农业温室大棚环境调控与管理系统设计

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1、精心整理1 引言随着限制技术、Internet和移动通信技术的飞速开展，农业生产的自动化、信息化水平不断提高，“可控环境农业”的探究已经越来越为人们所重视。如何便利有效地对温室环境进展监测和限制，如何提高农业生产的信息化水平是目前可控环境农业探究的重点。本章简要说明白课题的探究背景和现实意义，并综述了温室环境监控技术的探究现状和开展趋势，在此根底上提出了本文的探究内容。1.1 远程温室监测系统的应用现状及开展前景自20世纪80年头以来，我国工程科技人员在汲取兴旺国家高科技温室生产技术的根底上，进展了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子限制技术的探究，盼望通过变更植物生长的自然环境、缔造适合

2、植物最正确的生长条件、幸免外界恶劣的气候，到达调整产期、促进生长发育、防治病虫害等目的。由此而引发的各种温室测控技术的实际应用与探究也取得了长足开展。兴旺国家已经向高层次的自动化、智能化方向开展，形成了现代化水平高，比较完善的技术体系1。我国温室测控技术应用探究虽然也取得了必须的进展，但是与兴旺国家相比照旧存在较大差距。随着世界设施农业栽培技术开展快速，温室面积和产量大幅增加，对各种温室测控技术以及与之严密相关的通信技术的探究，已经引起该领域内的专家学者的广泛关注。1.2 国内外温室测控技术1.2.1 国外温室测控技术探究状况兴旺国家如荷兰、美国、英国等都大力开展集约化的温室产业，温室内温度、

3、湿度、光照、CO2浓度、水、气、养分液等实现计算机调控。荷兰在1974年首次研制出计算机限制系统CECS。 l978年日本东京大学的学者研制出微型计算机温室综合环境限制系统。目前，日本、荷兰、美国等兴旺国家可以依据温室作物的特点和要求，对温室内的诸多环境因子进展环境限制。 在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当兴旺，塑料温室和其它人工栽培设施到达普遍应用，设施栽培面积位居世界前列。蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境。日本有关部门进展了如下几种设施工程的探究。主要有设施内播种装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置(温度、湿度及光照限制)

4、、缺苗不良苗的检测及去除和补栽装置、CO2施肥装置等方面的自动化探究2。而在韩国，从l992年以来，政府就把设施园艺作为重点事业来推动开展，到1992年底，设施栽培面积为5.3万mm2，其中带环境限制的现代化设施的设置面积占10%左右3。由于温室能完全限制作物生长的各种条件，近年来温室农业在以色列得到了飞速开展。以色列温室构造特别先进：它装有幕帘、天窗及遮阳网，可依据光线强度的不同自动调整和移动，并装有空气温度和湿度调控等温室计算机环境限制系统。以色列科学家胜利地开发了一系列计算机软件、硬件，实现了温室中供水、施肥和环境自动化限制。最新的弥雾气候限制技术，使温室降温所需的能量特别小4。以色列的

5、温室从80年头到90年头更新了三代，利用计算机限制水、肥和温室小气候，自动调温、调湿、调光，而且构造特别先进，促进了工厂化农业的大开展。荷兰园艺温室开展较早，由于地处高纬度地区，日照短，全年平均气温较低，因此，集中较大力气开展经济价值高的鲜花和蔬菜，大规模地开展玻璃温室和配套的工程设施，全部采纳计算机限制。荷兰的全自动化温室成套设备在世界市场上享有很高的技术声誉，但荷兰的温室业是一种高能耗的产业，全国每年温室消耗自然气达42亿立方米5。英国农业部对温室的设计和建立也很重视，在英国西尔索农业工程探究院，科学家们进展了温室环境(温度、湿度、光照、通风及CO2及施肥等)与作物生理、温室环境因子的计算

6、机优化、温室节能、温室自动限制、温室作物栽培与产后处理、无土栽培的探究。目前，英国的温室大量采纳计算机管理，主要限制温度、湿度、通风、CO2浓度、施肥、养分液供应及pH值等。伦敦大学农学院研制的计算机遥控技术，可以观测50km 以外温室内的温度、湿度等环境状况，并进展遥控6。另外，国外温室业正致力于高科技开展遥测技术、网络技术、限制局域网已渐渐应用于温室的管理与限制中，Alves-Serodio，C.M.J等在 ISIE98国际会议中提出一体化的温室网络管理体系模型，可将气候的调整、浇灌系统与养分液的供应系统作为一个整体，并可以实现远程限制。1.2.2 国内温室测控技术探究状况 a)集散限制系

7、统(DCS)智能温室的自动限制系统一般是由限制计算机、传感器、执行机构及驱动部件组成的多输入、多输出的闭环限制系统。在现代温室测控系统中，运用最多，技术最成熟的是集散限制系统，总线构造一般采纳RS485.温室群集散限制系统一般以PC机或工控机为上位机，单片机作为下位机组成。下位机的任务是完成现场与作物有关的环境参量及作物生理参量的信息采集、分析处理和存储显示，并通过RS485总线同上位机相连；上位机那么主要实现环境的调控策略、集中操作管理、通信限制等功能，协调各从机之间的数据传送工作，从而实现对整个系统的有效管理。随着单片机及微机技术、网络技术的开展和应用，采纳微机与多台单片机构成小型集散限制

8、系统在现代温室测控领域的运用特别普遍。它利用单片机价格低、功能强、抗干扰实力好、温限宽和面对限制等优点，结合微机的软硬件支撑，是一般规模温室测控系统的常用选择方案。但是这类温室集散限制系统存在着固有的缺陷：限制系统的物理层采纳上下位机主从集散限制构造，一旦上位机出现故障，将会导致整个限制系统瘫痪，危急过于集中，系统的牢靠性和稳定性不佳；同时该测控系统采纳RS485总线，有效传输范围不超过1200m。这将成为现代温室集群化方向开展的瓶颈，系统的拓展性不好，布线困难，本钱较高。但是作为主流的温室测控系统架构方案，集散限制系统采纳基于RS485、RS422等总线构造的通信方式在国内外温室测控领域仍旧

9、占据主导地位。b)国内温室测控技术我国农业计算机的应用起先于20世纪70年头，20世纪80年头中期起先应用于温室限制与管理领域。从1979至1987年接连从6个国家(荷兰、日本、美国、意大利、罗马尼亚、保加利亚)等引进24套温室，总而积19万平方米。这些温室系统的引进，总计投资960万美元，人民币2570万元。每平方米面积投资80-100美元，还不包括修建锅炉房、水塔等协助建筑的投资和国内运费、关税等开支7。从国外引进的现代化温室，虽然在国外经过多年的开展和完善，技术上也比较成熟和先进，但是在运用中却出现了一些问题，如体积大、能耗大、湿帘降温较差；从经济效益上看，因为设备投资大，运行费用高，产

10、值较低，普遍亏损等，所以并末得到普及。实践证明，假如既要符合我国自己的气候特点，又可降低投资费用，根本出路在于汲取国外温室设施的有益经验和技术，建立我国自己的温室产业，设计生产符合我国经济水平和各种气候特点的温室系列8。从80年头起先，我国的农业工程科技人员在汲取兴旺国家高科技温室生产技术的根底上，进展了温室中温度、湿度和CO2等单项环境因子限制技术的探究，并逐步推出相宜我国经济开展水平又能满意不同生态气候条件须要的温室产品。20世纪90年头初期，中国农业科学院农业气象探究所和蔬菜花卉探究所，研制开发了温室限制与管理系统，并采纳Visual Basic开发了基于windows操作系统的限制软件

11、。90年头中后期，江苏理工大学毛罕同等研制开发了温室软硬件限制系统，能对养分液系统、温度、光照、CO2，施肥等进展综合限制，是目前国产化温室计算机限制系统较为典型的探究成果。在此期间，中国科学院石家庄现代化探究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理探究所等单位也都侧重不同领域，探究温室设施计算机限制与管理技术，“九五”期间，国家科技攻关工程和国家自然科学基金委，均首次增设了工厂化农业(设施农业)探究工程，并且在工程中加大了计一算机应用探究的力度。90年头末河北职业技术师范学院的目忠文研制了蔬菜大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进展实时测量与限制。吉林工业大学于海业、马成林等人(1999)

12、研制的温室环境 (温度、湿度)自动检测系统是以一台IBM/PC及其兼容机作为主控机，模/数转换采纳插入式数据采集板卡来实现的。还有很多高等院校、科研所都在进展温室限制系统的相关探究，并且很多单位都己建起或将要建起温室限制系统的总体框架，并形成了一些限制理论，如王宇欣的高寒地区充气膜温室局部环境调控分析等9。可以看出我国温室设施计算机应用与探究，在总体上正从消化汲取、简洁应用阶段向管用化、综合性应用阶段过渡和开展。这些无疑对我国的温室开展起了踊跃的作用，但是与国外先进水平相比仍有必须的差距。2 系统组成2.1 系统总体构造目前国内外探究开发的温室限制系统，大致可分为以下三种：1) 单独式多单元温

13、室系统。这种限制系统主要利用特地的温室气候限制计算机来检测多个传感器的输入信号及输出限制信号，这种限制计算机的外形与PC机相像，全部的传感器和继电器由电缆与它干脆相连，通过显示屏以画面的形式生动地显示温室运行情衫之，并可以存储、打印、统计分析、曲线说明等。但这种限制系统的价格比较昂贵。2) 单片机限制一个温室单元系统。这是随单片机的开展而出现的，现已经广泛应用于国内外很多温室中。它充分利用了单片机的数据传输便利快捷、接口通道配置敏捷、性能稳定牢靠、价格低廉等优点。但这种限制构造由于单片机存储容量小，不能保存大盘的数据，不利于分析，且人力消耗大。3) 分布式多单元系统。该系统主要针对由多个温室构

14、成的温室群地区而提出的，它将PC机与前面两种系统的优点融为一体，每个温室由前沿机(气候限制计算机或单片机限制系统)进展分散限制。主控室中的PC机对温室群集中管理。这种系统在提高工作效率、平安、舒适性方面有着不行比较的优越性，是现代温室监控系统的典型模式。单片机构造简洁、物美价廉、设计与运用便利、抗干扰性及适应环境的实力强。因而常被用作自动化系统的前端处理器(下位机)，深化到现场，采集各种数据及信息，进展简洁的处理后送至上位机。同时它也是一种限制器，接收上位机下达的吩咐，对现场实行有关的限制。微机功能强大、人机界面友好，能处理很困难的问题。在自动化系统中，通常用作中心处理器 (上位机)，接收来自

15、下位机的信息和数据，经处理后在微机界面上显示，并向下位机下达吩咐，通过下位机对现场实施限制10。本课题兼顾单片机和微机的特点，采纳分布式监控系统。系统总体构造如图2.1所示。主控计算机上位机串行通信接口数据采集/限制器2数据采集/限制器3数据采集/限制器1光照传感器湿度传感器温度传感器光控驱动器湿控驱动器温控驱动器图2.1 系统构造图本系统由很多分布在各温室中的限制器 (下位机)和主控计算机 (上位机)组成，每个限制器连接到主控计算机上，处理各种传感器所采集的数据并对限制驱动器进展实时限制：主控计算机存储、显示限制器传送来的数据，并可以向每个限制器发送限制设定值和其它限制参数，对温室进展监测与

16、限制。该模式不仅适用于温室群的集中管理，而且能够依据用户须要通过便利、敏捷的系统配置及功能重组，实现多个温室的限制管理。由于温室下位机具有异步串行通信接口，通过设计TTL/RS485电平转换电路，就可以与上位机联网。从上位机串口出来的 RS-232信号，通过RS232/RS485转换器转换成RS485信号，经RS-485通信线与各下位机连接，就可实现上位机与各下位机的联网，而且由于 RS485的通信距离可以到达1200米，本系统可以进展远距离的通信。通信线路如图2.2所示。上位机下位机下位机下位机转换器RS232口RS232/RS485RS485总线 图2.2系统通信线路图各下位机在通信接口上

17、采纳具有“平衡差动式”传输特性的RS-485串行接口，其抗干扰性好，可进展千米左右的远距离信号传输。装在上位机主板ISA插座上的RS232/RS485转换器，主要完成上位机与下位机之间数据信号的电平转换工作以及增加上位机串口的带负载实力。该网络采纳的拓扑构造为总线型构造。信息传输的牢靠性高，不存在信息堵塞问题，可通过对总线限制和通信约定来保证在任一时刻总线上同时只能有一对点通信：由主机安排总线的运用权，各从机共享串行总线，从机之间不能干脆进展通信。上位机与下位机之间的通信采纳定时查询方式，每台下位机对应各自的机器号，上位机依次呼叫各下位机，下位机检查到上位机发送的地址帧与自己的号码相符时，就发

18、出应答信号，实现二者之间的通信。这时，即使其它下位机上报数据已打算就绪，也不能与上位机通信，进展数据的传输。这样，就幸免了上、下位机通信的冲突，保证了通信的牢靠性。2.2 系统总体功能整个系统由上位机进展统一调度和管理，每个温室的数据采集和环境限制由各自的下位机来完成。在运行状态下，上位机实时接收下位机采集来的数据，并将历史数据保存到相应的数据文件中，在计算机的屏幕上，可通过画面的切换来显示各温室实时采集到的数据，系统每次接到数据后，就对屏幕进展刷新，从而使温室管理人员对整个系统的运行状况一目了然。系统的软件由上位机和下位机软件组成。2.2.1上位机软件功能： a)采集和发送数据：上位机通过通

19、信系统接收各下位机从各温室现场采集的数据，而一些须要发送到下位机的数据(如参考参数等)又通过通信系统传给下位机，使整个监控系统能高效、精确、刚好地传输数据。 b)实时画面监测：系统通过在计算机屏幕上以数据表格显示与实时曲线的协作运用，能从整体和细微环节两个方面对全部温室的环境进展监测，下位机传送的数据随时刷新显示器上的内容，使模拟显示具有实时性。 c)实时报警：系统运行时可依据各下位机传送来的数据进展分析、诊断，对一些重要的环境参数，可进展实际值与参考值的比照，如越界就产生报警信号，并针对具体状况供应具体解决方法。d)信息存储查询：系统在实时检测各温室的运行状况的同时，还对信息 (主要指历史数

20、据)进展存储和输出。各项数据既可依据须要存储在上位机系统中，又可统计生成各种报表，便利查询。e)上位机遥控下位机：系统可由客户依据须要将作物生长相宜的环境参数输入计算机系统，须要时将依据专家系统的看法传至下位机调控设备来变更作物的生育环境，其中包括作物生长须要的几项主要的环境因素：温度、湿度、光照等。2.2.2 下位机功能： 下位机主要负责各温室现场数据的采集和环境设备的限制，采集的数据实时显示在下位机单片机限制的装置面板上，假设须要限制相关的设备，如通信口有通信要求，那么与上位机进展通信。a)监控温室环境：各下位机监视温室内环境参数的变更和现场各种设备的工作状况，并实时地把采集到的数据显示在

21、限制面板上，同时对数据进展分析，依据设定的要求通过限制子程序限制各执行机构。b)数据的实时打印：温室现场采集到的各项数据可由下位机的打印设备实时打印出来，以便作为历史数据保存起来。c)传送和接收数据：下位机把温室现场待机的数据依据上位机的须要，通过通信线路传送给上位机，下位机也可接收上位机发送来的数据或吩咐。3 下位机的系统设计硬件3.1 限制中心的设计3.1.1 单片机的选型电子技术、微电子技术特殊是大规模和超大规模集成电路技术的飞速开展和成熟，使得计算机不断的更新换代，尤其是微型计算机，其开展速度之迅猛，应用范围之广泛是以往任何技术都无法比较的。而作为微型计算机技术的一个独特分支的单片机技

22、术，使得很多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说当今世界正在经受一场以单片机技术为标记的新技术革命浪潮的冲击。单片机一经出现，便以其小巧价廉，功能强，稳定牢靠，集成度高，运算速度快，功耗低，扩展简洁，抗干扰实力强，系列齐全:运用便利敏捷等优点广泛应用于工业过程限制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域，这使得单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最廉价的微型计算机产品，单片机技术的开发和应用水平已成为一个国家工业开展水平的标记之一。为了适应各种应用领域的须要，世界各国都在不断地进展研制和开发。目前世界上最具实力的单片机开发公司有:美国的Intel, ATMEL,荷兰的Phil

23、ips，德国的Siemens等。其中Intel公司开发的MCS-51高性能8位机代表着单片机的开展方向，成为单片机领域中的主流产品，其他公司那么纷纷推出了与MCS-51系列兼容的单片机，ATMEL公司的89系列Flash单片机便是其中的一种。其以Intel 80C51/52作为内核，并采纳可重复编程的Flash ROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广阔MCS-51用户进展电子设计与开发的优选单片机品种。依据系统的功能和要求，设计选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89C51作为限制中心。3.1.2 AT89C51单片机概述a)AT89C51单片机的性能特点AT8

24、9C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4KB Flash EPROM，它采纳了CMOS工艺和ATMEL公司的NURAM技术，且引脚和指令系统都与 MCS-51产品兼容，最大特点就是其闪速其主要性能如下:存储器优越的在线可重复编程性能。其主要性能如下：4KB可改编程序Flash存储器，可经受1,000次的写入/擦除周期；全静态工作:OHZ24MHZ；三级程序存储器保密；128B (8位)内部RAM；32条可编程I/0口线；2个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；片内时钟振荡器；低功耗的闲置及掉电爱护模式。P1口串行口定时/计数器P3口中断系统数据存储器RAM

25、P2口P0口程序存储器特殊功能存放器SFR运算部件限制部件B微处理器VccVssXTAL1XTAL28888AT89C51型单片机的内部构造如图3.1所示，它包含以下功能部件：图3.1 AT89C51型单片机的内部构造b)引脚配置AT89C51单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装(DIP) 其引脚配置见图3.2。(1)主电源引脚 VCC 接十5V电源正端 GND 接+5V电源地端(2)时钟震荡电路引脚XTAL1和XTAL2(3)限制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG、和/VP89C51图3.2 AT89C51单片机的引脚配置RST为复位输入端；ALE为地址锁存允许信号，为F

26、lash存储器编程脉冲输入端；为外部程序存储的读选通信号；为访问外部程序存储器允许端，VPP为Flash存储器编程电源12V输入端。PO口(P0.0-P0.7)是三态双向口，通称数据总线。P1口(P1.0-P1.7 )是准双向口，特地供用户运用的I/O口。P2口(P2.O-P2.7 )也是准双向口。P3口(P3.O-P3.7)是双功能口，第一功能是一般I/O口，其次功能定义具体见表3.1所示。表3.1 P3口各引脚兼用功能表引角其次功能引角其次功能P3.0P3.1P3.2P3.3RXD串行输入口TXD串行输出口外部中断0外部中断1P3.4 P3.5P3.6P3.7T0定时器0的外部输入T1定时

27、器1的外部输入外部数据存储器写选通外部数据存储器读选通c)存储器的配置AT89系列单片机的存储器采纳的是哈佛构造即程序存储器和数据存储器分开编址的，它们有各自的寻址系统、限制信号和特定功能。程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:内部存储空间和外部存储空间。这里系统的数据量不太大，程序也不太长，AT89C51片内的4KB ROM闪速存储器和128B的RAM 数据存储器即可满意要求，无需扩展片外RAM和ROM, CPU只需访问内部RAM和ROM，故在硬件电路设计上将和引脚连在一起接VCC，由一上拉电阻将其拉高。AT89内部存储器地址空间安排为:片内4KB程序Flash存储空间(0000

28、H0FFFFH )；片内128字节的数据存储空间 (00H7FH)；特殊功能存放器空间 (80HFFH)；位寻址空间 (OOHFFH)。3.1.3 时钟电路设计AT89C51单片机内部有个振荡器，可以用作CPU的时钟源。这里系统时钟选用内部方式，因为这种方式构造紧凑、本钱低廉、牢靠性高。AT89C51内部含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL 1(输入端)、XTAL2(输出端)外接作为反应元件的片外石英晶体 (或陶瓷谐振器)和电容Cl, C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而利用它内部的振荡器产生时钟。连接方法见图3.3所示，其中晶体呈感性，其确定着振荡器的振荡频率;电容Cl,

29、C2对频率有微调作用。电路中反应元件选用石英晶体，电容CI和C2均为30PF，电容的安装位置应尽量靠近单片机。图3.3 时钟电路连接图3.1.4 复位电路设计MCS-51系列单片机在上电时须要对内部存放器以及I/O口的进展复位，这样才能保证运行的牢靠性。本设计采纳的复位电如图3.4所示，其由三局部组成，1、上电自动复位电路；2、手动复位电路；3、外部看门狗电路。上电自动复位电路上电时将单片机自动复位，程序从起先运行。手动复位电路是系统调试时或者出现异样，须要对系统进展复位时运用的，只需按一下键就可以将系统复位。看门狗电路是MAXIM公司的微处理器监控芯片 MAX706及其外围元件构成的，待系统

30、出现死机或者程序跑飞时，单片机给WDI端的脉冲消逝，MAX706的RESET端会产生一个复位信号将单片机复位，从而使系统完成复位功能。图3.4 复位电路3.2 数据采集处理电路的设计3.2.1 传感器的选型传感器是测控系统的关键部件。快速、精确地测定温室环境信息，对于探明作物生长环境此时是否为最正确状态，以便适时做出排风、排水和空气湿度调整等措施具有重要意义。a)传感器的选择及性能指标系统采纳了温度，湿度，光照度，地表水势、地表湿度四种传感器，为系列化产品，均设计有液晶显示窗口和RS-232数据接口。其运用环境为:-10+70；0100% RH；电源供电为:824V DC，20MA；数据传输参

31、数:9600波特；8位数据位；1位停顿位，最大传输距离:1200米。各传感器的性能指标如表3.2所示。型号类型性能指标TM101THM101PR-101空气温度采集模块空气温湿度采集模块光量子采集模块温度测量范围：-9.9+70温度测量精度：温度测量范围：-9.9+70温度测量精度：湿度测量范围：0100%RH湿度测量精度：测量范围：02000uom1/s/m2测量精度：%表3.2 传感器性能指标b)传感器的工作原理下面以THM101温度传感器为例介绍其根本的电路构造和工作原理，如图3.5所示。温度传感器湿度传感器AD变换器LED显示MCURS2接口电源电路供电及信号电缆图 3.5 THM10

32、1温度采集模块的电路构造如图系统工作时，温度传感器干脆将温度信号转变成数字信号，由MCU读出。湿度传感器输出的电压信号经AD变换器变换成数字信号后经MCU读出。在整个工作过程中MCU不断采集温度和湿度数据并经由LED显示器交替显示出当前的温、湿度数值。其他只能传感器模块的工作原理类似。c)传感器的通信吩咐和数据格式以THM 101温湿度采集模块为例介绍传感器的通信吩咐和数据格式。THM101温湿度采集模块的通信方式采纳“呼叫一应答”方式。在工作中，模块的MCU限制RS-232接口电路平常处于接收状态，一旦接收到总线传来的呼叫吩咐后，马上对呼叫吩咐进展吩咐及地址的解析，并将地址与存贮在EEPRO

33、M中的本站地址相比较，假如地址与本站相符，那么马上依据呼叫指令将本站的温度或湿度数据送出作为应答。3.2.2 模数转换器a)模数转换器的选型在以单片机为核心的实时测控系统中，被测量对象的有关参量是一些连续变更的模拟量如温度、压力、流量、速度等物理量，而单片机只承受数字量，所以这些模拟量必需转换成数字量后才能输入到单片机进展处理。假设输入的是非电量模拟信号，还需通过传感器转换成电信号并加以放大。模数转换器便是实现模拟量变换成数字量的设备，因此模数转换技术便成为数字测控系统中特别重要的一项技术。模数转换芯片种类很多如:计数比较型、逐次靠近型、双积分型、并行式、改良式等，而在选择转换器时应主要从速度

34、、精度和价格上综合考虑。经分析比较，以逐次靠近式A/D转换器的性价比为最宜。其在转换速度和精度上都比较适中，转换时间一般在us级，转换精度一般在0.1%上下，只是抗干扰实力较弱，适用于一般场合。但因逐次比较式A/D转换器具有接口简洁、清楚、软件配置简洁等优点且价格适中，被广泛应用于单片机应用系统中。国内运用较多的有ADC0808/0809, ADC0801-ADC0805及AD0816/0817和AD574等。这里选择应用广泛的逐次靠近式ADC0809芯片。ADC0809管脚配置如图3.6所示。图3.6 ADC0809管脚配置b)ADC0809引脚配置及其接口电路设计ADC0809芯片属ADC

35、0808系列多通道8位CMOS模数转换器。其芯片内置有多路模拟开关以及通道地址译码和锁存电路，因此能够对多路模拟信号进展分时采集与转换。ADC0809是8位逐次比较式A/D转换芯片，28引脚，双列直插封装，具有地址锁存限制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟输入电压范围为0十5V，对应的转换数字量为OOH-FFH，转换时间为100us,无须调零或调整满量程。因此能够实现 8路模拟信号的分时采集和转换 (每个瞬间只能转换一路)，转换后的数据送入三态输出数据锁存器。A/D转换原理及过程:ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进展转换，由A, B, C编码选择通道号通过

36、最高位 (DN-1，)至最低位Do的逐次检测来靠近被转换的输入电压。 A/D转换过程主要包括采样量化及编码。采样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码口如8位A/D转换器所采集到的0-5V电压转换成为OOH-FFH相对应的数字量。通过数字量的运算比较的结果实现对模拟量的测量及限制。3.3 人机对话接口电路设计3.3.1 LED显示接口电路的设计 在微机化测控系统中，通常要进展信息显示，包括单个状态的显示和信息数据的显示等。其中常用的显示器有:LED发光二极管显示器也称发光数码管(其有单个七段式和点阵式等几个类型)、LCD液晶显示器和CRT图形显示器等。

37、经比较，并考虑系统的功能要求，这里选用简洁常用的LED七段式数码显示器，数码管形态见图3.7所示。其外部有10个引脚，其中3, 8引脚为公共端也称位选端其余引脚为段选端。因为LED显示器具有工作电压低，体积小，功耗小，工作温度范围宽( -30+85 ),寿命长 图3.7 LED引脚图(约十万小时)，本钱低廉，机械强度高，亮度中等，配置敏捷易于与TTL数字逻辑电路连接，与单片机接口容 易便利，引脚可以干脆相连，响应速度快 (小于lus),颜色丰富等特点，是智能化仪器最常用的显示器，可进展信号指示和信息数据的输出显示。从LED显示器的显示原理可知，为了显示字母、数字，必需将要显示数字的 BCD码最

38、终转换成相应的段选码，这种转换可以通过硬件译码器或软件进展译码。系统的动态扫描显示采纳单片机运用广泛的软件译码显示接口。因为软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑的限制。单片机的输出是通过查表软件得到的段选码，能显示更多的字符，且接口简洁，无需译码器，只需锁存器和驱动器。3.3.2 键盘键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，是一个人工干预系统的主要手段。键盘实质上是一组按键开关的集合。通常，按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断作用。一个电压信号通过机械触点的断开、闭合过程。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会立刻稳定的接通，在断开时也不会一下子断开。

39、因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性确定，一般为510ms，这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键的稳定闭合期长短那么是由操作人员的按键动作确定的，一般为特别之几秒到几秒的时间，这个时间参数可作为一般的参考。3.4 信号调理电路电压调理电路由高精度，高增益的运算放大器组成，本设计是将运算放大器组成两级反相比例运算电路，不但增益高，而且还起到了隔离的作用可以有效的起到电压转换作用，将传感器输出的微弱的电压、电流信号转换为A/D所需的电压信号。信号条理电路如图3.8所示。 图3.8 反向比例电路4 现场调控设施的电气限制电路设计4.1 电气限制电路

40、4.1.1 电气限制电路的设计温室现场调控设施主要有：水泵、排风扇、遮荫帘和侧窗等。其中遮荫帘、侧窗的电气限制需考虑电机的正、反转。主电路如图4.1所示，限制电路如图4.2所示： 遮荫帘 排风扇 水泵 侧窗 图4.1主电路设计图4.2 限制电路设计图4.1.2 工作原理在图4.1所示电气线路的主电路中，可以分成M1、M2、M3、M4四个局部，其限制回路也可相应地分解成四个根本环节。这四个根本环节分别限制电动机M1、M2、M3、M4。下面以遮荫帘M1为例描述说明，其限制过程如下：合上刀闸开关QS，按启动按钮SB2,接触器KM1吸引线圈得电，其主触点KM1闭合，遮荫帘电机M1正转。由于接触器KM1

41、的协助触点并接于启动按钮SB2上，因此当松手断开启动按钮后，吸引线圈KM1通过协助触点可以接着保持通电维持其吸引状态。同理，按下按钮SB3，由于三相电源中变更了两相的极性，所以电机停顿正转，起先反转。按下停顿按钮SB1，接触器的吸引线圈失电，其主触点断开，遮荫帘电机M1失电停转。4.2 主要元件的选型4.2.1 热继电器 a)热继电器的构造与工作原理它是用于过载爱护不能做短路爱护的继电器。它的内部构造如图4.3所示。当电流流过发热元件1时，其旁边的膨胀元件2升温。元件2是由两个膨胀系数不同的金属片焊合而成，下面的金属片具有较大的膨胀系数，它的一端是固定的，另一端在电路正常工作时顶住L型杆3。当

42、限制电路内的触点7保持闭合时，限制电路内有电流，通过线圈5将铁芯吸进，从而保持负载电路内的触头6闭合。 图4.3继电器内部构造假如负载电路内电流超过预定的数值，膨胀元件2温升很高。因为下面的金属片膨胀系数大，故向上弯曲如图中虚线所示。那么L型杆3在弹簧4的拉力下向左偏转，限制电路的触点7断开，线圈5内的电流消逝，铁芯在弹簧8的作用下向右拉回，于是负载电路断开。按钮9是用来把L型杆3复原到闭合位置的。b)计算公式I热 = 0.951.05IN 注：IN 电动机的额定电流4.2.2 接触器 a)主要用途：CJ20系列沟通接触器为沟通50Hz或60Hz，额定绝缘电压为690-1000V，在AC-2运

43、用类别下额定工作电压为220V时的额定工作电流为5A-300A，主要供远距离接通及分断电路之用，适用于限制沟通电动机的起动、停顿及反转。符合IEC947，VDE0660，GB14048等标准。 b)主要特点： l 平安性能好，导电部件不外露；l 体积小、重量轻，灭弧罩材料采纳不饱和树脂，耐弧性好，不会碎裂； 灭弧室呈封闭型，飞弧距离小，可缩小电气箱体尺寸；l 主触头系统构造独特，触头磨损小，电寿命增加；l 电磁铁工作牢靠，损耗少，噪音小，且具很高的机械强度；l 操作频率和限制容量高；l 3TF30-35系列可外加协助触头座；l SIGUT-西门子专利端接法，接线便利，坚固，接触牢靠性高，抗振性

44、强，平安防护性好。c)主要参数：接触器额定电流应大于或等于负载电流，对于电动机负载可按以下经验公式计算，主触头电流In： In=Pn*10/K*Un 或I = M 注：UN被控电动机的额定电压 M系数，为10.7 PN被控电动机的额定功率K是经验系数11.4Pn被控电机额定公率KWUn电动机额定线电压V4.2.3 断路器 断路器即自动开关，适用于低压配电点频繁通断电限制，其额定电压大于或等于线路额定电压。其额定电流大于或等于负载工作电流。本系统各安排电箱选用DZ2Y-100/31，总线上选DZ20Y-200/31。DZ塑料外壳式，20设计序号，Y一般型，200额定电流，3极数，1脱扣方式。整定

45、电流，过流时动作电流等于1.7倍的起动电流，起动电流等于4-7倍的额定电流。过载脱扣电流与电机额定电流相同；过电流整定值大于负载正常工作尖蜂电流，对电机负载按1.7倍的起动电流整定；欠电压脱扣器额定电压等于主电路额定电压。4.2.4 熔断器 其用于配电电路的紧要过载和短路爱护。依据单台电机适用选择轻载及起动时间短时，系数为1.5，起动负载较重及起动时间长， 起动次数较多的状况取2.5。其计算公式为 ：Ir=1.52.5In。选RL1-15型。5 软件设计 5.1 软件设计工具的选用5.1.1 编程语言的选用本系统的开发语言选用Visual Basic(简称VB)。 VB是真正的面对对象的Win

46、dows应用程序开发工具，它以对象为根底，并运用事务驱动机制实现对 Windows操作系统的事务响应，具有高效、简洁、易学和功能强大等特点。Visual Basic供应了大量控件，可用于设计界面和实现各种功能，程序员可以通过施放操纵完成用户界面设计。与其它 Windows应用程序开发工具相比，在设计用户界面时特别便利，大大减轻了工作量，简化了界面设计过程，有效地提高了应用程序的运行效率与牢靠性。利用Visual Basic还可以采纳分布式计算获得最大的可伸缩性能。运用现有的技能、代码和技术，将能够创立适用于传统客户/效劳器、Internet 及 Microsoft Transaction Se

47、rver 体系构造的可重用ActiveX部件。本设计中用到了Visual Basic中以下几个主要控件：表5.1 本设计常用到的控件控件名称主要作用Data控件Data控件允许从一个记录移动到另一个记录，并显示和操纵来自被连结的控件的记录的数据DataGrid控件Data Grid 控件是最根本的数据交互控件之一，是数据源与用户之间的接口DataCombo控件Data Combo控件是一个数据绑定组合框，它自动地由一个附加数据源中的一个字段充填，并且可以选择地更新另一个数据源的一个相关表中的一个字段MSCHART控件它的功能是给应用程序添加图表，用它能创立包括条、线 、饼等的不同类型的二维或三

48、维图表5.1.2 数据库的选用数据库平台选用Microsoft Access2003。Access2003是Office2003中文版的组件之一。是一个中、小型数据库管理系统，运用便利、功能强大，与其它数据库有良好的接口。用户可以便利的运用和曾理数据库，如创立和编辑数据表、设计和运用各种查询工具进展查询操作、设计和运用窗体、制作和打印报表、设计和运用宏、设计和运用Web页等。 Access 2003不仅可以处理自身的数据库文件，还可以处理其它一些数据库系统管理软件所建立的数据库文件，能识别dBase, FoxBase, FoxPro, Paradox, Btrieve等数据库格式文件，并且支持

49、开放式数据库互连性标准(ODBC)的SQL12。5.2 软件设计5.2.1 软件设计的总体框架本次毕业设计的任务是：完成远程参数监测、远程设备限制、数据库信息管理等应用程序，温室远程监控系统用VB实现；因此，在编写程序之前一个不行无视的工作就是勾画软件设计的总体框架。该设计的总体框架是遵照设计的任务完成的。分远程参数监测模块，远程设备限制模块，数据库信息管理模块和一个用户的注册和登陆模块。各个模块之间的关系是通过所建立的数据库表完成的。远程参数监测模块所实现的主要功能就是将下位机传来的数据存放到数据库中，并同时在用户的界面上显示出来，这些参数包括：温度、湿度、光照度、地表温度、地势水势、温室的

50、编号和测试数据的日期和时间等。这些数据主要保存在数据库中的一个参数分布的表格中。而且要包括一个数据分类显示的功能。即：假如想显示温室1的各类参数时，就可以实时的将温室1的各个数据库的参数显示到界面上。远程设备限制模块的功能主要是将下位机的数据进展分析之后，由操作员依据具体状况对温室的一些设备进展远程的限制，如：当监测的温度高于植物所承受的最高或最低温度时，可以通过启动风扇或关窗来对具体的设备操作。到达限制温度的目的。数据库信息管理模块的任务就是，对数据库的历史数据进展管理和操作，比方：分类显示历史记录，有利于操作员对当地各个参数有一个也许的了解等。还包括对温室的添加功能及对标准参数的设置，通过

51、将当时的参数和标准数据进展比较，最终来知道操作员的操作行为。用户的注册和登录模块，主要是为了防止非工作人员对系统的操作和对数据库的信息的破坏，为了平安，因此应当设置一个用户注册的界面，通过该界面才可以对远程温室监测系统进展操作和管理。各个模块之间的关系如以下图5.1所示：主界面远程参数监控模块数据库信息管理模块远程设备限制模块用户登陆注册模块温度湿度光照度地表湿度地势水势排风扇侧窗气泵温度编号遮荫帘图5.1 模块构造图5.2.2 各个模块的细化a)远程参数监测模块远程参数检测模块是该系统的一个中心模块，操作员主要是通过该模块完成对整个系统的限制和操作的。这个模块包括温度、湿度、光照度、地表温度

52、、地势水势、温室编号、日期、时间等参数。当下位机的数据传到上位机之后，系统首先将传来的数据存储到数据库表的相应的字段中，然后在用户的界面上进展实时的显示。该模块的流程图如下5.2所示。起先是否有新数据是否选择温室数据显示完毕NNYY图5.2远程参数检测模块b)数据库信息管理模块数据库信息管理模块的功能是实现对数据库的各类参数的管理和操作，以保证对数据的平安操作，如通过此模块可以设置数据的标准参数值，可以增加一个新建成的温室，从而完成对数据库中各个数据表的操作。假如新增加一个温室，那么通过该模块使得数据表中的字段应当为新增加的温室建立一个新的记录集。用于对该温室内各个参数的存储。该模块的设计流程

53、图如图5.3所示。开 始新增加温室该温室存在？创立新记录集NY图5.3 数据库信息管理模块c)远程设备限制模块远程设备限制模块的功能主要是将下位机的数据进展分析之后，由操作员依据具体状况对温室的一些设备进展远程的限制，如：当监测的温度高于植物所承受的最高或最低温度时，可以通过启动风扇或关窗来对具体的设备操作。到达限制温度的目的。当对该模块限制时首先应当了解此时的设备运行状态，然后依据这个状态判定是否对该设备进展远程限制。其限制流程图如5.4所示。开 始新增加温室该温室存在？创立新记录集NY图5.4远程设备限制模块d)用户注册和登录模块用户的注册和登录模块，主要是为了防止非工作人员对系统的操作和

54、对数据库的信息的破坏，为了平安，因此应当设置一个用户注册的界面，通过该界面才可以对远程温室监测系统进展操作和管理。首先要判定数据库中是否存在该用户，假如存在，那么是否密码正确。假如有新用户注册，首先应当判定是否新用户名和原有的用户重名。然后完成添加的新用户。用户注册和登录的流程图如5.5和5.6所示。添加新用户判定此用户是否存在添加用户密码修改数据库信息完毕YN图5.5用户注册用户登录该用户是否存在密码是否正确登录胜利输入密码YNYN图5.6 用户登录5.3 人机交互界面的创立人机交互界面亦称用户界面(User Interface)，是指人与系统进展交互的方式与方法。人机交互界面是远程用户抄表

55、系统中面对用户的可视化窗口。一般来说这个窗口是一个直观、宜操作、功能强大、反映快速的人机交互界面，它可以大大增加该系统的管用性和生命力。 人机交互界面的根本概念人机交互界面的设计主要解决与人机交相互关的用户分析、任务分析、交互方式开发过程等问题。一个Windows应用程序的用户界面包括系统菜单和实现特定操作的窗体，通常以菜单为主界面，运用菜单翻开窗体进展数据查询和处理，在窗体中调用数据库中的数据进展查询或者维护。友好的人机交互界面的设计原那么有:确定运用对象、用户限制性、干脆性、迅捷性、相同性、反应性、清楚性、美观性、宽容性、易用性、象征性。 人机交互界面的组成一般来说，人机交互界面由窗口、菜

56、单、图表、按钮和对话框组成。具体内容见表5.2：表5.2 人机交互界面的组成组成说明窗口标题栏、菜单栏、流淌条(水平、垂直)、状态栏和限制栏；Microsoft公司的Windows操作系统可以称为窗口技术的典范。菜单常见的菜单有：条形菜单、弹出式菜单、下拉菜单、图标式菜单等；用户对菜单的操作主要是通过鼠标点击，并辅以键盘或触摸屏来实现的图表是常用的一种图形界面对象，它是一种小型的，带有简洁图形的符号。它的设计是基于隐喻和模拟的思想。图标能协助用户简便地通过界面调用功能按钮常见的按钮类型有：Windows风格按钮、闪耀式按钮、动画式图形按钮、热区(Hotspot)式按钮、文本按钮、图形按钮等对话

57、框是一个弹出式窗口，当系统运行时，除了各种选项和按键操作外，系统还可以在须要的时候供应一个对话框来让用户输入更加具体的信息，并通过对话框与用户进展交互。它也是充分体系多媒体人机交互特点的界面技术之一。5.3.3 系统中各界面的创立a)主界面的设计系统主界面由标题栏、菜单栏、主体局部及状态栏组成。界面主体为远程温室监测系统总貌图。菜单栏中分别设置为各个界面要实现的功能。如：远程参数监测，数据库信息管理，用户注册，远程设备限制、历史信息查询等。在点击按钮时就会弹出对应的窗口，此时管理人员就可以在该窗口上进展相应的操作了。该界面的设计是利用了Visual Basic语言中多文档窗体的设计思想，首先，

58、建立一个Visual Basic工程，之后新建一个Windows窗体，命名为Form1。该窗体的标题栏设置为远程温室监测系统。窗体的背景属性设置为该背景图片。另外要添加一个MainMenue控件，然后，分别输入各个菜单项：远程参数监测，数据库信息管理，用户注册，远程设备限制、历史信息查询等。窗体界面如图5.7所示。图5.7 主界面b)子界面的设计当主窗体界面设计好以后，下面的工作就是设计主窗体中菜单栏上每个按钮对应的弹出子窗体。比方：当操作人员要添加新用户时，首先要对新用户的根本信息录入到数据库中，这就须要通过点击“动态参数监测”按钮。在弹出的参数监测窗口输入各个温室的根本参数信息。远程参数检

59、测窗口的设计动态参数监测窗口的设计步骤如下：第一步：添加一个新的Windows应用程序工程。其次步： 将该窗体的标题栏改为“动态参数监测”。最大化和最小化按钮设置为“False”。第三步：翻开“工具箱”窗口，在Form2窗体中添加Data Grid控件，一个DbCombo控件和两个Data控件。其中一个用于绑定温室编号数据库表，另一个用于绑定参数分布数据库表。第四步：设置各个控件的属性。如所连接的数据源名称，该数据源中所要绑定的字段等。其具体的设计界面如以下图5.8所示。图5.8 远程参数监测界面设备限制界面的设计该界面的作用是：操作人员依据当前温室参数和设备状态等信息，来限制远程设备的动作，

60、到达调整温室中某些参数的目的。该界面的设计画面如图5.9所示。图5.9 设备限制界面数据库管理界面的设计通过该界面实现对数据库的统一有效的管理。当须要增加温室时，可以通过该界面完成温室的添加，同时在数据库中新创立一个记录集。可以随时修改温室的各个参数的标准值，便于和当前的数值进展比较，指导操作员的工作。其窗体构造如图5.10所示。图5.10 数据库管理界面新用户注册窗口的设计为了使不同的操作员对系统进展管理和维护，可以设计一个新用户注册界面，增加操作员的数量，该界面是和数据库中用户数据表相连接的。如图5.11所示。图5.11 新用户注册界面用户登录界面的设计 用户登录界面是远程监控系统的人机交

61、互界面，它的主要功能是供应平安稳定、简洁明白、易于操作的用户环境，运用户可以通过远程监控系统实现对温室数据的监视和对温室设备的限制。启动该程序后，首先弹出该窗口。通过合法的输入用户名和密码，才可以进入操作该系统的界面。该界面是和数据库表中的注册表相绑定的。运行结果如图5.12所示。图5.12 用户登录界面历史数据查询窗口的设计该界面主要完成对历史数据的查询和对历史数据的绘图显示。操作员可以随时了解一段时间内的温室参数的各种变更状况。如图5.13所示。图5.13 历史记录打印界面 主要控件功能的实现本程序用到的主要控件包括：菜单控件、用户的登录和新用户的注册、数据库的连接控件，MsChart控件

62、，以及温室参数的显示，历史记录的查询，和历史数据的绘图表示等。在实现这些功能之前，首先要完成操作界面与数据库中各个数据表的链接。之后在针对要实现的具体功能对不同的控件进展编程。a)建立与数据库的连接与数据库之间的连接有多种方法，较常用的方法是运用数据向导，利用数据适配器组件建立连接并可读取数据库中的数据。该毕业设计所用到的数据库是Access数据库，数据表与各个控件的连接是通过Data控件完成的。再进展数据的连接之前应首先创立一个数据库，并建立所要用到数据表。该数据库的名字命名为db1.mdb。在这个数据库中共建立了标准参数、参数分布、设备状态、温室编号、注册表五个数据库表。用于存放相应的数据信息。b)用户注册和密码登录界面功能的实现用户的注册和登录界面，主要是为了防止非工作人