农用测控系统的设计与计算方法
The design and com puting method of agricultural measure and control system 刘建民 1 靳仁昌 2 Liu jian ming Jin ren chang (1 西藏大学理学院拉萨850000) (2 河北科技师范学院机电系秦皇岛066004)
[摘 要] 介绍了运用 PID 控制算法,以单片机 AT89C55 为控制核心的应用于农业设施 中的测控系统的硬件与软件设计. 使其能够在不同的应用场合和应用条件下实现最合理的组 合,从而实现较高的性能价格比.各变送器通过多路模拟开关共用一块 A D 转换芯片 5G14433,使得结构简单,运行可靠,满足精度要求,进一步降低了成本,有利于该测控仪在农 业设施中推广. 叙 词 农业设施 测控系统 模块化结构 传感器 变送器中图分类号 TP216 文献标识码:A 引言自治区党委,政府在《关于加强"十一五"时期"三农"工作建设社会主义新农村 的意见》中提出,要增强科技创新能力,大力推广设施农业技术.农用测控系统是设施农业的 重要组成部分,在农用测控系统的研制过程中,笔者发现,用于粮库, 温室大棚及畜禽养殖舍等 各类农业设施中的测控系统,它们在硬,软件结构及操作方法方面极其相似;而每种仪表在满 足了部分用户需要的同时,无法使其他用户满意.为适应我区科技含量日益提高的温室种植 业, 舍饲畜牧业对温湿度测控性能的要求,我们在总结经验的基础上,运用 PID 控制算法,加大 主机板的冗余,把硬,软件设计成模块化结构,根据不同的应用场合和应用条件,采用相同的主 机板和主机箱,而采用不同的硬,软件配置及仪表面板.这样,在不增加成本和价格的前提下, 组成了可满足各种农业设施需要的农用测控系统. 1 硬件的模块化结构设计农用测控系统硬件结构框图如图 1 所示.主要包括 AT89C55 单片机芯片 〔1〕 I O 接口电路, , 输入设备(键盘), 输出设备(数码显示器(LED),监视器(CRT), 微型打印机),传感器,变送器,输出控制设备等. 1.1 加大主机版的冗余主机板上有装有 20KB 闪存存储器(flash memory)和内部 256B RAM 的 AT89C55 单片机, A D 转换器 5G14433, 电源和 8 个插槽(4 个 4051 插件和 4 个 8155 插件),冗余是指利用这 8 个插槽,根据用户需要插上相应的模板.在设计中,借鉴了 STD 总线 控制机的设计方法〔2〕,而采用了自定义的三总线结构,这样可充分发挥 AT89C55 的资源优 势,降低成本. 1.2 传感器,变送器与模板的组合 本系统需要检测空气温,湿度,土壤含水量,CO2 及对畜禽有害的 H2S 的含量〔3〕 . 温度传感器选用了价格便宜,稳定性和线性度都比较好,测量范围虽小(-55～150℃)但却足够 本系统使用的集成半导体温度传感器 AD590.
空气湿度的测量采用了干湿球温度计法. 即通过测量同一处干球和湿球温度来求得该处 空气湿度,就是说,检测温,湿度都用温度传感器〔4〕 .这种测量湿度方法精度高且价格便宜, 只是计算量和修正工作量大,而这恰好可利用单片机的优势. 土壤水分的测量是一个比较困难的课题,多年来人们对它进行了广泛的研究和探讨,目前 还没有一种被普通认可的标准测量方法,现在使用的方法各有其优缺点〔5〕 .本系统采用的 是电阻法,即根据土壤导电率随其水分含量多少而异,用两根平行的被绝缘质隔离的长形不锈 钢电极作为土壤水分含量传感器.为了减少土壤物理结构,温度,化学成分以及电极与土壤 的接触状态对测量精度的影响,将电极镶嵌在石膏块中. 选择气体传感器的原则是耐用,满足精度要求,价廉,它们的非线性,温漂等可用软件 补偿.H2S 传感器采用的是 UL-281 型,CO2 传感器采用的是 UL-206 型. 以上这些传感器将被检测量转为类型,数量级各异的电信号,经过各自的变送器转换为 标准的 0～2V 电压信号,以便它们通过多路模拟开关 4067 共用一个 A D 转换器,这大大简化 了硬件结构,提高了可靠性,降低了成本. 并不是每个系统都需检测与控制以上所有物理量,同一参量不同系统检测总数与控制点 数也各不相同,可根据需要选择模板组合. 例如,一个粮库有多个粮仓,检测系统主要用于检测温度, 湿度和火灾报警,所以系统使用 的传感器就是温度传感器和 CO2 传感器,根据粮库中粮仓的多少,决定使用传感器的多少, 4051 的多少.一般只需检测与报警而不需要控制,故只需图 1 中的 8155IV 及其外部设备,并 不需要 8155I-Ⅲ. 1.3 显示与打印输出 本系统设计了两种显示输出接口电路:数码显示(LED)与监视器显示(CRT).因为用户根 据需要择其一即可,故二者均占用串行输出口.用串入并出移位寄存器 74LS164 作为静态显 示的 LED 输出接口,对于一般的检测和巡回显示即够用;用标准的 232 接口,当组成比较大或 需要显示更多信息(比如汉字或图形)时,可以配置 CRT 监视器.设置了微型打印机接口电器, 需要时可以打印出检测结果和相关信息作为硬拷贝. 1.4 控制输出 本系统要控制驱动的有滴灌与喷灌电磁阀(用于温室或大棚),电加热丝,排风扇电机(用 于排除湿气,有害气体或降温)和卷帘电机.根据系统输出量的多少,宜选用若干片 8155 作 为输出接口电路,因为它不但有三个接口,还有一个定时器和 256 个 RAM 单元.这就使得系 统即使有大量计算和需作定时控制的量,也不必再另扩展 RAM 和定时/计数器.

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