摘 要:介紹了對(duì)溫室溫度、濕度、光照、CO2 濃度和土壤水分的檢測(cè)與控制電路及原理圖。這些電路既能獨(dú)立使用，又能通過(guò)信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，提高了溫室監(jiān)控的自動(dòng)化水平和應(yīng)用的靈活性。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫室；溫度；光照度；傳感器
我國(guó)是設(shè)施園藝栽培面積最大的國(guó)家。20 世紀(jì)80 年代后中期，高效節(jié)能日光溫室生產(chǎn)技術(shù)在我國(guó)逐步推廣發(fā)展起來(lái)，隨著各個(gè)機(jī)構(gòu)大量的人力、物力的投入，日光溫室已從生產(chǎn)各種反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)設(shè)施，發(fā)展成為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。雖然目前日光溫室技術(shù)在全國(guó)已相當(dāng)普及，但就總體而言，國(guó)內(nèi)溫室的發(fā)展尚存在設(shè)施工程科技含量低，設(shè)施環(huán)境可測(cè)控程度低，溫室管理措施和手段落后等問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，本文詳細(xì)介紹了現(xiàn)代溫室環(huán)境參數(shù)的測(cè)控電路和相關(guān)軟件流程。
1 溫度檢測(cè)控制
溫室溫度檢測(cè)系統(tǒng)以DS18B20U為前端溫度傳感器，利用單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成系統(tǒng)，對(duì)花棚的環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試及處理，保證花卉的正常生長(zhǎng)。測(cè)溫點(diǎn)數(shù)和測(cè)溫位置可根據(jù)花棚的具體地理位置、花卉類(lèi)型及用戶(hù)需求來(lái)確定。
系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本電路主要由單片機(jī)AT89C51、顯示裝置、鍵盤(pán)、及4個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20U等組成。
測(cè)P0.0～P0.3的信號(hào)跳變就可以確定是哪一個(gè)鍵盤(pán)被按下,當(dāng)單片機(jī)接收到具體的中斷序號(hào)時(shí),就會(huì)讀取在初始化時(shí)已經(jīng)按序列號(hào)編碼的對(duì)應(yīng)的傳感器DS18B20U的RAM中的溫度數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)讀取,讀取到的溫度數(shù)據(jù)再通過(guò)單片機(jī)從RxD口串行輸出,顯示電路為典型的串行顯示方式,由串行口TxD、RxD、74LS164和8段數(shù)碼管組成.數(shù)據(jù)從RxD端串行輸出, TxD端輸出移位脈沖信號(hào),通過(guò)74LS164移位寄存器將串行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行輸出.
溫濕度上下限的設(shè)置主要根據(jù)溫室內(nèi)具體的作物而定。溫度數(shù)據(jù)檢測(cè)到后，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)內(nèi)總的判斷，做出升溫或降溫控制。溫度的調(diào)節(jié)可通過(guò)調(diào)節(jié)水循環(huán)和熱風(fēng)量大小來(lái)加溫或
降溫。
2 濕度檢測(cè)與控制
本系統(tǒng)采用HS1101 電容式濕度傳感器探頭及頻率輸出電路。HS1101 電容式傳感器在電路構(gòu)成上等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。在這個(gè)系統(tǒng)中將濕敏電容置于555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻串信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。集成定時(shí)器555 芯片外接電阻R1+R11 與濕敏電容C,構(gòu)成了對(duì)C 的放電回路，DSCH 端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C 的放電回路，并將引腳TRIG 和THRES端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。電路圖如圖2
所示。輸出的方波頻率為 f=1/(t 充電+t 放電)=1/[C*(R2+2*(R1+R11))*ln2],可見(jiàn)空氣濕度通過(guò)555 測(cè)量振蕩電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)。輸入部分濕敏電容經(jīng)振蕩電路變換后的脈沖頻率信號(hào)，經(jīng)濾波、整形、光耦、放大等信號(hào)處理后，送入單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1。
單片機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定值對(duì)比后，輸出控制信號(hào)控制溫室的濕度。濕度調(diào)節(jié)采用遮陽(yáng)幕系統(tǒng)加屋頂噴淋系統(tǒng)。
3 CO2 濃度檢測(cè)與控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。
上位機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理、通訊、系統(tǒng)控制、實(shí)時(shí)顯示及修改各種控制數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)、記錄每天的各種采集數(shù)據(jù)。內(nèi)有專(zhuān)家決策系統(tǒng)，外部測(cè)定的CO2 濃度信號(hào)通過(guò)與專(zhuān)家決策系統(tǒng)中的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析后，采取相應(yīng)操作。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。本系統(tǒng)采用內(nèi)帶4KEPROM 的89C51 單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能的8 位CMOS 處理芯片，具有良好的性?xún)r(jià)比，與廣泛使用的51 系列單片機(jī)完全兼容，工作范圍寬，具有加密功能，可將系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)放到內(nèi)部的4K 存儲(chǔ)器中。上位機(jī)與單片機(jī)是通過(guò)串行口連接的。由于兩種微機(jī)
串行接口標(biāo)準(zhǔn)不一樣，在進(jìn)行通訊的時(shí)候必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
傳感器是構(gòu)成智能測(cè)控儀中最重要的設(shè)備之一。因?yàn)閭鞲衅魈幱跍y(cè)控系統(tǒng)的前向通道，其質(zhì)量的好壞直接影響著整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本系統(tǒng)采用紅外線(xiàn)氣體分析儀，這種儀器利用紅外線(xiàn)按比例吸收CO2 的特點(diǎn)制造的。它具有測(cè)定精度高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，被廣泛采用。本系統(tǒng)采用的是FQ 型紅外線(xiàn)氣體分析儀。系統(tǒng)采用液化鋼瓶，它利用高壓將CO2 液化封裝在鋼瓶里。鋼瓶上配有減壓器，可將工作壓力調(diào)小使氣體輸入到溫室內(nèi)。傳感器所測(cè)量的是模擬信號(hào)，而單片機(jī)PC 機(jī)所能處理的是數(shù)字量，所以就需要一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)化器完成這種
轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換器采用AD574A。
本系統(tǒng)軟件主要完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理、實(shí)時(shí)LED 顯示、越限報(bào)警、鍵盤(pán)中斷響應(yīng)、參數(shù)設(shè)置與查詢(xún)、打印輸出等功能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的檢測(cè)分析處理是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它主要完成數(shù)據(jù)（CO2 濃度）的采集、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、存儲(chǔ)打印、顯示等。
該模塊程序流程圖如圖4 所示。
4 土壤水分檢測(cè)與控制
電路由土壤水分檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路和高精度穩(wěn)壓電源電路組成。
插入土壤中的傳感器，由于土壤含水量不同，其阻值也不一樣。該電阻值就是晶體管T的基極偏流電阻。偏流電阻不同，基極電流也不一樣。集電極和發(fā)射極的電流隨基極電流的改變而改變。通過(guò)R2，把發(fā)射極的電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，將該電壓送至IC1 的同向輸入端，通過(guò)IC1 的同向輸入端，通過(guò)IC1 進(jìn)行放大并輸出。輸出信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換輸入給單片機(jī)，進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動(dòng)被控機(jī)構(gòu)。當(dāng)土壤中的水分低于給定值（溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)所需的土壤濕度）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)增濕裝置，來(lái)提高土壤濕度；當(dāng)土壤水分高于所設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)裝置和開(kāi)窗裝置，以降低土壤的水分。土壤水分控制系統(tǒng)的流程圖如圖5 所示。
5 光照檢測(cè)與控制
以往使用硅光電二極管的光強(qiáng)檢測(cè)計(jì)算機(jī)接口通常由光電二極管、特高輸入阻抗運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換器等電路構(gòu)成。這種電路代價(jià)較高，而且對(duì)環(huán)境溫度和電源電壓均比較敏感。新一代集成化的智能傳感器，將硅光電二極管、信號(hào)調(diào)理電路和電流/頻率轉(zhuǎn)換器等集成在單片集成電路中，能直接輸出數(shù)字信號(hào)并和微處理器接口，一種高性能和低性能的智能傳感器的典型代表是TSL230可編程光/頻轉(zhuǎn)換器。
該器件在單片機(jī)電路中集成了一個(gè)可配置的硅光電二極管和一個(gè)電流/頻率轉(zhuǎn)換器，可直接輸出正比于入射光強(qiáng)度的頻率信號(hào)，它能直接和微處理器接口，以極低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)較高精度的光強(qiáng)檢測(cè)和光強(qiáng)信號(hào)數(shù)字化。TSL230的內(nèi)部集成了一個(gè)可配置的硅光電二極管和一個(gè)電流/頻率轉(zhuǎn)換器。S0、S1端為靈敏度選擇；S2、S3端為頻率比率選擇；OUT輸出端是頻率正比例于光照度的脈沖串或方波（占空比為50%）。TSL230 所有的輸入和輸出端都兼容TTL 電平,可直接和微處理器接口。其輸出允許端OE置為高電平時(shí),頻率輸出被置為高阻態(tài),使得多個(gè)器件可共享一個(gè)微處理器輸入線(xiàn)。TSL230 與單片機(jī)接口很方便,例如用GMS9032單片機(jī)的計(jì)數(shù)器來(lái)檢測(cè)其輸出頻率,GMS9032 最高可工作于40MHz 的高速度,其計(jì)數(shù)器可穩(wěn)定檢測(cè)到TSL230高達(dá)1MHz 的頻率輸出。光強(qiáng)信號(hào)一般具有很大的動(dòng)態(tài)范圍,單片機(jī)的檢測(cè)程序采用合適的檢測(cè)方法,才可獲得較高的檢測(cè)精度。為了檢測(cè)頻率,可將定時(shí)器T0 設(shè)置成16 位計(jì)數(shù)器,用于對(duì)傳感器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),在定時(shí)器T0計(jì)數(shù)的同時(shí),用另外一個(gè)定時(shí)器T1 來(lái)記錄從T0 開(kāi)始計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)器溢出的時(shí)間,傳感器的輸出頻率可用如下公式計(jì)算：
控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)做出增光或減光控制。有陽(yáng)光時(shí)控制較容易，可打開(kāi)或減小遮陽(yáng)幕布。在陰雨天，可采用新近研制成功的農(nóng)業(yè)溫室補(bǔ)光燈，該燈采用稀土作為發(fā)光材料，利用其發(fā)光光譜波長(zhǎng)與太陽(yáng)中可促進(jìn)作物光合作用的光譜相吻合的特點(diǎn)制作而成，使用后可增加作物的光合作用。
6 結(jié)束語(yǔ)
本系列溫室環(huán)境參數(shù)的測(cè)量與控制以單片機(jī)為核心，配之以高性能的傳感器及檢測(cè)放大電路，對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、A/D轉(zhuǎn)換、濾波處理等。同時(shí)可以連接控制系統(tǒng)，對(duì)溫室的各個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。這對(duì)實(shí)現(xiàn)溫室的智能化測(cè)控管理，創(chuàng)造溫室的最佳效益將產(chǎn)生積極作用。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是分別分析了溫室各個(gè)參數(shù)的測(cè)控原理，并分別給出了電路原理圖，所以，對(duì)于實(shí)地應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了方便、高效、實(shí)用的目的。
本項(xiàng)目是陜西省專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目，如將其投放市場(chǎng)，定會(huì)有較好的市場(chǎng)前景，可產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。
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作者簡(jiǎn)介 王 毅（1981-）， 男，延安大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)的檢測(cè)與應(yīng)用技術(shù)。
白澤生（1964-）， 男，延安大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事傳感器與檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)和研究工作。 |
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