温室环境智能监测与控制系统设计.docx
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温室环境智能监测与控制系统设计
太原理工大学
硕士学位论文
温室环境智能监测与控制系统设计姓名:
彭宏丽
申请学位级别:
硕士
专业:
控制理论与控制工程指导教师:
夏路易
20070401
太原理工大学硕士研究生学位论文
温室环境智能监测与控制系统设计
摘要
我国农业形势发生了根本性变化,农业生产进入了主要依靠科技提高农产品质量、加速结构调整、迅速增加农民收入、提高农业整体效益、改善生态环境以及大力提高农业国际竞争力的新时期。
温室技术是实现这一转变的重要途径,开发研制温室智能环境监测系统是十分必要的。
针对这一问题,本文提出并设计了一种低价位、实用型的温室环境智能监测与控制系统。
本文在查阅大量国内外参考文献的基础上,研究了几种目前市场上流行的温室环境控制系统,并且根据温室内影响作物生长的环境因子,即温度、湿度、光照和C02环境的条件、控制特点和控制方法,提出了适合本系统的环境因子控制方案。
本文以PHILIPS公司32位ARM微控制器LPC2132为核心,设计了温度、湿度、光照强度和C02浓度传感器,传感器检测出来的信号传输给LPC2132进行数据处理,从而实现对环境因子的测量与控制。
本文重点介绍了温室环境监控系统的硬件、软件设计。
硬件方面,介绍了各部分的设计思想、原理电路以及抗干扰方法,并且给出了系统总硬件原理图;另外,在满足系统设计要求的前提下,尽可能选用价格低、功耗低的元器件,达到降低系统成本的目的。
软件方面,将嵌入式实时操作系统,uC/OS—II移植到LPC2132,采用基于嵌入式实时操作系统的软件开发模式,设计了控制器的各个任务。
“C/OS.II的应用使系统具有更好的实时性和可靠性,同时便于程序的扩展。
由于温室内温湿度环境很难建立系统精确的数学模型,利用常规的
太原理工大学硕士研究生学位论文
控制算法得不到非常满意的控制效果,因此本文采用了模糊控制算法实现了对温室内温湿度的智能控制。
本文根据所设计系统的功能,设计、安装并调试了实验装置,并根据485通迅组成了监控系统。
通过大量实验,验证了本系统的原理设计的正确性和可行性。
最后,对论文进行了总结,介绍了本文完成的主要工作,说明了本文的特点和意义,同时,指出了系统设计的不足和改进思路,为今后课题的进一步研究打下了基础。
关键词:
监控系统,LPC2132,嵌入式操作系统,模糊控制
H
太原理工大学硕士研究生学位论文
DESIGNOFINTELUGENTMONITOR
ANDCONTROLSYSTEMFOR
THEGREENHOUSEENVIRONMENT
ABSTRACT
Atpresent,ourcountryagriculturesituationhadthefundamentalchange,theagriculturalproductionenteredthemaindependencescienceandtechnologytoimprovetheagriculturalproductquality,theaecelerationstructureadjustment,rapidlyincreasesthefarmertoreceive,toenhancetheagriculturaloverallbenefit,theimprovementecologicalenvironmentaswellasvigorouslyenhancestheagriculturalinternationalcompetitionstrengththenewtime.Thegreenhousetechnologyisrealizesthistransformationimportantway,thedevelopmentdevelopsthegreenhouseintelligenceenvironmentalmonitoringsystemisextremelyessential.Inviewofthisquestion,thisarticleproposedandhasdesignedonekindoflowend,thepracticalgreenhouseenvironmentintelligencemonitorandtheeontrolsystem.Thisarticlehasconsultedthemassivedomesticandforeignreference,studedinseveralkindofpresentmarketsthepopulargreenhouseenviromentalcontrolsystem,andaccordingtointhegreenhousetoaffecttheenvironmentfactorwhichthecropsgrows,namelythetemperature,thehumidity,illuminationandtheC02environmentcondition,thecontrolcharacteristicandthecontrolmethod,proposedsuitsthissystemtheenvironmentfactorcontrolplan.
ThisarticletakemicrocontrollerLPC2132ofPHILIPSCorporation雒acore,designedThetemperature,thehumidity,thestrengthofilluminationandtheC02densitysensor,thesensorexaminesthesignallingcarriesonthedataprocessingtoLPC2132,realizedtotheenvironmentfactorsurveycontrol。
III
太原理工大学硕士研究生学位论文
Thisarticleintroducedthegreenhouseenvironmentsupervisorysystemhardware,thesoftwaredesignwithemphasis.
Intheaspecthardware,thedesignintroducedeachpartofdesignsthought,theprincipleelectriccircuitaswellasthe
antiinterferencemethods,Andhasproducedthesystemtotalhardwareschematicdiagram;Moreover,forrealizinglowcostofsystem,cheapcomponentWaschosenpossiblyundersatisfyingthedesignrequest.
Intheaspectsoftware,Thisarticlehasinsertedembeddedoperationsystem/MC/OS-IItotransplantLPC2132,designed
controllereachduty4tC/OS・IIapplicationenablethesystemtohaveabettertimelinessandthereliability,simultaneouslyisadvantageousfortheprocedure.expansion,causingeasywhichtheprogramextension.
Inthegreenhouse,thewarmhumidityenvironmentisverydifficultyestablishthesystemprecisemathematicalmodel,couldnotobtaintheextremelysatisfactorycontroleffectusingtheconventional
controlalgorithm,sothisarticleUSeSthefuzzycontrolalgorithmtorealizetothegreenhouseinthewarmhumidityintelligent
contr01.
Thisarticleaccordingtodesignedthesystemthefunction,thedesign,installsandhasdebuggedthetestinstallation,andhascomposedthesupervisorysystemaccordingto485correspondences.themassiveexperiments,has
confirmedthissystemprincipledesignaccuracyandthefeasibility.
Finally,thisdocumentsummariedandintroducedthemainwork,explainedthisarticlecharacteristicandthesignificance,simultaneously,thisarticlehadpointedoutthesystemdesigninsufficiencyandtheimprovementmentality,havebuiltthefoundationforlhenexttopicfurtherresearch.
KEYWORDS:
thesupervisorysystem,LPC2132,embeddedoperationsystem,fuzzy
control
IV
太原理工大学硕士研究生学位论文图索引:
圈2.1图2.2图2.3图2-4图3.1图3.2图3-3图3-4图3.5图3-6图3-7图3.8图3-9图3.10图3.11图3.12图3.13图3.14图3.15图3.16图3.17图3.18图3.19图3.20图3.21图3.22湿度.电容响应曲线
LPC2132管脚图一一
图表索引
系统组成框图……………….
智能监控点原理框图……
硬件总体框图……………
电源电路
时钟电路
………27
…………。
33…………。
36…………。
37…………¨38…………~38…………¨39复位电路图………………
单总线多节点系统的示意图
DSl8820管脚图………….
温度测量电路
HSll01和555组成的多谐振荡电路…………
髑也561芯片管脚图……….
12C总线应用典型结构图…
12C总线的传输时序图……
光强测量电路…………….
A/D模块的寄存器功能框图……………………。
C02测量电路图
4243............44............45
RTC结构图……………。
RTC电路图…….:
……………………………………
MAX3485芯片管脚图.
MAX3485和LPC2132芯片串行通信电路
液晶屏管脚图
液晶显示器与LPC2132的接口电路…………………
键盘电路………………….
继电器输出驱动电路…….
IX
4849
………。
52……………。
53..……………54..........54……56…………。
56…………一57
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图3.23图3—24图4.1图舢2图4.3图5.1图5.2图5-3图54图5-5图5-6图5-7图5.8图5-9图5.10图5.11图5.12图5.13图5.14图5.15图5.16图5.17图5.18图5.19图6.1图6.2图6.3图6.4图6.5图6.6
继电器输出驱动电路……
报警电路……………………………………。
模糊控制系统结构……….
模糊控制器原理图……….
模糊交量隶属函数….
……59……60……65
/.tC/OS-II硬件和软件体系结构图………………
主程序流程图………………。
初始化时序图……………。
写时序图………………….
读时序图………………………………………
DSl8820流程图…….
捕获法测脉冲周期流程图
TsL2561流程图……………。
……67…..75…..83。
86..87……88……90…….92.......94Izc读写操作程序流程图…………………………
C02测量任务流程图
寻址方式图…………………………………………。
指令发送时序图………………………………….
复位时序图…………………
多字节发送时序图……………。
单字节数据发送时序图…………
LCD显示流程图………………。
键盘扫描任务流程图……………
模糊控制流程图…………………
UAR册通信流程图………………
JTAG下载电缆电路………………
调试窗口…………………………
主板输入部分电路………………。
…。
95....99100…100..100。
101。
103。
104。
104
主板输出部分电路………………………………………
主板PCB图…………………………
主板电源与通信部分电路…………
X
.108112114115116117
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图6-7图6.8子板PCB图PC机界面……..
表索引:
表2-1蔬菜的温度指标………………………表2.2几种温度传感器的比较………………表2-3几种湿度传感器的比较………………表2.4HSll01技术指标………………………表2.5几种光电传感器的比较………………表2.6几种气体传感器的比较………………表3-1频率和湿度对应表……………………表3.2混合寄存器组…………………………表3-3时间计数器组…………………………表3-4报警寄存器组…………………………表3.5基准时钟分频器组……………………表3-6按键功能表……………………………表4-1偏差e的赋值表………………………表4.2偏差变化率Ac的赋值表…………….表4-3输出变量u的赋值表…………………表44模糊控制状态表………………………表4-5模糊控制表……………………………表5-1IIC/OS.II需要移植的代码…………。
表5.2任务属性表……………………………表5-3DSl8820的温度存储方式……………表54TSL2561寄存器………………………表5.512C寄存器…………………………….表5-612CONSET寄存器……………………表5.7通信协议的帧格式……………………表5—8帧格式的类型码………………………表5-9异步通信模式字符格式………………
118120
202542627…~27.28.43.51.51.51
…….57。
67。
67。
67..68。
69.76.84.87.91.93.93105106106
声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文。
是本人在指导教师的指导下,独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外。
本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。
均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
五垒塞函
论文作者签名:
五∑筮豳日期:
合神’7.S.油
关于学位论文使用权的说明
本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定,其中包括:
①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借阅;④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定o
签名:
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导师签名:
至礁垒跏7.S.9--0
日期:
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第一章绪论
1.1选题的背景
目前,我国农业形势发生了根本性交化,农业生产进入了主要依靠科技提高农产品质量、一加速结构调整j一迅速增加农民收入r提高农业整体效益、改善生态环境以及夫力一提高农业国际竞争力的新时期。
通过知识和技术创新,走技术替代资源道路,实现我国农业从传统的粗放、低效、资源高消耗型增长方式,向集约、高效、资源节约、可持续型生产方式的根本转变。
发展工厂化农业是实现这一转变的重要途径。
工厂化农业具有技术和知识密集、资源高效利用、效益显著等特点,近年来在我国受到高度重视。
我国在温室,温室和环境控制等工程配套设施、温室专用品种选育、高产栽培和优质安全生产技术等方面均取得了显著成果,全国温室及环境调控技术与配套设施方面得到了很大发展11l。
近几年来,我国温室产业发展迅速,截止到2001年底的数据表明,我国大陆地区现有现代化大型温室面积约580hm2,其中引进温室面积已达180余hmI,90年代中期以来,根据我国国情和气候特点,自行设计、建造了一批经济、适用的大型温室,面积达400余hIn'。
目前正立项的连栋温室项目与建设速度还在进一步加快,将大大加快我国工厂化农业的发展。
我国温室面积居世界各国首位,其中塑料大棚和日光温室等简易设施占绝大多别2l。
但由于缺乏配套技术与设备,环境控制能力低,抵御自然灾害的能力差,技术含量低,生产潜力有限。
有较强环境调控能力、可实现周年生产的大型现代化温室的面积所占比例还很小。
要依靠进口温室设备一次性投资大、生产成本高以及对操作人员的素质要求也高。
总得来说,温室环境控制还处在不断完善之中,还有许多工作有待改进13114115】。
温室环境智能监控系统的研究涉及到计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技术、生物技术以及环境科学等多种技术和学科,现阶段,功能齐全的完全智能化的温室环境监控系统实际应用的还不多。
目前市场上出现的,多是单因子控制器,比如温度控制器、湿度控制器、温湿度控制器或C02控制器等,也有一些国内外的大公司生产智能温室监控系统或控制器,但一般价格昂贵,对于大部份农民来说还是可望而不可及的16]1_7j181。
因此,开发低价位、低成本、实用型的农业温室智能监控系统己迫在眉睫,对于促
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进农业的增产、增收,推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义。
1.2国内外研究现状
国外先进现代大型温室中,所有的环境因子的监测、传感、调控均实现了自动控制,由计算机进行综合管理。
并且所控制的环境因子范围比较广,从温室内的环境状况到室外的气候特征,从生物体生长的活体信息到果实的性状,都能通过计算机技术将这些数据采集到,并通过分析,实现对温室环境综合控制。
70年代中期,荷兰、臼本、美国等国家已将微机用于农业环境监控系统中。
1986年日本已有几百台、荷兰有近千台微机用于温室控制管理。
日本实行了用计算机对温室、湿度、C02度等进行控制调节,该系统能够根据室内温度、湿度和室外环境状况等来自动控制天窗开关、加温降温设备开关,并自动记录并储存温室环境因子的数据、设施的工作状况,并能以图形的形式打印。
该系统工作性能好、灵敏度高、工作稳定、对环境调控能力强。
韩国为扩大生产规模及降低生产费用,温室内设置了一些控制环境因子的自动化装置,由于有些自动化装置需靠人们根据经验进行控制,因此没能充分发挥它们的作用,另外,软件的开发也存在一定问题191llOl。
自70年代后期以来,温室技术在我国取得了突飞猛进的发展,尤其是舳年代后引进了一批温室成套设备,对国外先进经验进行消化和吸收,我国的温室环境控制研究也得到了较快发展。
在温室的温度、湿度和二氧化碳浓度变化规律及控制技术和效果等方面取得了不少进展,但是温室综合控制及软件系统开发还处于刚起步的阶段。
1979年我国开始从荷兰、日本、美国等国家引进了四十多套大中型现代化温室。
引进的温室与我国传统温室比较,其空问大,便于进行机械作业,劳动生产率与土地利用率得到提高,对于消化、吸收国外先进的温室生产经验起到了积极作用。
但引进温室一般是按照外国气候条件设计的相关系统,其规模与体积、能耗比、适应性等使用性能并不理想,而且温室价格和运行成本部很高,另一方而国内发展农业的“低投入”模式和农产品的低价位与国外差距较大,其经济效益一直不容乐观。
因此,发展温室不能只依靠引进。
80年代以来,我国科技人员在吸收发达国家高科技温室环境控制技术的基础上,对温室系统中温度、湿度和营养液浓度等单项环境因子控制技术进行研究。
郑学坚首先用微型单板机进行控制人工光源气候箱环境生态因子寻优试验,提出了登山法优化生物环境指标的思路,后来用Z.84微型机控制温室的软硬2
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件实施方案的模拟实验,取得满意的结果;1986年徐师华等使用TP一801微型单板机对人工环境进行控制,其特点是成本低、结构简单、稳定性较高、使用方便,但未能实现多机分级控制:
1991年孙学斌等以IBM微机为上位机,SDK-86单板机或MCS-51单片机为下位机而温室环境控制涉及诸多的领域,远比一般的工业环境控制复杂。
对室内气温、相对湿度、地湿和光照等环境参数进行分级监控研究,该系统性能优良,操作方便,使用灵活;于海业等提出温室环境自动检测系统,采用专家系统指导下的实时处理方法,及时提供技术指导和技术咨询服务,建立了友好的人机界面;李萍萍等于1996年开始到1998年建成了一套具有控温、补光、控湿等功能的智能温室,该系统对各个环境因子的控制效果良好,生产运行费用较低;还有国内高等院校和科研院所开展了温室环境自动控制方面的研究与开发,均取得很大进,对我国现代农业的发展起到了很大的推动作用。
1.3温室智能系统的市场现状
通过网上查询、电话咨询和实地考察,了解到了目前我国市场上出现的智能温室环境监控系统产品,根据其系统组成、使用技术、功能、特点、技术指标和价格等不同的
方面,从中选出具有代表性的主要有以下几种【nⅡ12l:
1.I删SK_2000温室智能环境全自动控制系统
该控制系统综合运用了计算机网络技术,使用上位机通讯技术加测控站,实现了分散采集控制,集中操作管理,相对独立的设计思想,系统具有功能强大、性能优越、配置灵活、安全可靠等优点。
上位机采用通用PC机、技术成熟、软硬件丰富、操作方便、用户界面友好,加上先进的UPS技术,使之工作更为可靠。
A型测控站采用单片机控制的专用控制器,采用MCS-51系列单片机进行控制。
控制板采用最新集成电路精心设计而成,性能稳定可靠,易于适用;电路板表面经过特殊工艺处理,可以抗温室鸡舍高湿度与各种腐蚀性气体的腐蚀。
4.8路模拟量输入,8—16路开关量输入(或根据需要增加。
最多12.16路继电器控制输出(或根据需要增加.可选则采用LED或LCD显示,字型大直观,清晰易读
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