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基于单片机的温室智能控制器硬件设计

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qaz098xsw|  楼主 | 2019-5-12 13:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
基于单片机的温室智能控制器硬件设计


     近年来,温室环境控制在国内外得到了相应的研究和应用。国内现有的智能温室系统硬件大部分从国外引进,国外的系统是经过多年的发展和完善,在技术上是比较成熟与先进的。但在我国的应用中出现了一些问题,如体积大、能耗大、温室降温较差、在我国使用不适应。从经济效益上看,因其设备投资大,运行费用高,普遍亏损。“林木种苗工厂化生产环境控制设备与自动化控制集成应用研究示范”是我们自主开发的智能温室监控系统,该系统对于实现农业精细化、自动化生产,提高农业生产的效率与农产品的质量有一定的促进作用。

  系统硬件相关技术指标要求如下:
  ( 1) 对现场空气温度湿度,土壤基质温度湿度,光照强度进行实时的数据采集、数据信号处理、数据分析。数据采集时延< 3min,数据精度达到10 位,根据农作物实际生长情况,温度控制精度< 3℃,湿度控制精度< 10% RH 。
  ( 2) 建立使用可扩展的主从控制器通信机制,准确通信距离可达1. 2km。
  ( 3) 使用可学习、自适应的控制机制,实现精确控制。
  ( 4) 整套系统可以在0%—100% RH 的湿度范围内可靠使用10 年以上。
  ( 5) 温度年漂移量< 0. 1℃ ,湿度年漂移量< 1% RH。
  1 方案设计和器件选型
  1. 1 方案设计
  根据项目和具体的技术指标需求,下位通信选用RS - 485 通信协议,RS - 485 是双向、半双工通信协议,符合真正多点通信网络要求,并且它规定在一条单总线( 2 线) 上支持32 个驱动器和32 个接收器。有些RS- 485 收发器可修改输入阻抗以便允许将多达8 倍以上的节点数连接到相同总线。由于性能优异、结构简单、组网容易,多站互连时可节省信号线,便于高速、远距离传送。
  为保证温室控制系统可靠性,将系统设计为三级主从控制系统。以ARM 系列单片机为中间主控制器,模块化下位的数据采集和控制单元以便于系统的扩展。上位服务器直接面向网络,保存下位采集数据。选用主控器自带TCP /IP 功能与服务器通信,自带RS485 通信功能连接下位数据采集与控制单元。具体结构如图1 所示。
   1.jpg
  图1 系统结构图
  1. 1.1 采集器功能
  ( 1) 及时可靠地采集温室现场中温室温度、湿度,土壤温度、湿度,光照强度数据。
  ( 2) 对数据作初步的采集处理以及两次完全采集存储。
  ( 3) 接受判别主控制器指令,传递数据。
  1. 1.2 控制器功能
  ( 1) 识别主控制器控制指令。
  ( 2) 执行控制指令。
  1. 1.3主控制器功能
  ( 1) 测量数据采集和监测
  通过485 串口与测量终端通信,收集测量终端监测的温室环境指标。如果终端测量到的数据超出了预设的环境参数指标,由主控制器实现监测报警,提醒观测人员注意温室环境超出指标范围。
  ( 2) 测量数据存储和传送
  把各终端的数据存储于主控制器的外插的SD 卡中,要求能够存储一个月以上的各终端测量数据。也可以通过以太网与任意联入局域网的PC 机通讯,将存储数据传送到PC 机上保存。
  ( 3) 以太网通信
  主控制器与服务器之间利用以太网通信,选择的主控制器上需要带有以太网接口,实现以太网通信,系统具备TCP /IP 协议栈,能够在TCP 和UDP 协议层上构建应用层网络通信,HTTP 网页服务器功能,TFTP、FTP 文件传输功能。
  ( 4) 终端控制
  主控制器控制测量终端的测量特性,设置环境参数采样间隔,参数指标阈值等。根据检测数据和控制目标及时的完成控制理论计算。向下位控制器发送控制指令。要求主控制器具备现场操控,和远程操控两种操作方式。既可以由现场操作主控制器查看终端测量数据,又可以以主控制器作为WEB 服务器,在服务器提供的网页中显示测量数据,并在网页中加入CGI 功能,用户可以通过网页实现远程控制。
1. 1.4 服务器功能
  ( 1) 网络示范网站服务器,存储下位采集控制数据炼化完善专家控制系统。
  ( 2) 与各主控制器的网络通信。
  1. 2 传感器选型
  依据技术指标需求,选取各传感器件如下所示。
  ( 1) PTS - 2 环境湿度传感器
  供电电压4VDC; 湿度范围0 ~ 100%; 湿度分辨率0. 1% RH; 输出范围1 ~ 4VDC; 准确度± 2% ( T >0℃) ; 稳定性小于1%RH/年工作电压:
  ( 2) 环境、土壤温度传感器DS18B20
  支持“一线总线”接口,测量温度范围为- 55°C ~ + 125°C,在- 10 ~ + 85°C 范围内,精度为± 0. 5°C。
  DS18B20 的精度误差为± 2°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
  适合于恶劣环境的现场温度测量,如: 环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
  ( 3) TDR - 3 型土壤水分传感器
  TDR - 3 型土壤水分传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤湿度的传感器。
  其技术参数为: 量程: 0 ~ 100% ( m3 /m3 ) ; 精度: 0 ~ 50% ( m3 /m3 ) 范围内为± 2% ( m3 /m3 ) ; 测量区域:
  90%的影响在围绕中央探针的直径3cm、长为6cm 的圆柱体内; 稳定时间: 通电后约10 秒; 响应时间: 响应在1 秒内进入稳态过程; 工作电压: 4. 5 ~ 5. 5 VDC,典型值5. 0 VDC; 工作电流: 50 ~ 70mA,典型值60 mA; 输出信号: 0 ~ 2. 5V; 密封材料: ABS 工程塑料; 探针材料: 不锈钢; 电缆长度: 标准长度5m,最大长度20m。
  ( 4) TBQ - 6 型光照强度传感器
  TBQ - 6 型室内光强度传感器采用先进的电路模块技术开发变送器,用于实现对环境光照度的测量,输出标准的电压及电流信号,体积小,安装方便,线性度好,传输距离长,抗干扰能力强。可广泛用于环境、养殖、建筑、楼宇等的光照度测量,量程可调。
  其技术参数为: 量程: 0 - 200Klux; 供电电压: 24VDC /12VDC; 波长测量范围: 380nm - 730nm; 输出信号:
  4 - 20mA; 精度: ± 5%; 工作环境: 温度﹣30 - 60℃,湿度0 - 90% RH。

  1. 3 控制器选型
  1.3.1 采集器选择
  下位采集器选用C8051F350,理由如下:
  ( 1) C8051F350 器件是完全集成的混合信号片上MCU 芯片。内部有一个具有在片校准功能的全差分24 位模/数转换器( ADC) 。两个独立的抽取滤波器可被编程到1KHz 的采样率; 可以使用内部的2. 5V 电压基准,也可以用差分外部基准进行比率测量[3]。
  ( 2) C8051F350 包含一个扩展的中断系统,支持12 个中断源,每个中断源有两个优先级。中断源在片内外设与外部输入引脚之间的分配随器件的不同而变化。每个中断源可以在一个SFR 中有一个或多个中断标志。
  ( 3) C8051F350 系列MCU 内部有一个SMBus /I2C 接口、一个具有增强型波特率配置的全双工UART 和一个增强型SPI 接口。每种串行总线都完全用硬件实现,都能向CIP - 51 产生中断,因此需要很少的CPU干预。便于和RS485 总线接口通信。
  1.3.2 控制器选择
  下位控制器选用C8051F310,理由如下:
  ( 1) C8051F310 具有17 个端口I /O; 均耐5V 电压,大灌电流。被选择作为数字I /O 的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。有4 个通用16 位计数器/定时器,与标准8051 的计数器/定时器相比,它具有更强的功能并且需要较少的CPU 干预。每个捕捉/比较模块都可以高速输出或者8 位或16 位脉冲宽度调制器。这些功能保证了作为控制器的有效输出控制继电器[4]。C8051F310 扩展的中断系统向CIP - 51 提供14 个中断源,允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。C8051F310 包含16KB 的FLASH 程序存储器,满足使用。
  ( 2) C8051F310 系列MCU 内部有一个SMBus /I2C 接口、一个具有增强型波特率配置的全双工UART 和一个增强型SPI 接口。每种串行总线都完全用硬件实现,都能向CIP - 51 产生中断,需要很少的CPU 干预,便于和RS485 总线接口通信。
  ( 3) C8051F310 扩展的中断系统允许大量的模拟和数字独立工作,在需要时才中断控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU 干预,有更高的执行效率。它包含8KB 的FLASH 程序存储器,满足使用。
  2 温室控制系统硬件设计
  硬件系统设计尽可能选择典型电路,并符合单片机的常规用法,为硬件系统的标准化、模块化打下良好基础。硬件结构结合应用软件方案一并考虑,硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑的原则是: 软件能实现的功能尽可能由软件来实现,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的功能,其响应时间要比直接用硬件实现来得长,而且占用CPU 时间。因此,选择方案时,要考虑到这些因素,整个系统中相关的器件要尽可能做到匹配。
  2. 1 电源电路设计
  电源电路的主要功能是提供采集模块和控制模块的芯片电能供给。需求有单片机所需数字电压3. 3v,传感器所需电压5v、12v。以及模拟保护电压3. 3av。具体电路如图2 所示。
   a17.jpg
  图2 电源设计电路图

2. 2 RS -485 通信接口电路设计
  RS - 485 接口电路的主要功能是将来自微处理器的发送信号TXD 通过“发送器”转换成通讯网络中的差分信号,也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RXD 信号。任一时刻,RS - 485 收发器只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一,因此,必须为RS - 485 接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。在实际应用中,电路中光耦器件的响应速率将会影响RS - 485 电路的通讯速率。因而,可根据具体需要选用响应速度较快的光耦器件6N136。6N136 是日本东芝公司生产的具有优良特性的光电耦合器件,封装了一个高度红外发光管和光敏三极管。6N136 具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL 逻辑电平兼容等优点。具体电路如图3 所示。
   a18.jpg
  图3 RS - 485 接口电路图

  3 系统硬件抗干扰设计
  在硬件电路的干扰主要有信号线相互之间的串扰,多点接地造成的电位差,寄生震荡,元件热噪声,触点电势的影响,相邻回路之间的耦合,数字地和模拟地的影响等。本系统中主要在以下的几个方向进行具体的硬件抗干扰设计。
  3. 1 电源
  电源的抗干扰设计是系统硬件抗干扰的关键。电源做得好,整个电路的抗干扰就解决了一大半。因采集单元和控制单元的功耗较小,对于需求的12V、5V、3. 3V 的直流电源都选用高性能的常用直流电压转换芯片实现。且对三级电压需求逐级串联用极性电容稳压,这样得到的3. 3V 稳压电源性能更好。系统选用的工作电压需求在2. 7V - 3. 6V 的单片机提供高质量直流电源,以减少电源噪声对单片机的干扰。结构如图4所示。
   a19.jpg
  图4 电源结构图
  3. 2 接口电路
  接口电路的抗干扰,主要是抑制干扰源,即尽可能减少干扰源的du /dt 和di /dt。减小du /dt 最有效的方法是在干扰源的两端并联电容,而减小di /dt 则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管等。
  ( 1) A/D 输入通道
  A/D 输入通道并接RC 吸收电路,以消除干扰源的du /dt 影响。因采集单元的A/D 转换基准电压选用3. 3v。设计时使用二极管分别接通3. 3v 和大地以进行限幅保护。通过接地以获得准确的测量值。具体电路如图5 所示。
   a20.jpg
  图5 A/D 转换接口电路
  ( 2) 继电器控制输出
  控制继电器应消除线圈断开时的反电势干扰,系统设计使用光耦隔离来抑制继电器可能引发干扰的侵入。光电耦合是一种光电结合器件,输入端是发光器件( 发光二机管) ,输出端由光接受器件( 光敏三极管)组成。当工作电流达到发光二极管工作电流时,二极管将电信号转换成光信号,光敏三极管接收发光二极管发出的光信号,并将它转换成电信号,整个传输过程是通过一种电—光—电的转换完成的,在电路上是完全隔离的。系统设计继电器隔离通道如图6 所示。
   a21.jpg
  图6 继电器隔离通道
 3. 3 电路板设计
  合理设计系统电路板,能有效地切断干扰的传播途径和抑制干扰源,同时还可以提高敏感元件( 如单片机、数字IC、A/D、D/A 等容易被干扰的对象) 的抗干扰能力[7]。本系统设计主要采取如下措施:
  ( 1) 电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号分区。尽可能使干扰源远离敏感元件。大功率器件尽量布置在电路板的边缘。
  ( 2) 布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声; 电源线和地线要尽量粗,除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。
  ( 3) 不用的单片机管脚,一律通过上拉电阻接电源。
  ( 4) 晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。
  ( 5) 用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后接于电源地一点汇集,呈“星形”状。
  ( 6) 信号线的截面按压降的原则来选择。测控装置的信号线中传输的多是弱电流信号,信号线上尽管电流不大,但一般都较长,如果线径过细,势必造成压降过大。利用电路板空间,系统中选择较大直径布线。
  4 结束语
  根据温室智能控制系统设计功能需求,设计系统三级控制结构。依据系统技术指标选择合适的温室参数传感器、数据采集器和控制器,分析通信功能选择RS485 通信协议。确定硬件电路以及抗干扰措施,确保系统功能。

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qaz098xsw|  楼主 | 2019-5-12 13:21 | 显示全部楼层
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condition| | 2019-5-14 20:05 | 显示全部楼层
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