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。 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。 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。 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。 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。 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。 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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