石英
摘 要:针对智能温室育苗房PLC控制系统的需要,设计了一套基于单片机的智能温室育苗房环境参数采集系统。该系统以单片机为核心,通过控制传感器对温室育苗房内的温度、二氧化碳浓度、光照强度等参数进行多点采集,采集到的数据经过单片机运算、处理,然后以Modbus格式,通过RS-485总线上传至PLC系统,作为控制依据,并上传至PC机进行显示和数据存档。该系统已应用于黑龙江垦区的智能温室育苗房中,具有成本低、可靠性高、采集接口多、可传输距离远等优点。
关键词:智能温室育苗房 单片机 传感器 RS-485 PLC
中图分类号:TP273.3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)05(a)-0091-04
温室育苗技术可以有效降低病虫草害、抵御自然灾害,有利于提高幼苗的成活率和质量;解决了优质高产品种生育期长和无霜期短的矛盾,使优质高产品种的推广得到了可靠的技术保证,特别在寒冷期较长的北方,温室育苗技术得到广泛的应用[1-3]。传统温室育苗房主要依靠人工管理,成本高、效率低、数据缺乏科学性。为了方便、高效、科学化的管理,温室育苗房正向着智能化方向发展。智能温室育苗房PLC控制系统,主要包括环境参数采集和环境参数控制两部分,温室环境参数控制是建立在温室环境参数采集基础之上。PLC控制系统需要实时、准确的获取温室育苗房内的温度、湿度、光强、二氧化碳浓度等环境参数,然后控制相应的执行单元改变环境参数,进而确保温室内的环境适合幼苗生长。
该文针对PLC控制系统的需要,设计了一种以C8051单片机为核心的环境参数采集系统。该系统设有多种、多路传感器接口,可以通过外接传感器,对温室育苗房内的温度、二氧化碳浓度、光照强度等环境参数进行多点采集,采集到的数据以Modbus格式,通过RS-485总线上传至PLC系统,作为PLC系统控制执行单元的依据,并上传至PC端进行显示和数据存档。该系统具有成本低,可靠性高、采集接口多、可远距离传输等优点。
1 PLC智能温室育苗房环境参数控制系统
PLC智能温室环境参数控制系统主要由环境参数采集单元、PLC、PC机和执行单元5个核心部分构成。环境参数采集模块是对温室中的温度、二氧化碳浓度、光照强度等环境参数进行采集,为PLC控制系统提供温室环境中各项参数信息,作为控制系统启动执行机构相应设备的依据,是整个温室控制系统中关键的部分。PLC作为控制系统的核心,主要用于动态、实时监测温室内环境参数的变化,根据农作物生长的需求匹配参数,同时完成与上位机的通信。PC機是整个系统的监控终端,负责对温室环境信息进行显示与存档,将当前环境信息与适合农作物生长环境信息进行比对,发出相应命令,控制执行机构相应设备工作。执行机构包括很多可以改变环境参数的设备,如加热设备、降温设备、CO2生成设备等,其作用是负责执行监控终端发来的相应指令,运行相应的设备,进而改变环境中相应的参数。
2 环境参数采集系统硬件设计
环境参数采集系统硬件电路主要包括C8051F345单片机系统电路、传感器接口电路、RS-485电平转换电路、供电电路4个核心部分。温度传感器采用单总线数字输出的DS18B20,DS18B20自制成干湿球温度传感器,通过获取干湿球温度可以计算出相对湿度值。光照强度和二氧化碳浓度传感器,分别采用高灵敏度电流输出的GZD-AI-200000光照强度变送器和LCO2-AI-5二氧化碳浓度变送器。单片机采用工业级C8051F345芯片。C8051F345具有丰富的外设接口,内部集成了A/D模块、上电复位模块、时钟振荡器等功能模块,并具有64 KB片内Flash存储器和多达4 352字节片内RAM。采用高度集成的C8051F345芯片,可以简化系统硬件设计、提高系统稳定性、降低硬件设计成本。
2.1 C8051F345单片机系统电路
C8051F345单片机采用3.3 V供电,时钟源采用高精度、可编程控制的12 MHz内部晶振,复位方式采用内部的上电复位电路,P2.0-P2.3、P2.5、P4.0作为6路模拟输出二氧化碳传感器接口,P2.6、P3.0、P3.1、P3.4、P3.5、P4.3-P4.5作为8路模拟输出光照强度传感器接口,P0.0-P0.2、P0.6、P0.7、P1.0-P1.4、P1.6、P1.7、P2.4、P2.7、P3.2、P3.3作为16路数字输出温度传感器接口,UART1用作通信接口,采用C2二线开发接口加载调试程序。C8051F345系统电路见图1。
2.2 传感器接口电路
环境参数采集系统设有14个DB9接头的A/D转换接口和4个自制接头的单总线接口。每个自制接头的单总线接口可以外接4个DS18B20温度传感器。A/D转换接口电路和单总线接口电路如图2、图3所示。单总线接口电路为了稳压、滤除干扰设有稳压管和滤波电容、滤波电阻。综合考虑了灵敏度和采样电压限制,A/D转换接口电路中电流转电压的电阻采用160 Ω精密电阻。
2.3 RS-485电平转换电路
环境参数采集系统、PLC、PC终端之间的通信距离较远,因此采用RS-485电气标准进行数据传输。电平转换芯片采用MAX3075,该芯片工作电压为3.3 V,EN端口与处理器管脚相连,作为数据收发控制信号,收发管脚RD、DI分别串入10 Ω电阻,过滤信号,管脚A、B之间接入120 Ω电阻,进行阻抗匹配。RS-485电平转换电路见图4。
2.4 供电电路
环境参数采集系统采用24 V直流供电,经共模电感,LC滤波电路后作为光照强度传感器和二氧化碳浓度传感器的供电电源,24 V先经DC-DC降压变换获得5 V电源,然后5 V经稳压芯片稳压后获得3.3 V电源,3.3 V作为处理器C8051F345、温度传感器、RS-485电平转换芯片的供电电源。为了防止电源反插造成芯片损坏,在干路上设有二极管。供电电路见图5。
3 环境参数采集系统软件设计
3.1 系统功能函数程序设计
该系统的软件程序主要由主函数程序、干湿球温度采集模块程序、AD采样模块程序和串口通信模块程序组成,各功能模块软件流程图见图6。其中主函数程序主要负责各功能模块的初始化和数据采集、传输顺序的控制。干湿球温度采集函数用来完成16路DS18B20温度传感器的数据读取和转换。A/D采样函数用来采集6路二氧化碳浓度传感器和8路光照强度传感器输出的模拟信号,并转换成对应的数值。串口通信函数用来完成数据的打包以及与PLC控制器、PC机通信。
3.2 通信协议
为了确保数据通信时的准确可靠,该系统基于Modbus协议约定了数据上传格式,数据格式如表1所示。
共30路数据,每路2个字节,高字节先传,其中第1~16路为干湿球温度信息,第17~22路为二氧化碳气体浓度信息,第23~30路为光照度数据,共66个字节。如下所示,示例:55 03 AA 3C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0A 35。高低2个字节组成一个short型数据,温度数据除以10表示实际测量温度值,二氧化碳浓度、光照强度数据乘以10表示实际二氧化碳浓度和光照度值,0表示没有检测到传感器。流水号“N+1”用于识别是否同一组数据重发。设发送一组采集数时,用数字“N”,如果该组数据重发,则重发时仍用N,如果发送新的一组数据,则用N+1,以此类推。因为不采用應答机制,为提高准确度,故每采集一组数据,应向上位机发送2次。每组数据最后2个字节为循环冗余码校验位。
4 系统测试结果
温室育苗房环境采集系统实物图见图7,PLC系统控制及显示界面见图8。该系统温度测量范围0 ℃~60 ℃,测量精度±0.1 ℃;二氧化碳浓度测量范围0~5 000 ppm,测量精度±6 ppm;光照强度测量范围0~200 000 lux,测量精度±250 lux;最远传输距离1 000 m。
5 结语
该文根据智能育苗房PLC控制系统的需要,设计了一种基于单片机的环境参数采集系统,介绍了系统硬件电路设计和软件程序设计,实现了对温室环境参数多点采集与传输的功能。经过实地测试,该系统满足PLC控制系统的需求,并具有良好的稳定性。
参考文献
[1] 宋福金.寒地水稻两段式育苗高产栽培技术研究[D].中国农业科学院,2006.
[2] 刘广信.水稻大棚育苗插秧技术[J].现代农业科技,2009(9): 194-198.
[3] 邢丽英.寒地稻作区水稻大棚育苗技术[J].现代农业科技,2010(13):63-66.