基于嵌入式的溫室執行機構控制器的設計

高一川　柳競林　肖進

摘要：針對溫室執行機構電力柜控制系統中存在的不足，提出了一種基于嵌入式技術的執行設備控制方法，設計的控制器采用五個單相磁保持繼電器作為動作執行元件，通過過零點檢測電路、繼電器驅動電路，配合相應的嵌入式軟件實現溫室設備的實時監測與控制。試驗證明，該控制器滿足設計要求指標，具有一定的應用價值。

關鍵詞：溫室；執行設備；控制器；繼電器

中圖分類號：S24；TP274 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）13-3170-04

Designing Greenhouse Actuator Controller Based on Embedded Technology

GAO Yi-chuana，LIU Jing-linb，XIAO Jina

（a. Institute of Agricultural Mechanization；

b. Institute of Forestry and Fruit Tree， Wuhan Academy of Agricultural Science & Technology， Wuhan 430075， China）

Abstract： Considering the deficiency of power control system existed in greenhouse actuator controller， a novel control method based on embedded technologies was proposed. The actuator controller using five single-phase magnetic latching relays as major execution unit， through zero-crossing detection circuit and relay driver circuit， coordinating with corresponsive embedded software realized the real-time monitoring and control of greenhouse equipments. Results showed that the controller could meet the design requirements and had certain practical use.

Key words： greenhouse； actuator； controller； relay

溫室環境控制技術作為現代設施農業技術的一種，隨著計算機技術和農業技術的進步而逐漸發展起來的，并向著網絡化、智能化方向發展[1]。世界各國已將溫室環境控制技術的研究作為可控環境農業的研究重點。溫室環境控制的基本原理是通過傳感器實地監測關心的環境因子，如溫度、濕度、光照度、CO2濃度、pH和EC等，然后將這些傳感數據集中采集回來，再借助植物生長所需的目標環境參數（專家系統），通過計算機技術和自動控制技術對這些環境因子進行集中調控，具體來講就是對溫室內的一些執行機構進行控制。

國內外關于溫室環境控制技術的研究集中在三個方面：其一，系統及硬件方面的研究[2]。主要研究如何構建整套溫室監控系統，從傳感器數據采集、無線通信，再到計算機集中控制。由于工業控制技術較為成熟、可靠性較高，將工業控制器應用于溫室控制系統也是近年來研究的一個方向。其二，溫室控制模型和控制算法方面的研究[3]。其三，將作物模型和溫室環境相結合進行溫室環境調控方面的研究[4]。目前針對溫室執行機構控制器的研究還是空白，而執行設備控制器處于整個溫室控制系統最末端控制環節，所有控制算法和控制策略的實施最終都要歸結于控制執行機構上。如何有效、可靠地控制這些執行設備成為溫室控制系統設計的關鍵。

1 設計原理

現代溫室控制系統的調控設備，或稱為最終控制對象，包括天窗、側窗、濕簾、風機、濕簾水泵、內外遮陽、補光燈、環流風機、熱風爐、CO2發生器等。每個執行設備按控制方式的不同分為三類：第一類是對三相交流電機的正反轉運行控制，包括天窗、側窗、外遮陽、內遮陽等；第二類是交流三相電機的起停（開關）控制，包括環流風機、濕簾風機、熱風爐等；第三類是兩相電源的開關控制，包括補光燈、CO2發生器、水泵等。此文主要針對第一類設備控制器進行研究，其他兩類控制設備相對簡單一些，可以參照第一類控制器的設計。

溫室執行機構大部分由三相電動機的正反轉來傳動，而目前比較普遍的做法是配備相應的電力控制柜，其基本組成是使用熔斷器、接觸器以及繼電器并按照一定的接線方式來控制三相電機正反轉。由于這種設備成本低廉，構建簡便，廣泛應用于簡易或連棟溫室大棚中。然而，在電動機正反轉切換時，由于電動機的容量較大或操作不當等原因，容易導致接觸器的主觸頭產生電弧。電弧是高溫高導電率的游離氣體，它不僅對觸頭有很大的破壞作用，而且使電路斷開的時間延長，從而嚴重影響整個系統的穩定性和使用壽命。并且，現代溫室環境控制技術的發展主要趨向于控制系統的智能化和信號傳輸的無線化。傳統的繼電器、接觸器控制線路已不能適應現代溫室環境控制系統的要求。

為此，提出了一種基于嵌入式技術開發的三相電機控制器。其控制原理是通過微控制器協調控制五個磁保持繼電器閉合來實現三相電機起、停、正反轉控制。為了避免繼電器投切時電弧的產生，控制器設計了交流過零點檢測電路，保證繼電器在交流零點關斷電路。同時，控制器配備了交流電壓、電流檢測功能，能夠在線監測電機運行狀態并自動處理各種異常狀況。

2 控制器硬件設計

控制器以ARM 32位微處理器為核心，主要負責控制繼電器、采樣芯片，RS485通信、ZigBee無線通信和協調處理一些中斷信號。采樣芯片負責三相電壓、電流、頻率、功率因素以及有功無功的測量，并且對過壓、欠壓、缺相和過流進行檢測，以便及時啟動保護功能。掉電存儲模塊用來存儲每塊微處理器的地址，負載電機消耗的電能，以及用于判斷和計算的參數等。K1至K5為五個控制線路閉合的磁保持繼電器。過零檢測電路檢測交流電流的零點，用以實現電路的無弧切斷。電壓和電流互感器用來從電網中取樣電壓和電流，用于常規檢測和過零檢測。微處理器從采樣芯片中讀取測量值，進行分析計算。如果發現異常，則立即通知處理器執行切斷操作。控制器配備CAN總線、ZigBee無線通信接口用以實現信息交互與網絡控制（圖1）。

2.1 過零檢測單元設計

此三相電機控制器作為一種大功率開關使用，在磁保持繼電器關斷過程中會產生電弧。電弧是高溫高導電率的游離氣體，它不僅對觸頭有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時間延長，嚴重影響設備使用壽命。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質恢復強度高于電壓恢復強度[5]。因此，如果觸頭在電流過零分開，并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復電壓而不發生擊穿的距離，則此時觸頭間隙就不會產生電弧。過零檢測部分框圖如圖2所示。

圖2中AD623是一單電源儀表放大器。儀表放大器能夠對很微弱的差分電壓信號進行放大，并且具有很高的輸入阻抗。首先，互感器輸出的交流電流信號通過電阻轉換成電壓信號，電壓信號被分成兩路，一路用于過零點檢測，一路用于電能參數測量。AD623被設計成電壓跟隨輸出，增益為1，其作用為提高過零點檢測單元的輸入阻抗，同時將檢測信號與電能參數測量信號隔離。通過LM339實現過零點比較轉換，由于其內部帶有電壓滯回電路，可以消除交流信號過零時抖動而產生的輸出振蕩。電流互感器輸出的正弦信號經過過零檢測電路后整形為標準方波，送至微控制器的外部中斷輸入口。

磁保持繼電器動作執行時間是決定相線能否在電流過零點分斷的一個關鍵因素。由于相對50 Hz的交流電，磁保持繼電器的動作執行時間不能忽略。所以當微控制器確定交流信號的電流過零點后，不是馬上控制繼電器動作，而是根據繼電器動作時間，算出延遲時間使之正好在下一個電流過零點周期切斷繼電器。

2.2 繼電器驅動單元設計

磁保持繼電器屬于電磁式的繼電器。磁保持繼電器的常閉或常開狀態完全是依賴永久磁鋼的作用，通常其觸點處于保持狀態時，線圈不需繼續通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態不變。其開關狀態的轉換是靠一定寬度的脈沖電信號觸發而完成的。因此，控制觸點轉換時，只需在線圈兩端輸入一定寬度的正向或反向直流脈沖就可以實現磁保持繼電器的接通或切斷。根據H橋電路原理，設計了如圖3所示的磁保持繼電器驅動電路。

圖3中CtrlA與CtrlB為微控制器輸出的控制信號，并通過光耦實現與驅動電路隔離。當CtrlA為高電平、CtrlB為低電平時，Q1與Q4導通，A、B兩端形成正向脈沖驅動繼電器閉合。當CtrlA為低電平、CtrlB為高電平時，Q2與Q3導通，A、B兩端形成反向脈沖驅動繼電器斷開。

2.3 采樣監測單元設計

檢測部分采用珠海炬力公司的電度計量芯片ATT7022A。它是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線的應用。ATT7022A能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、有功能量和無功能量等，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因素、頻率等參數。同時，它還提供一個SPI接口，方便與外部控制器之間進行計量參數以及校表參數的信息傳遞。電能參數測量功能框圖見圖4。

3 控制器軟件設計

控制器程序主要包括繼電器控制程序、過零檢測程序、采樣監測程序、數據存儲程序、ZigBee無線通信程序、CAN通信程序等。然而嵌入式系統中只有一個CPU，因此在一個具體時刻只能允許多個任務中的一個任務占用CPU。如果使用傳統的“前-后”臺方式編寫程序，各個任務是靠中斷觸發置標志位，然后在主程序循環里逐個查詢任務標志從而執行相應的任務函數。該控制器是一個多任務函數的實時系統，對任務響應時間有嚴格要求。顯然，這種“前-后”程序模式不適合該控制器。

uC/OS-II是一個嵌入式多任務實時操作系統。它包括了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等功能[6]。并且它是一個基于優先級的可搶占式的硬實時內核，即使CPU正在運行某個低優先級的任務，當高優先級任務準備就緒時，該高優先級的任務就會剝奪正在運行任務的CPU使用權，而使自己獲得CPU的使用權。所以當控制器需要執行切斷任務時，能保證該任務在一個規定時間內完成對事件的處理。控制器上了uC/OS-II操作系統后，只需針對功能編寫相應的應用程序即可，然后根據任務緊迫性設置相匹配的任務優先級，保證各功能的完成實現。

繼電器切斷程序流程圖如圖5所示。當收到斷開指令后，先使能外部下降沿中斷，當檢測電路檢測到電流過零時刻，觸發外部中斷告知控制器。控制器延遲一段時間至下一次零點到來時，執行斷開繼電器操作。當需要執行電機反轉控制時，控制器先判斷當前轉動方向，然后調用切斷控制程序。當斷開成功后，延時一段時間等待電機停止運轉，然后執行換相閉合繼電器程序，從而實現電機反方向運轉。

4 試驗結果及應用

電流過零檢測波形圖如圖6所示。圖6中正弦波形為電流互感器輸出信號。方波為電壓比較器輸出波形。由于比較器兩端壓差大于10 mV，其輸出就能從一種狀態轉變到另一種狀態。因此，當電流互感器輸出信號越大時，零點檢測越準確。從圖6可以看出，方波的下降沿幾乎與正弦交流信號過零點重合。

經過多組測量，結果顯示磁保持繼電器在其額定電壓驅動下，執行關斷動作時間約為9 ms。因此，檢測到零點后，控制器延時1 ms后執行關斷操作即可達到零點關斷繼電器的效果。過零點關斷波形圖如圖7所示，試驗結果符合預期設計要求。

傳統的溫室執行機構控制方法如圖8左邊所示，其原理是使用開關器件、熔斷器、接觸器以及繼電器按照一定的接線方式鏈接，通過控制三相電機正反轉從而實現對溫室執行機構的控制。該控制方式容易導致觸頭產生電弧，存在安全隱患且嚴重影響設備使用壽命，并且不符合現代溫室控制技術的發展要求。

此次設計的執行設備控制器應用如圖8右邊所示。控制器采用五個單相磁保持繼電器作為動作執行元件，通過其過零點檢測電路、繼電器驅動電路，配合相應的實時嵌入式軟件實現三相電機起、停、正反轉控制。現代智能溫室控制系統應用框圖如圖9所示。執行設備控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構建智能溫室控制系統不可或缺的一個重要環節。

5 小結

本文設計的執行機構控制器采用五個單相磁保持繼電器作為動作執行元件，通過其過零點檢測電路、繼電器驅動電路、配合相應的實時嵌入式軟件實現三相電機起、停、正反轉控制。控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構建智能溫室控制系統不可或缺的一個重要環節。

參考文獻：

[1] 周長吉.現代溫室工程[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2] 陳建恩，王立人.基于以太網的溫室測控系統架構方案[J].農機化研究，2003（4）：49-51.

[3] 劉東利，王延耀，張建勇.神經網絡模糊PID算法在溫室溫度控制中的仿真研究[J].農機化研究，2006（10）：70-72.

[4] 余朝剛.溫室氣候環境微機測控系統與控制方法的研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[5] 許志紅，張培銘，鄭 昕.智能交流接觸器零電流分斷控制技術的實現[J].低壓電器，2006（7）：6-11.

[6] 任 哲.嵌入式實時操作系統uC/OS-II原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

2.1 過零檢測單元設計

此三相電機控制器作為一種大功率開關使用，在磁保持繼電器關斷過程中會產生電弧。電弧是高溫高導電率的游離氣體，它不僅對觸頭有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時間延長，嚴重影響設備使用壽命。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質恢復強度高于電壓恢復強度[5]。因此，如果觸頭在電流過零分開，并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復電壓而不發生擊穿的距離，則此時觸頭間隙就不會產生電弧。過零檢測部分框圖如圖2所示。

圖2中AD623是一單電源儀表放大器。儀表放大器能夠對很微弱的差分電壓信號進行放大，并且具有很高的輸入阻抗。首先，互感器輸出的交流電流信號通過電阻轉換成電壓信號，電壓信號被分成兩路，一路用于過零點檢測，一路用于電能參數測量。AD623被設計成電壓跟隨輸出，增益為1，其作用為提高過零點檢測單元的輸入阻抗，同時將檢測信號與電能參數測量信號隔離。通過LM339實現過零點比較轉換，由于其內部帶有電壓滯回電路，可以消除交流信號過零時抖動而產生的輸出振蕩。電流互感器輸出的正弦信號經過過零檢測電路后整形為標準方波，送至微控制器的外部中斷輸入口。

磁保持繼電器動作執行時間是決定相線能否在電流過零點分斷的一個關鍵因素。由于相對50 Hz的交流電，磁保持繼電器的動作執行時間不能忽略。所以當微控制器確定交流信號的電流過零點后，不是馬上控制繼電器動作，而是根據繼電器動作時間，算出延遲時間使之正好在下一個電流過零點周期切斷繼電器。

2.2 繼電器驅動單元設計

磁保持繼電器屬于電磁式的繼電器。磁保持繼電器的常閉或常開狀態完全是依賴永久磁鋼的作用，通常其觸點處于保持狀態時，線圈不需繼續通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態不變。其開關狀態的轉換是靠一定寬度的脈沖電信號觸發而完成的。因此，控制觸點轉換時，只需在線圈兩端輸入一定寬度的正向或反向直流脈沖就可以實現磁保持繼電器的接通或切斷。根據H橋電路原理，設計了如圖3所示的磁保持繼電器驅動電路。

圖3中CtrlA與CtrlB為微控制器輸出的控制信號，并通過光耦實現與驅動電路隔離。當CtrlA為高電平、CtrlB為低電平時，Q1與Q4導通，A、B兩端形成正向脈沖驅動繼電器閉合。當CtrlA為低電平、CtrlB為高電平時，Q2與Q3導通，A、B兩端形成反向脈沖驅動繼電器斷開。

2.3 采樣監測單元設計

檢測部分采用珠海炬力公司的電度計量芯片ATT7022A。它是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線的應用。ATT7022A能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、有功能量和無功能量等，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因素、頻率等參數。同時，它還提供一個SPI接口，方便與外部控制器之間進行計量參數以及校表參數的信息傳遞。電能參數測量功能框圖見圖4。

3 控制器軟件設計

控制器程序主要包括繼電器控制程序、過零檢測程序、采樣監測程序、數據存儲程序、ZigBee無線通信程序、CAN通信程序等。然而嵌入式系統中只有一個CPU，因此在一個具體時刻只能允許多個任務中的一個任務占用CPU。如果使用傳統的“前-后”臺方式編寫程序，各個任務是靠中斷觸發置標志位，然后在主程序循環里逐個查詢任務標志從而執行相應的任務函數。該控制器是一個多任務函數的實時系統，對任務響應時間有嚴格要求。顯然，這種“前-后”程序模式不適合該控制器。

uC/OS-II是一個嵌入式多任務實時操作系統。它包括了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等功能[6]。并且它是一個基于優先級的可搶占式的硬實時內核，即使CPU正在運行某個低優先級的任務，當高優先級任務準備就緒時，該高優先級的任務就會剝奪正在運行任務的CPU使用權，而使自己獲得CPU的使用權。所以當控制器需要執行切斷任務時，能保證該任務在一個規定時間內完成對事件的處理。控制器上了uC/OS-II操作系統后，只需針對功能編寫相應的應用程序即可，然后根據任務緊迫性設置相匹配的任務優先級，保證各功能的完成實現。

繼電器切斷程序流程圖如圖5所示。當收到斷開指令后，先使能外部下降沿中斷，當檢測電路檢測到電流過零時刻，觸發外部中斷告知控制器。控制器延遲一段時間至下一次零點到來時，執行斷開繼電器操作。當需要執行電機反轉控制時，控制器先判斷當前轉動方向，然后調用切斷控制程序。當斷開成功后，延時一段時間等待電機停止運轉，然后執行換相閉合繼電器程序，從而實現電機反方向運轉。

4 試驗結果及應用

電流過零檢測波形圖如圖6所示。圖6中正弦波形為電流互感器輸出信號。方波為電壓比較器輸出波形。由于比較器兩端壓差大于10 mV，其輸出就能從一種狀態轉變到另一種狀態。因此，當電流互感器輸出信號越大時，零點檢測越準確。從圖6可以看出，方波的下降沿幾乎與正弦交流信號過零點重合。

經過多組測量，結果顯示磁保持繼電器在其額定電壓驅動下，執行關斷動作時間約為9 ms。因此，檢測到零點后，控制器延時1 ms后執行關斷操作即可達到零點關斷繼電器的效果。過零點關斷波形圖如圖7所示，試驗結果符合預期設計要求。

傳統的溫室執行機構控制方法如圖8左邊所示，其原理是使用開關器件、熔斷器、接觸器以及繼電器按照一定的接線方式鏈接，通過控制三相電機正反轉從而實現對溫室執行機構的控制。該控制方式容易導致觸頭產生電弧，存在安全隱患且嚴重影響設備使用壽命，并且不符合現代溫室控制技術的發展要求。

此次設計的執行設備控制器應用如圖8右邊所示。控制器采用五個單相磁保持繼電器作為動作執行元件，通過其過零點檢測電路、繼電器驅動電路，配合相應的實時嵌入式軟件實現三相電機起、停、正反轉控制。現代智能溫室控制系統應用框圖如圖9所示。執行設備控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構建智能溫室控制系統不可或缺的一個重要環節。

5 小結

本文設計的執行機構控制器采用五個單相磁保持繼電器作為動作執行元件，通過其過零點檢測電路、繼電器驅動電路、配合相應的實時嵌入式軟件實現三相電機起、停、正反轉控制。控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構建智能溫室控制系統不可或缺的一個重要環節。

參考文獻：

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[4] 余朝剛.溫室氣候環境微機測控系統與控制方法的研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[5] 許志紅，張培銘，鄭 昕.智能交流接觸器零電流分斷控制技術的實現[J].低壓電器，2006（7）：6-11.

[6] 任 哲.嵌入式實時操作系統uC/OS-II原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

2.1 過零檢測單元設計

此三相電機控制器作為一種大功率開關使用，在磁保持繼電器關斷過程中會產生電弧。電弧是高溫高導電率的游離氣體，它不僅對觸頭有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時間延長，嚴重影響設備使用壽命。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質恢復強度高于電壓恢復強度[5]。因此，如果觸頭在電流過零分開，并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復電壓而不發生擊穿的距離，則此時觸頭間隙就不會產生電弧。過零檢測部分框圖如圖2所示。

圖2中AD623是一單電源儀表放大器。儀表放大器能夠對很微弱的差分電壓信號進行放大，并且具有很高的輸入阻抗。首先，互感器輸出的交流電流信號通過電阻轉換成電壓信號，電壓信號被分成兩路，一路用于過零點檢測，一路用于電能參數測量。AD623被設計成電壓跟隨輸出，增益為1，其作用為提高過零點檢測單元的輸入阻抗，同時將檢測信號與電能參數測量信號隔離。通過LM339實現過零點比較轉換，由于其內部帶有電壓滯回電路，可以消除交流信號過零時抖動而產生的輸出振蕩。電流互感器輸出的正弦信號經過過零檢測電路后整形為標準方波，送至微控制器的外部中斷輸入口。

磁保持繼電器動作執行時間是決定相線能否在電流過零點分斷的一個關鍵因素。由于相對50 Hz的交流電，磁保持繼電器的動作執行時間不能忽略。所以當微控制器確定交流信號的電流過零點后，不是馬上控制繼電器動作，而是根據繼電器動作時間，算出延遲時間使之正好在下一個電流過零點周期切斷繼電器。

2.2 繼電器驅動單元設計

磁保持繼電器屬于電磁式的繼電器。磁保持繼電器的常閉或常開狀態完全是依賴永久磁鋼的作用，通常其觸點處于保持狀態時，線圈不需繼續通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態不變。其開關狀態的轉換是靠一定寬度的脈沖電信號觸發而完成的。因此，控制觸點轉換時，只需在線圈兩端輸入一定寬度的正向或反向直流脈沖就可以實現磁保持繼電器的接通或切斷。根據H橋電路原理，設計了如圖3所示的磁保持繼電器驅動電路。

圖3中CtrlA與CtrlB為微控制器輸出的控制信號，并通過光耦實現與驅動電路隔離。當CtrlA為高電平、CtrlB為低電平時，Q1與Q4導通，A、B兩端形成正向脈沖驅動繼電器閉合。當CtrlA為低電平、CtrlB為高電平時，Q2與Q3導通，A、B兩端形成反向脈沖驅動繼電器斷開。

2.3 采樣監測單元設計

檢測部分采用珠海炬力公司的電度計量芯片ATT7022A。它是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線的應用。ATT7022A能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、有功能量和無功能量等，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因素、頻率等參數。同時，它還提供一個SPI接口，方便與外部控制器之間進行計量參數以及校表參數的信息傳遞。電能參數測量功能框圖見圖4。

3 控制器軟件設計

控制器程序主要包括繼電器控制程序、過零檢測程序、采樣監測程序、數據存儲程序、ZigBee無線通信程序、CAN通信程序等。然而嵌入式系統中只有一個CPU，因此在一個具體時刻只能允許多個任務中的一個任務占用CPU。如果使用傳統的“前-后”臺方式編寫程序，各個任務是靠中斷觸發置標志位，然后在主程序循環里逐個查詢任務標志從而執行相應的任務函數。該控制器是一個多任務函數的實時系統，對任務響應時間有嚴格要求。顯然，這種“前-后”程序模式不適合該控制器。

uC/OS-II是一個嵌入式多任務實時操作系統。它包括了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等功能[6]。并且它是一個基于優先級的可搶占式的硬實時內核，即使CPU正在運行某個低優先級的任務，當高優先級任務準備就緒時，該高優先級的任務就會剝奪正在運行任務的CPU使用權，而使自己獲得CPU的使用權。所以當控制器需要執行切斷任務時，能保證該任務在一個規定時間內完成對事件的處理。控制器上了uC/OS-II操作系統后，只需針對功能編寫相應的應用程序即可，然后根據任務緊迫性設置相匹配的任務優先級，保證各功能的完成實現。

繼電器切斷程序流程圖如圖5所示。當收到斷開指令后，先使能外部下降沿中斷，當檢測電路檢測到電流過零時刻，觸發外部中斷告知控制器。控制器延遲一段時間至下一次零點到來時，執行斷開繼電器操作。當需要執行電機反轉控制時，控制器先判斷當前轉動方向，然后調用切斷控制程序。當斷開成功后，延時一段時間等待電機停止運轉，然后執行換相閉合繼電器程序，從而實現電機反方向運轉。

4 試驗結果及應用

電流過零檢測波形圖如圖6所示。圖6中正弦波形為電流互感器輸出信號。方波為電壓比較器輸出波形。由于比較器兩端壓差大于10 mV，其輸出就能從一種狀態轉變到另一種狀態。因此，當電流互感器輸出信號越大時，零點檢測越準確。從圖6可以看出，方波的下降沿幾乎與正弦交流信號過零點重合。

經過多組測量，結果顯示磁保持繼電器在其額定電壓驅動下，執行關斷動作時間約為9 ms。因此，檢測到零點后，控制器延時1 ms后執行關斷操作即可達到零點關斷繼電器的效果。過零點關斷波形圖如圖7所示，試驗結果符合預期設計要求。

傳統的溫室執行機構控制方法如圖8左邊所示，其原理是使用開關器件、熔斷器、接觸器以及繼電器按照一定的接線方式鏈接，通過控制三相電機正反轉從而實現對溫室執行機構的控制。該控制方式容易導致觸頭產生電弧，存在安全隱患且嚴重影響設備使用壽命，并且不符合現代溫室控制技術的發展要求。

此次設計的執行設備控制器應用如圖8右邊所示。控制器采用五個單相磁保持繼電器作為動作執行元件，通過其過零點檢測電路、繼電器驅動電路，配合相應的實時嵌入式軟件實現三相電機起、停、正反轉控制。現代智能溫室控制系統應用框圖如圖9所示。執行設備控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構建智能溫室控制系統不可或缺的一個重要環節。

5 小結

本文設計的執行機構控制器采用五個單相磁保持繼電器作為動作執行元件，通過其過零點檢測電路、繼電器驅動電路、配合相應的實時嵌入式軟件實現三相電機起、停、正反轉控制。控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構建智能溫室控制系統不可或缺的一個重要環節。

參考文獻：

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