温室温度湿度检测系统103

温室温度控制系统
第一章 绪 论
1.1  问题的提出
我国人多地少，人均占有耕地面积少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能的，要用新的方法来提高单位亩产量，温室大棚技术就是其中的一个好的方法。温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的限制。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。
近年来发展起来的温室系统是一种资源节约型高效农业发展技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代计算机自控技术、智能传感技术，人工智能和专业系统等高科技手段发展起来的。在计算机综合控制下提供与季节无关的适合作物生长的温度，以实现各种作物的优质、高效、低耗的工业化生产。农业在我国国民经济中占有极其重要的地位，随着科学技术的发展，温室蔬菜种植面积不断扩大，通常温室环境条件往往难以实现作物的优质高产，必须通过环境控制来满足作物的最佳生产要求。而在影响蔬菜生长发育的环境条件中，以温度最为敏感，每一种蔬菜都有温度的“三基点”，即最低温度、最适温度和最高温度。它通过影响作物的光合作用、呼吸作用和细胞分裂与伸长等来影响作物的生长，同时温度的变化能引起作物生存环境中其他因子（如湿度等）的变化。实现温室的气候自动控制，为作物提供最佳的生产温度，是本设计方案要解决的首要问题。
1.2  国内外发展动态
国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整。美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。
    我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。20世纪80年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了21.2hm＾2连栋温室。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。90年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷。“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1995年，北京农业大学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统。1996年，江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。90年代末，河北职业技术师范学院的闰忠文研制了蔬菜大棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。但由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力大量过剩，温室的一次性投资大，资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的扩展。
　　从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:
　　① 手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。80年代中期，以辽宁海城和瓦房店为代表的高效节能日光温室基本属于这种控制方式。荷兰温室发展的初期，环境因子也是根据种植者的经验来控制。如使用手动加热系统和手动通风系统，在玻璃窗上涂上石灰以减少过多的光照等。另外，在温室中挂上温度计用来检查对温室环境的控制效果。
　　② 自动控制。第二次世界大战以后，温室生产己远远超过“温室效应”的概念。手动控制的生产方式正逐渐被机械设备所替代。首先被引入使用的是自动调温仪，其后，与环境控制和作物生长有关的研究成果相继问世，这些新的成果促进了新型环境控制设备的诞生。于是利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度、CO2浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。根据温室作物的生长习性和市场的需要，部分甚至完全摆脱自然环境的约束，使人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时作出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。
　　③ 智能化控制。这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。这种智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。农业专家系统为我们提供了一种全新的处理复杂农业问题的思想方法和技术手段。它能够根据温室环境条件和作物生长状况，应用适当的知识表达和规则化，推理决策出最适合作物生长的温室环境。将农业专家系统应用于温室的实时监控与自动调控是温室发展的新亮点。这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。因此，温室专家控制系统技术是一种比较理想、比较有发展前途的控制方式。
    温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
    随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制成为一个难题。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低，如果过高，就对大棚进行降温处理，如果过低就升温，就对大棚进行升温。这些操作都是在人工情况下进行的，这些都浪费了大量的人力物力，对于大棚数量很多来说，是面临的一个难题。现在，随着农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。
随着计算机技术的不断发展，自动检测系统充分开发和利用计算机的资源，自动检测技术是随着计算机的发展而发展起来的一门新型学科，自动检测技术使技术要求极高、难度极大、耗时极长的检修工作，可在分、秒级甚至毫秒级的时间内完成，我们把计算机控制对系统、设备、部件进行的性能检测与故障诊断的技术称之为自动检测技术。自动检测是一门跨学科的技术，凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备、部件，均可采用自动检测技术。它可适用于电系统，也可适用于非电系统，它在军事和民用方面都得到了广泛的应用。
自动检测系统包括了信息获取、信息传递、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。它使产品功能多样化、智能化、高可靠性化，在工程中已经广泛的开展自动检测系统的运用，它已成为现代机器制造业和工业生产中的重要而不可缺少的组成部分。在过程控制中，对压力、温度、湿度、粘性和流量的控制这样一些工业操作过程。采用特定的软件算法和技术，进行信号的分析，测量和激励信号的形成，从而能在硬件显著减少的条件下，极大的提高测试功能，使自动检测系统的控制不仅仅只是控制系统的协调工作，而且能直接参与信号的产生，完成被测系统性能参数的测量任务，充分发挥计算机的巨大潜力。
目前，我国的智能型温室的建设正方兴未艾，但大部分系统是从国外引进的，这样一是价格昂贵，二是从外界到控制算法都或多或少有点水土不服，国内的农业科技工作者在温室自动控制的国产化方面都坐了很多工作，但较理想的实用系统还不是很多。
温室工程的建设与发展是都市型农业形成和发展的重要组成部分，是设施农业发展的高级阶段，是以综合国力的强盛为背景，以农用工业的发展为基础，以生物技术、工程技术、信息技术的发展为依托而形成和发展起来的。
温室生产是一个十分复杂的过程，是各种技术的统一体。我国温室工程虽然自20世纪70年代以来有了很大进步，但总体而言，结构简陋，缺乏配套技术与设备，自动化程度落后，无论在硬件还是软件上都存在一些问题。首先，国外温室的吸收、消化与中国实情之间仍存在较大差距。其次，目前国内虽对温室控制和温室管理进行了一定的研究和试验，但真正付之实际的温室计算机控制系统却很少。20世纪80年代以来，以日光温室为主的大型保护地生产已成为我国园艺产品尤其是蔬菜产品周年供应的重要措施，温室栽培技术迅速发展，规模不断扩大，到本世纪末1992年，全国温室面积约1.67万hm^2,到20世纪末，达到3.3~4万hm^2，但由于温室系统属于半开放系统，温室环境受外界气候条件影响较大，因此，生产中也遇到了一些问题，尤其是温室内环境监控问题。近年来，虽然我国的温室控制技术得到迅速发展，并在许多生产基地进行了环境自动测控方面的尝试，但由于现有温室的一次性投资过大和生产成本高以及对操作人员的素质要求较高影响，限制了该技术的推广及应用。鉴于上述情况，本设计遵照“简单、灵活、实用、价廉”的设计原则，根据我国不同地区、不同气候的特点，开发面向温室栽培环境中温度的计算机控制系统。
1.3 总体思想
中国的北方地区四季分明，在每年12月至下年度2月为冬季气候，冬季温度为 -10 ～-28℃之间。尤其在寒流来袭时，温度为-30℃以下。每年3月至5月为春季，除了多雨之气候特性，白日温度最高为11～ 23℃，夜间低温为-9～ 10℃。夏天为酷热之气候，夜温为22 ～24℃，日温可高达24～ 30℃，但是白日相对湿度低，对于蒸发冷却降温技术十分有利。秋季为每年之9月至11月。在秋季为最凉爽之季节，日温18 ～20℃，夜温8 ～10℃。由上述气象资料，北方农业之逆境为春天之长雨季，夏天之高温，冬日之寒流。由上述之气候资料可知，北方温室在夏天要能遮荫、降温，秋天偶尔要进行加温作业，冬季需要加温，而春天为了防雨和加温功能。
温室温度控制系统要对生产过程进行自动检测、信息处理和实时控制，对系统运行的重要参数要进行直观的显示和其它处理，操作人员可随时对生产过程进行干预，实现生产过程的在线操作。本设计是温室温度控制系统，其基本控制原理是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，在送到微机进行相应的判断和运算，输出控制量控制加热功率，从而实现对温度的控制。系统结构图如下：
                   
 图1-3系统结构图
1.4  本课题的研究目的及意义
本课题是“温室温度控制系统”，其研究的主要目的是对温室进行实时监测，使其在设定的温度范围内，若不能保证要求温度时，给出报警信号。
温度在温室中常见的重要被测、被控参数，以往使用常规模拟仪表监测，人工操作控制，复杂繁琐；而且，由于手动操作往往具有较严重的滞后性，因而会给监测和报警带来较大的误差和滞后，影响监测系统的精确性，系统可靠性随之下降，由此还会带来操作人员劳动强度大，维修困难等问题。而基于单片机的嵌入式实时测控技术的应用通过将计算机技术与测量控制技术的融合，使传统的测控方法和手段发生了根本性变革。用单片机为核心的嵌入式测控系统取代采用传统仪器、仪表的常规测控系统，可以方便地实现测控过程的自动化、测量结果的数字化处理以及测控仪表功能的多样化，并对大幅度提高温室的监测精度、降低操作工作人员劳动强度具有十分重要的促进作用。
鉴于此，我采用微控制器作为控制系统的智能核心，设计出了具有自动监测报警装置和微机控制的温室温度控制系统。

第二章 控制系统设计方案确定
2.1 系统总体方案确定
方案一：传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低，如果过高，就对大棚进行降温处理，如果过低就对大棚进行升温。这些操作都是在人工情况下进行的，这些都浪费了大量的人力物力，对于大棚数量很多来说，是面临的一个难题。现在，随着农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。

方案二：整个系统采用两级控制结构，由上位机和下位机组成：上位机为综合管理级，主要是实现显示、记录、打印等功能；下位机为直接控制级，主要完成温度检测，实时显示，数据传输等功能。上位机选用普通PC机即可，便可实现综合管理、存储数据、打印曲线及事后数据处理。下位机选用嵌入式系统，结构简单、体积小、成本低、实时性好，便可实时采集环境温度。

综上所述的两种方案，该设计选用方案二比较合适。
2.1.1  系统的组成
一、硬件电路方案的确定：
1. 温度检测元件及放大器，A/D转换芯片选择：
温度检测元件及放大器放大倍数的选择，按控制范围和精度要求考虑。该部分采用AD590，因为AD590是温度测量中使用较广泛的传感器之一。A/D转换用0801使量化误差满足性能指标要求。
2. 温度控制电路选择：
温度控制电路采用了可控硅调节规律方式。双向可控硅在50HZ交流电源和 加热电路中，只要在给定周期里改变可控硅开关的接通时间，就能改变加热功率的目的，从而实现温度调节。
3. 人机通道方案选择：
报警电路的选择：由于该系统所控制的温度有确定的范围，这就要求报警电路有上下限报警并指示功能，因此，可采用声光报警，即声音报警采用蜂鸣器接到89C51上，而发光报警采用发光二极管即可并有红黄之分，区别上下限，正常运行时绿灯亮。
定时电路的选择：由于该系统主控电路的电源为220V/50HZ，工频交流电，经电压比较器LM311，过零触发器MC14528后产生频率为50HZ的单稳态脉冲，此时脉冲一路作为触发脉冲，一路作为该系统的外部定时（100ms）送给T0，T1计数器计数。
二、 软件方案确定
本设计是采用传统的PID控制，比较实际温度和炉温得到的偏差，通过对偏差的处理获得控制信号来调节可控硅的通断，用以实现对电阻炉的控制，从而调节温室温度。
三、软、硬件功能划分
软件和硬件是计算机系统的两大组成部分，它们的目的是一致的都是为了解决特定的问题，实现特定的功能；他们的作用是相辅相成的，如果增加软件的任务，就能减少硬件的任务，简化硬件电路；相反加重硬件的任务，增强硬件的功能则可减轻软件的负担，简化编程。因此，合理地分配软件所承担的任务充分利用MCS-51本身丰富的软件硬件功能，特别是它的软件控制功能，力争用最少的外部电路构成系统，完成系统要求的任务。
1.硬件
（1） 前向通道：包括传感器（AD590）、A/D转换器（ADC0801）
（2）人机通道：包括显示电路、拨码盘、报警电路
（3）后向通道：包括脉冲触发电路、两个加热电路
2.软件
（1）温度检测：包括定时采样和软件滤波。
（2）温度控制的实现：即根据温度给定值的大小，决定2台电炉的通电与断电实现温度控制。
（3） T。定时器产生每一次的定时中断，作为本系统的采样周期，T1计数器决定控制脉冲的时间。
（4） 显示有关状态。
（5） 输出报警信息。