式温室大棚设计.doc

新式温室大棚毕业设计论文1、概述1.1现状我国人多地少，人均占有耕地面积少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能的，要用新的方法来提高单位亩产量，温室大棚技术就是其中的一个好的方法。 温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的限制。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益，温室大棚技术越来越普及。成为农民增收的主要手段。1.2现有温室大棚的缺点随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制成为一个难题。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低，如果过高，就对大棚进行降温处理，如果过低就升温，就对大棚进行升温。这些操作都是在人工情况下进行的，这些都浪费了大量的人力物力，对于大棚数量很多来说，是面临的一个难题。现在，随着农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。1.3改进办法虚拟仪器技术越来越完善，所以，选用虚拟仪器来改善大棚的温度控制系统。本系统LabVIEW虚拟仪器编程，通过对前面板的设置来显示温室大棚内的温度，并进行报警，进而对大棚内温度进行控制。本系统有单片机，温度传感器，串口通信，和计算机组成。计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等；温度传感器是对大棚内温度进行测量，显示；单片机是对温度传感进行编程，读去温度传感器的温度值，并半温度值通过串口通信送入计算机；串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输作用。其原理图如图11所示。需要做的工作就是进行计算机编程，和单片机编程，使传感器工作，并进行温度控制。大棚温度传感器单片机计算机RS-485通信 图1 温室大棚温度控制系统Fig.1 Temperature control system of large canopy of greenhouse 本系统能够对大棚内的温度进行采集，然后再进行比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统将进行报警，来通知管理人员大棚内的温度超过限制，大棚内的温控系统出现故障，从而有利于农作物的生长，提高产量。本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况，从而进行控制。在涉及本系统中，需要对LabVIEW进行学习，然后设计系统的前面板，对温度传感器进行选择，对单片机和通信标准进行选择和设计，由于本系统侧重软件部分，所以，硬件部分的程序忽略不写。2、虚拟仪器程序设计2.1虚拟仪器介绍2.1.1仪器的发展概况仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。电子测量仪器发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、智能仪器、个人仪器、虚拟仪器的发展阶段。由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心地位。计算机软件技术和测试系统更加紧密的结合趁一个有机整体，导致仪器的结构概念和设计观点的也发生突破性的变化。在上述的背景下，出现了新的仪器概念虚拟仪器1。2.1.2、虚拟仪器所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用的计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，其实只是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。（1）、虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的；虚拟仪器前棉班是外形与实物相象的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”、等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。（2）、虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。虚拟仪器是在一PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功能的。因此，可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能。2.1.3虚拟仪器的特点1、 传统的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示和操作元件，易导致许多识别与操作错误。虚拟仪器可以通过在几个分面板撒谎感的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类和形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。2、 在通过硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完趁一起的功能。3、 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。4、 仪器性能的改进和功能的扩展只需更新相关的软件设计，而不需要购买新的仪器。5、 研制用期较传统仪器大为缩短。6、 虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其他周围设备互联2。 2.1.4虚拟仪器的功能和基本工作原理 1、虚拟仪器的功能： （1）、信号调理和采集功能； （2）、数据分析和处理功能； （3）、参数设置和结果表达。 2、虚拟仪器的基本工作原理 虚拟仪器完成上述三大功能的原理框图如图2-1所示仪器驱动程序（机-机接口）用户接口（人-机接口） 被测对象调理、采集激励检测软件计算机及附件（控制、处理）用户键盘显示读出键入 图2-1虚拟仪器原理功能图 Fig2-1 Principle functional diagram of VI 工作构成如下：首先，用户通过虚拟仪器面板设置好仪器功能，量程，频段等工作参数后，启动仪器进行测量。在计算机控制下，被测对象经仪器部分的调理和采集后，变成数据，再经过计算机处理，其结果送显示，由用户读取或打印输出。因此，虚拟仪器的基本组成应包括： 1、用户（人-机）接口部分 此部分完成参数设置和结果显示等人-机对话功能。其硬件有鼠标、键盘、显示器、打印机、绘图仪等，其软件有用户界面。 2、信号（机-机）接口部分 此部分完成信号调理和数据采集功能。它的硬件主要由测量仪器的模拟电路为主构成。由于被测对象是各种各样的，有点或非电的物理量、化学量、生物量等，由于这些被测对象千差万别，因此，在采集前通常要进行非电量到电量的变换（各式传感器）、幅度（放大、衰减）、频率（混频、检波、滤波）、阻抗（高阻、低阻、匹配）、隔离、激励（交直流源、恒压恒流源）等各种调理，使其到采集板时为归一化的模拟电信号，最后再由采集板进行A/D转换。此外，信号接口部分通常还含D/A变换，定时/记数、数字I/O等功能模块。这部分的软件称为仪器（或设备）驱动器。 3、控制与处理部分 此部分硬件包括各种高性能的计算机（笔记本机、PC机、工控机、工作站等）及附件。起软件为控制、分析、处理程序。2.2LabVIEW语言 LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司（简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广，发展最快，功能最强的图形化软件开发集成环境。 LabVIEW软件的特点如下：1、 具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。2、 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。3、 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，是程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。4、 32位的编译器编译生成32位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。5、 囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪器。6、 提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL（动态链接库），DDE（共享库），Activex等。7、 具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络远程测控仪器的开发3。虚拟仪器和传统仪器的比较传统仪器：仪器厂商定义、硬件是关键、价格昂贵、技术更新慢（510年）、封闭系统、规模、功能固定、开发维护费用高、功能单一，维护不便。虚拟仪器：由用户自己定义、软件是关键、价格低、可重复使用、技术更新快（12年）、开放系统，可方便的同外设、网络等连接、规模、功能可任意修改、增减、开发维护费用低、智能化、多功能、远距离传输7。在虚拟仪器系统中，硬件是用来解决信号的输入和输出，软件是整个仪器系统的关键。虚拟仪器棉班空间对应着软件程序，这些软件已经设计好了，使用时用户只需将代表该种软件程序的图形控件防在窗口中相应的位置，然后把所有的图标连起来，就组成了一个虚拟仪器系统。虚拟仪器综合运用了计算机软件技术、智能测试技术、摸板及总线标准化技术、数字信号处理技术、图形处理技术以及高速专用集成电路制造技术等，是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件与软件平台上的一个完全开放的系统。由于虚拟仪器具有以上优点，所以，温室大棚的温度控制系统采用了虚拟仪器语言来设计系统的前面板。2.3温室大棚的虚拟仪器设计系统温室大棚的虚拟仪器设计分为3个部分，登陆部分、大棚序号显示部分、各个大棚的温度显示报警控制部分。下面分别叙述其功能。2.3.1登陆面板登陆面板如图22所示，框图程序如图23和图24所示。如图所示，如果输入正确的用户名和密码，点确定，将进入虚拟仪器温室大棚温度测控系统；如果输入的用户名和密码错误，将无法登陆虚拟仪器温室大棚温度测控系统。如过输入用户名和密码后，不想进入本系统，点取消键将退出本系统。其框图程序分为两部分，结构为事件结构，当程序运行时，点击确定或取消，就能进入或退出系统。事件结构使LabVIEW具有了事件驱动的能力，这些事件包括鼠标事件（单击、双击等）、键盘事件、选单事件、窗口事件（如关闭窗口）、对象的数值变化等。这给用户的编程带来了很大的方便。事件结构由框架、超时端口、时间数据节点、递增/递减按钮和选择器标签组成。事件结构能够响应的事件有两种类型：通告事件和过滤事件。通告事件通知LabVIEW一个动作发生，例如用户改变了一个控件的值。过滤事件用来控制用户界面的操作。当没有任何事件发生时，事件结构就会处于休眠状态，直到有一个或多个预先设定的事件发生时，事件结构才会自动苏醒，并根据发生的事件执行用户预先设定的动作。图22登陆面板Fig2-2 Land the panel 事件结构的特点如下： 1、使用Mechanical Action属性为Latch的布尔控件来触发事件。 2、在一个事件结构中使用多个子框架处理相同事件。 3、使用一个事件结构子框架处理多个通告事件。 4、使用一个事件结构子框架处理多个过滤事件。 5、使用事件结构处理用于循环控制的布尔控件。 6、使用事件与使用Wait for Front Panel Activity节点。 7、事件结构只响应用户交互操作引发的事件。 8、避免在同一个循环中使用两个事件结构。图2-3 登陆框图程序确定的框图程序Fig2-3 Land the block diagram procedure- Procedure of block diagram confirmed 图24登陆框图的取消程序框图 Fig 2-4 Land the cancellation procedure block diagram of the block diagram2.3.2温室大棚界面 其大棚界面前面板如图25所示。其中一个大棚的子程序框图程序如图26所示。当大棚内温度过高或过低时，大棚号会显示出红色，并出现“温度报警”的字样，这是，点击1号大棚，会出现1号大棚内的子程序前面板，显示温度值等数据，具体介绍在后面给出。2号大棚的设计和一号大棚类似，不在介绍。1号大棚的程序框图如图26所示，“OK”为布尔按钮，其值为1和0，1为真，0为假。通过设置，能改变按钮的属性。框图为选择结构的一种，其输入为“Ture”和“False”两种，当输入为Ture时，为真，显示Ture框架里的内容，当为“False”时，显示False内的 图25 温室大棚的前面板Fig2-5 Board in the front in the large canopy of the greenhouse 图26 1号大棚的子程序框图Fig2-6Subprogram block diagram of the large canopy of the 1st内容。图中程序执行的步骤为：当按下按钮时，其值为Ture，程序执行其内容。在本框图中，False框架内的内容为空，忽略不计，所以没有显示。最基本的选择结构由选择框架、选择端口、选择器标签，以及递增/递减按钮组成。选择结构比较灵活，输入选择端口中的外部控制条件的数据类型有3种可选：布尔型、数字型和字符串型。当控制条件为布尔型时，选择结构的选择器标签的值为Ture和False两种，即有Ture和False两种选择框架，这是系统的默认的选择框架类型。当控制条件为数字型时，选择结构的选择器的选择器标签的值为整数0、1、2等，选择框架的个数可根据实际需要确定，在选择框架的右键弹出选单可天家选择框架。当控制条件为字符串型时，选择结构的选择器标签的值为由双引号括起来的字符串，选择框架的个数也是根据实际需要确定的。但是，在使用选择结构时候，控制条件的数据类型必须与选择器标签中的数据类型一致。二者如果不匹配，系统回报错，同时，选择器标签中的字体的颜色会变为红色8。在VI处于编辑状态时，用鼠标（对象操作工具状态）单击递增/递减按钮可将当前的选择框架切换到前一个或后一个选择框架；用鼠标单击选择器标签，可在下拉选单中选择切换到任一个选择框架。 选择结构有很多特点，其主要特点是，当外部数据连接到选择框架上供其内不节点使用时，选择结构的每一个子框架都能从该通道中获得输入的外部数据；当选择结构内部的数据需要通过框架通道送至外部时，必须在每一个子框架中都连接一个同数据类型的数据到同一个框架通道上。2.3.3单个大棚的温度测控系统 单个大棚的温度测控系统前面板如图27所示。下面分别叙述其个部分的功能。 （1）、温度实时图 在虚拟仪器中，波形显示控件主要分成两大类，一类为事后记录图，或事后记录波形控件；另一类称为实时趋势图，或实时趋势波形控件。这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两者数据组织方式及波形的刷新方式不同。对于事后记录图来说，它的基本数据类型为数组，也就是其显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成的；而实时趋势图则是实时显示一个或几个测量数据，而且新接受数据点要接在原有波形的后面连续显示。她的基本数据类型是数据标量，也可以是数组。即使是数组，实时趋势图的方式也是连续不断地 一个数组接着一个数组显示，而不是一次显示完成。 实时趋势图控件的输入是一个双精度浮点数。实时趋势图控件一次可以接收一个点的数据，也可以接收一组数据。在实时趋势图控件中，它的数据只不过是代表一条波形上的几个点。在实时趋势图控件内，设置了一个显示缓冲器，用来保存一部分历史数据，并接收新数据。这个缓冲区的数据存储按照先进先出的规则管理，它决定了该控件的最大显示数据长度。在默认情况下，这个缓冲的大小为1KB，即最大的数据显示长度为1024个。实时趋势图控件适合用在实时测量中的参数监控3。 图27 温室大棚的温度测控系统Fig2-7 The temperature of the large canopy of the greenhouse observes and controls the system 在波形显示控件中，可以对波形显示进行属性设置，如调整X、Y轴的坐标，对波形进行清空等，另外，还可以对图形的外观、数据格式和精度、线型、刻度、光标进行设置。在波形显示控件中的工具可以对波形进行自动缩放、数字标度设置、对图形进行拖动等工具。实时趋势图除了具有上述功能外，还具有本身的特点。 1、数字显示实时趋势图控件是以一次一个点或几个点的方式来接收数据的 。在右键弹出选项总，有一个数字指示器，这个指示器直观地显示了最新显示的一个数据的大小。如果有多条波形，则每条波形都可以有一个对应的数字指示器。2、滚动条实时趋势图控件有一个数据缓冲区。如果要显示滚动条，在右键弹出的选项中选取，当这个选项有效时，实时趋势图控件可以用一个滚动条来查看缓冲区内前后任何位置的一段数据波形。3波形刷新方式在实时趋势图空间中，有3中不同的波形刷新方式，可以刷新波形。4多层图在默认条件下，实时趋势图控件将在相同的纵坐标下显示多条波形曲线。如果这些测量信号的大小范围相差比较大或是显示量纲不同，那么，在相同的纵坐标下，就可能出现信号显示不匹配的情况。针对这种情况，实时去世土控件专门提供了多层图选项，允许不同信号在不同的纵坐标设置下显示。当选项有效时，每个波形的Y轴值旧可以单独设置，但X轴的设置是共用的。5、历史记录长度该选项用语设置缓冲去的大小，默认值 1024点的浮点数。缓冲区越大，保留的历史数据越多。但也要注意实际系统的物理内存大小，否则将引起系统性能的下降。（2）、时间显示在虚拟仪器语言中，有字符串节点，其中有时间字符串的格式化节点。在此节点中，输入相应的字符串，就能在前面板上显示出当前的时间。其前面板如图28所示。框图程序如图29所示。 在字符串节点中，包含以下集中用法： 1、字符串合并； 图28 时间显示前面板Fig2-8 Board time showing in the front 图29 时间显示框图程序Fig2-9 Block diagram procedure of time showing 2、字符串分离； 3、子字符串的提取； 4、时间字符串的格式化； 5、字符串的大小写转换； 6、数值与字符串的相互转换； 7、字符串的比较； 8、字符串与ASCII码值的转换3。 在此设计中，用到了While循环，下面介绍一下次循环。 当循环次数不能预先确定时，就用到While循环。While循环也是虚拟仪器语言最基本的结构之一。 最基本的While循环由循环框架，重复端口，以及条件端口组成。 重复端口的初始值为0，每次循环的递增步长为1。但是，在LabVIEW中，重复端口的初始值和步长是固定不变的，如果要用到不同的初始值和步长，可对重复端口产生的数据进行一定的数据运算。 条件端口用语控制循环是否继续进行，当每一次循环结束时，条件端口便会检测通过数据连线输入的布尔值，并根据输入的布尔值和其使用状态决定是否继续执行循环。 While循环执行的是包含在循环框架中的程序，但循环次数却是不固定的，只有当满足给定的条件时，才停止循环的执行。 （3）温度显示 在本系统中，能够显示当前温度值和温度报警等功能。当前温度显示由温度计和数字输出组成，能够显示出当前大棚内的实时温度值，能够从温度计和数字输出（实时温度值）读出数据。 （4）温度管理 在温度管理中，可以对大棚内的温度上下限进行设置，然后把从传感器送近来的温度值和上下限进行比较，如果当前温度高于温度上限，则温度过高指示灯亮，如果当前温度低于温度下限，则温度过低指示灯会亮。起结构为比较结构，和循环结构。把当前温度和温度上下限进行比较，在把比较结果送到循环结构的条件端口，当条件满足时，循环开始，执行循环内的程序；当条件没有满足时，循环停止。两个循环都不满足时，温度在上下限范围内，两个指示灯都不亮。在循环内部，把由循环框架送进来的数据和温度上下限进行比较，得出应该上升和下降的温度。从而得知大棚内温度情况。 大棚内温度测控系统的部分框图程序如图2-10所示。 图2-10 温室大棚温度测控系统的部分框图程序Fig 2-10 The temperature of large canopy of the greenhouse observes and controls some block diagram procedures of the system （5）、 传感器状态信息 传感器状态信息是反映出大棚内各个传感器的状态，如传感器出现故障，历史传感器的数据等，通过此面板，可以看出大棚内传感器是否正常工作。如出现故障，可以及时发现，并进行处理。 （6）、各个按钮的作用 1、设置 此按钮作用是对系统进行设置，初始化，如设置温度上下限等。 2、数据刷新 此按钮用来刷新数据，把温度实时图的图像刷新，在程序运行过程中，如果点此按钮，将把温度实时图的图形清除掉，重新开始显示。 3、数据保存 在一般的实时系统中，都有数据保存按钮。当程序运行时，需要保存数据的时候，按下数据保存按钮，就能把从现在开始的数据保存到指定的文件中。 4、数据查询 在系统中，有时候要对以前的历史数据进行查询，以便分析大棚内的温度变化情况，数据查询按钮这是为此设置的。当程序运行的时候，需要查询以前的数据，按下此按钮，便可以出现以前的数据，以便查询8。 5、数据打印 有些时候，保存下来的数据需要打印出来，此按钮这是完成这个功能。当程序运行时，需要把数据打印出来，按下此按钮，与电脑相连的打印机便会把数据打印出来，以供查询。 6、停止 当程序正在运行时，需要终止程序的运行，按下停止按钮，程序便终止，不在运行。 7、返回 当大棚内温度达到正常时候，点返回按钮，便返回到上一程序，结束本程序的显示。 这是大棚温度测控系统的前面板显示。另外，由于计算机和单片机的通信距离比较远，而并行通信的传输距离和抗干扰力比串行通信弱，所以在此单片机和计算机的连接采用串口连接，因此要对串口通信进行编程。 串口通信分为串口读和串口写，下面分别介绍其框图程序以及前面板的设计方法。首先介绍串口读程序。 在虚拟仪器语言中，有能够对串行口通信进行读的节点。串行通信节点分为6种，分别实现初始化串口、串口写、串口读、检测串口缓存、中断以及关闭串口等功能。在利用计算机控制串口一起设备时，经常会用到初始化串口节点。在进行串行通信前，首先要配置好串口，也即先初始化串口，使计算机串口的各种参数设置与仪器设备的串口保持一致，这样才能够正确的通信。在初始化节点中，能够对串口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验、流控制、激活终止符、终止符、超时、复制的串口好进行设置。如果不进行设置，系统将按照默认值进行设置。 下面为串口读的前面板程序和框图程序。 图2-11 串口读程序前面板Fig2-11 One bunch of mouths is read the procedure front board 图2-12 串口读框图程序Fig2-12 One bunch of mouths is read the block diagram procedure 此程序为串口读的程序，在程序中，先对串口进行初始化，由于有的串口不设置系统有默认值，所以只对串口号，波特率，接受的数据字节数进行了设置。由框图程序可以看出，程序采用了顺序结构和While循环，当程序运行时，先询问是否继续串口读操作，点 2-12 串口初始化前面板Fig2-12 One bunch of mouths initializes the front board2-13串口初始化框图程序Fig2-13 One bunch of mouths initializes the block diagram procedure确定后，继续操作。先写串口，然后在写入这次接受的数据字节数，在读串口输入的文字，最后关闭文件。在程序中，把串口输入的数据用实时图表示出来，显示输入的数据，再在数据缓冲区显示出来。 下面为串口初始化前面板和框图程序。 在串口初始化设置中，波特率选择有多种，其中默认值为9600，在串口号选择中默认值为COM1数据位参数默认值为8位，停止位参数为1bit，奇偶校验默认值为无校验。对串口进行设置，可以按照用户的意图设置。 在虚拟仪器语言中，串口写程序前面板如图2-14所示，框图程序 图2-14 串口写前面板Fig2-14 One bunch of mouths is written with the front board 图2-15 串口写框图程序Fig2-15 One bunch of mouths is written with the block diagram procedure如图2-15所示。以上为虚拟仪器温室大棚测控系统各部分的作用，原理，其综合作用就是通过串口读程序，把从单片机送来的数据读入程序之中，在把数据与给定的温度上下限进行比较，得出结果，进行报警和得出应该上升或下降的温度值；在通过按钮，对系统进行存储、打印、查询等。通过登陆界面，来登陆本系统，如果不是管理员，用户名和密码错误，就不能登陆本系统。在大棚号界面，当温度超限时，大棚号将自动变红，来提醒操作人员，此大棚温度超限。这是虚拟仪器界面完成的功能。 3、硬件电路的设计3.1组成由于系统要对温度进行测量和控制，在大棚内部，对温度进行测量，并对温度进行控制。由于智能温度传感器DS18B20既集能对温度进行测量，又能控制温度，并对温度值能够把二进制转换成十进制，所以设计系统选用此智能温度传感器。由于AT89系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，单片机选用AT89C2051。在数据传输方面，由于从大棚到计算机的距离较长，所以选用RS-485通信作为数据传输。 硬件电路由单片机、温度传感器、RS485串口通信和计算机组成。其中温度传感器选用DS18B20智能温度传感器，作用是采集大棚内的温度，并进行判断。单片机主要是对DS18B20进行编程，使起进行温度测量和控制温度，并对RS485通信进行编程，是数据传入计算机。3.2温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能过直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和2位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以想所挂接DS18B20供电，而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。DS18B20采用了3脚PR35封装或8脚SOIC封装，引脚排列如图31所示。 I/O为数据输入/输出端（即单线总线），它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选用的外部电源端，不用时接地，GND为地，NC空脚。DS18B20的性能特点（1）、DS18B20的供电电压范围为3.0-5.5V。当在-10+85范围内，可确保测量误差不超过0.5，在-55+125范围内，测量误差也不超过2。（2）、DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93.75ms。（3）、具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁。但此时芯片无法正常工作。图31 DS18B20的管脚排列Fig3-1 The foot of the tube of DS18B20 is arranged（4）、适配各种单片机或系统。（5）、采用DALLAS公司独特的“单线总线”专有技术，通过串行通信接口（I/O）直接输出被测温度值（912位二进制数据，含符号位）。（6）、内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码（CRC）之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。（7）、用户可自设定非易失性的报警上下限值。（8）、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温4。单线接口64位ROM和存储器与控制逻辑高速缓存温度传感器高温触发器Th低温触发器Tl配置寄存器8位CRC发生器电源检测GNDI/OC 图32 DS18B20的内部结构Fig3-2 Inside structure of DS18B20DS18B20主要包括7部分：1、寄生电源；2、温度传感器；3、64位激光（loser）ROM与单线接口；4、高速暂存器，即便筏式RAM，用于存放中间数据；5、TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值；6、存储和控制逻辑；7、8位循环冗余校验码（CRC）发生器。其内部结构框图如图22所示。DS18B20的初始化和读温度程序流程图、启动温度转换及读温度值流程图如图3-3、3-4、3-5所示； 图3-3 DS18B20的初始化流程图Fig3-3 Initializing the flow chart of DS18B20 图3-4 DS18B20的工作流程图Fig3-4 Job flow chart of DS18B20图3-5启动温度转换及读温度值Fig3-5 Start temperature and change and read temperature value3.3RS485通信设计 在计算机领域内，有两种数据传送方式：串行传送和并行传送。 并行数据传送是数据在多条并行1位宽的传输线上同时由源到目的。串行数据传输是数据在单条1位宽的传输线上，1比特1比特的按顺序分时序传送。虽然串行传输在短距离上传输速度慢，但在长距离传输上快于并行传输，且在传输距离，信号衰减与放大、费用上明显优于并行传输。由于从大棚到计算机的距离较长，基于以上原因，选用串行传输。 数据的连通方式分为3种： 1、单向数据通道。它仅能进行一个方向的数据传送。即A只能作为发送器，B只能作为接收器。数据只能A传送B。 2、半双工数据通路、 它能交替地进行双向数据传送，即A可以作为发送器，也可以作为接收器，设备B也是如此。数据可以从设备A传送到设备B ，反之亦然。但是两设备之间仅有一根传输线。因此两个方向的数据传输不能同时进行，而只能交替进行。某一时刻A作为发送器，B作为接收器，数据流由A流向B。另一时刻，B作为发送器，A作为接受器，数据流由B流向A 3、全双工数据通路 A、B均可以既是发送器，又是接收器，两者之间有两根传输线。因此，它能在两个方向上同时进行数据传输，即A向B发送的同时，B也可以向A发送。显然，为了实现双工传输，两个传输方向的资源必须完全独立，即A和B必须具有独立的接受器和发送器。从A到B 的数据通路必须完全与从B到A的数据通路分开。这样，当A向B发送，B向A发送时，实际上使用两个逻辑上独立的单向传输线路11。 在串行通信中，有同步通信和异步通信两种方式，其具体论述如下： 同步方式为在数据之前加入某些表示传送开始的控制信号（一些二进制位或字罕），当接收一方收到这些表示传送开始的控制信息后，即把控制信息后面的内容作为数据接收下来。异步方式为以字符为单位传送数据的。每个字符前有起始位，表示字符开始，在字符结束时有停止位，表示字符结束。目前的通信标准有RD-232、RS-422、RS-485标准。其标准如下：RS-232串行接口标准目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。由于RS232接口标准出现的较早难免有不足之处，主要有以下四点：1、接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容，使用电平转换电路才能与TTL电路连接。 2、传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。 3、接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易昌盛共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4、传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右5。RS-422电气规定 RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s5。 RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。 针对RS232、RS-422的不足，于是出现了一些新的接口通信标准，RS485就是其中之一，它具有以下特点： 1、RS485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。 2、RS485的数据最高传输速率为10Mbps。 3、RS485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达1219米。另外，RS232接口在总线上只允许连接一个收发器，即单站能力。而RS485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，用户可以利用单一的RS485接口方便的建立起设备网络。 4、RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，即抗噪声干扰性好6。RS-485电气规定： 由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。因RS485接口具有良好的抗干扰能力，长距离传输和多站能力等上述优点，就使其成为手选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需2根线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座与智能终端。 3.4单片机的选择 单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机（以一大规模集成电路为特征）。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称7。 单片机的主要特点 1、具有优异的性能价格比。 2、集成度的、高、体积小、可靠性高。 3、控制功能强。 4低电压，低工耗6。 单片机的主要应用领域 由于单片机具有上述显著的特点，因此，其应用领域无所不至，在自动化装置、智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。下面举一些典型的应用领域。 1、工业控制 2、仪器仪表 3、电信技术 4、办公自动化和计算机外部设备 5、汽车和节能 6、制导和导航7、商用产品8、家用电器10。在单片机选用方面，选用ATMEL公司生产的AT89C2051，它是该公司生产标准型单片机，其主要性能如下：AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速存储器的8位单片机。其具有如下的一些特性： (1)指令与MCS-51芯片兼容； (2)内含2k字节的可编程闪速存储器； (3)工作电压范围：27V至6V; (4)全静态工作：0H-24MHZ； (5)内含128位RAM； (6)15条可编程控制IO线； (7)片内模拟电压比较器 (8)2个16位定时器计数器寄存器； (9)6个中断源； (10)可编程串行URAT通道； (11)直接LED驱动输出； (12)低功耗的闲置和掉电模式； (13)二级程序存储器加锁； (14)寿命：1000次写擦循环；(15)数据保留时间：10年9。其内部结构如图2-7所示。端口P1可以用作为8位双向IO引脚控制,P12至P17提供内部提升电阻，P10及P11则需要外加提升电阻，P10也作为内部模拟比较器的负端(AINI)输入，P1的输出缓冲器可以吸入20mA而直接驱动LED显示器，P16是比较器输出端。端口引脚P30-P35及P37可以作为7位双向IO引脚控制，并提供内部提升电阻，P36位用于内部比较器输出控制，无法做一般IO控制，P3口输出缓冲器可以吸入20mA电流。 图 3-7 AT89C2051引脚图Fig3-7 AT89C2051 pin picture XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器时可以配置为片内振荡器。 端口P1.6和P1.7分别接模数转换器件的SCL和SDA(SCL是串行端口的时钟输入；SDA是串行数据输出口)，用来保持大屏幕数据接收的实时同步控制。AT89C2051内部有19个专用寄存器。 AT89C2051含有2K字节闪存用来存放程序，与MCS-51体系结构完全兼容，可用MCS-51指令系统对其进行程序设计。然而，当我们用某些指令对AT89C2051进行程序设计时，一定要牢记某些特点。 因为AT89C2051内部只有2K字节程序存储器，所以所有跳转指令之目的地址必须落在该器件2K字节的程序存储器物理空间之内。例如：LJMP 7E0H指令有效，而LJMP 900H则无效。分支指令：LCALL、LJMP、ACALL、SJMP等无条件分支指令，只要保证它们的目的地址一定落在000H-7FFH范围内就可执行无误，超出物理空间的界限就会引起不可知的程序执行结果。CJNE、DJNE、JB、JNB等无条件分支指令，也须遵从上述规则、另外对于MOVX指令，AT89C2051不可外扩数据存储器，亦不可外扩程序存储器。故在程序中不应包括访问片外数据存储器的MOVX指令。通常汇编程序只顾汇编，不管它所翻译的这些指令是否违反上述规则，这就要求程序设计时在这方面特别注意。 AT89C2051片内存储器售后通常处于擦除状态，即每个地址单元内容均为FFH，人们可随时对其编程9。 掌握了单片机的编程特性并知道可编程模数转换芯片的具体操作要求之后，就可以对芯片进行初始化编程。3.5硬件综述以上DS18B20和单片机的电路图如图3-8所示。 图3-8 硬件电路Fig3-8 Hardware circuit 其功能就是把温度传感器DS18B20采集的温度值，经过求平均值后，通过显示装置显示出来，在把温度值通过RS-485送入计算机中，通过虚拟仪器进行测控。 其他部分 在大棚内部，又单片机和温度传感器构成的系统还有显示电路，其功能是把有温度传感器测得的温度值显示出来，然后判断当前温度与设定值的大小，当当前温度值不在给定范围内的时候，单片机发出温度控制信号，对温度进行控制。如果单片机或传感器出现故障，就把温度送入计算机，提醒工作人员几号大棚内出现故障，以便及时发现并排除故障。 参考文献1赵会兵 虚拟仪器技术规范与系统集成 第1版北方交通大学出版社。2003.82刘军华 基于LabVIEW的虚拟仪器设计 第1版北京电子工业出版社。2003.13杨乐平 LabVIEW程序设计与应用 第1版 北京 电子工业出版社 2001.74沙占友 智能化集成温度传感器原理与应用 第1版 北京 机械工业出版社 2002.65缴瑞山 韩全立 单片机控制技术及应用 第1版北京高等教育出版社 2003.76胡乾斌单片微型计算机原理与应用 第1版 武汉华中科技大学出版社 19977王仲生 智能检测与控制技术 第1版 西安 西北工业大学出版社 2002 8杨乐平 LabVIEW程序设计与应用 第1版 北京 电子工业出版社 20019于海生 微型计算机控制技术 第1版 北京 清华大学出版社 200010赵茂泰 智能仪器原理及应用 第1版 北京 电子工业出版社 1997 11胡瑞雯 智能检测与控制系统 第1版 西安 西安交通大学出版社 199112 TRUL97 Trulove,J.LANwiring.NEW YORK:McGraw-Hill,199713 XIAO99 XIAO,X.,andNi,L.“Internet QoS:A Big PICTURE” IEEE Network,March/April 1999- 34 -