利用555 多諧震蕩電路先檢測到頻率，再由單片機計算出電容量值，最后根據電容值計算出相應的濕度值。濕度檢測電路如圖3 所示。在電路中，555 定時器是用作多穩態觸發器輸出頻率信號的。

圖3 濕度檢測電路

其工作中的周期為：

可見，當溫室內濕度發生變化時，HS1101 兩端的電容量發生改變，使電路的輸出頻率也隨著呈反比例的改變。這樣，只要測出NE555N 的輸出頻率就可測得濕度。

1.3.3 控制執行電路

控制執行電路由單片機的輸出開關量來控制電機或恒溫閥，如圖4 所示。單片機選擇AT89S51，采用光電耦合器進行弱電和強電的隔離，考慮到輸出信號要對可控硅進行觸發，以便接控制電路，因此晶閘管選用既有觸發功能又有光電隔離功能的MC3041。鍵盤采用虛擬面板的形式在計算機屏幕上顯示與實際操作對應的各種控鍵，開關K 接復位鍵，與RC 構成復位電路。

圖4 控制執行電路

2.3.4 超限報警電路

本系統中超限報警電路采用低壓音頻功率放大器，當實際溫度或濕度超過設置的值時，放大器輸出一定頻率的電壓信號，經過音頻功率放大器放大后，推動揚聲器發出蜂鳴聲報警。

2 系統軟件研究

LabVIEW 不僅提供了開發虛擬儀器面板的對象和進行信號分析的函數，而且在外掛PID 工具里，還提供了開發控制系統的各種函數。用戶利用提供的接口，可根據現場情況配置參數，方便的進行PID 控制器的設計，搭建所設計的自動控制系統[5]。因此，本系統選用LabVIEW 為編程平臺。

前面板是直接面向用戶，用來提供用戶與系統的接口，用于設置輸入參數和觀察實時溫度和濕度等。根據系統的功能，利用LabVIEW 的控制模板，在前面板上放入輸入控件、顯示控件、數據輸出控件、控制按鍵和功能轉換鍵等。

3 結語

經反復測試，該系統實現了利用計算機對溫度和濕度的自動控制功能，并在智能溫室的應用中取得了較好的效果。但是，影響溫室的環境信息還有CO2 及陽光、室外的溫度、濕度、風力、風向等，還需要實現對光照和CO2 的自動控制，還可以在溫室外面安裝一套傳感器來采集信息，這樣就可以將室內外信息結合在一起，使溫室內農作物的生長環境達到最佳。

[1]李全利，單片機原理及應用 [M]，北京：高等教育出版社，2012

[2]張毅剛，彭喜元，彭宇，單片機原理及應用 [M]，北京：高等教育出版社，2011

[3]孫余凱，傳感器應用電路300例 [M]，北京：電子工業出版社，2008

[4]張萍，黃增雙，基于555 定時器的數字化測濕方法的研究[J]，自動化技術與應用,26(09):106-107,2006

[5]楊樂平，李海濤，楊磊，LabVIEW 程序設計與應用 [M]，北京：電子工業出版社，2005