论文研究-STM32的智能温室控制系统 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.29M 资料格式：pdf 举报版权申诉

weixin_39840924-11548019-4744302543338602110.pdf-第1页.png

第1页 / 共6页

weixin_39840924-11548019-4744302543338602110.pdf-第2页.png

第2页 / 共6页

weixin_39840924-11548019-4744302543338602110.pdf-第3页.png

第3页 / 共6页

weixin_39840924-11548019-4744302543338602110.pdf-第4页.png

第4页 / 共6页

weixin_39840924-11548019-4744302543338602110.pdf-第5页.png

第5页 / 共6页

weixin_39840924-11548019-4744302543338602110.pdf-第6页.png

第6页 / 共6页

文本预览

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn STM32 的智能温室控制系统张英梅，傅仕杰** （太原理工大学，教育部新型传感器与智能控制重点实验室，太原 030024）摘要：针对目前温室大棚自动化程度低且不易连栋管理的现状，本文设计了以 ST 公司的 STM32 单片机为核心的智能温室控制系统。介绍了控制系统的硬件组成及工作原理，同时给出了软件流程图，该系统采用 CAN 总线技术对连栋大棚的主要环境因子，如温度、湿度及光照度等进行智能控制，且通过串行通信实现上位机控制，增强了温室大棚的智能化和实用性。关键词：智能控制；STM32 单片机；传感器；CAN 总线中图分类号：TP273 Stm32's Controling System of Intelligent Greenhouse (Key Lab of New Sensor and Intelligent Control of Ministry of Education, Taiyuan University of Zhang Yingmei, Fu Shijie Technology, Taiyuan 030024) Abstract: According to the low automatic degree of greenhouse and the difficult building management, the intelligent greenhouse control system using STM32's microchip of ST company in this paper. While this paper introduces the working principle、the compents of hardware and software and program flow chart , the system adopts the CAN bus technology to control the main environmental factors, such as temperature, humidity, light, etc, furthermore using serial communication completes PC's control and realizing greenhouse intelligence and practicality. Key words: intelligent control;STM32's microchip;sensors;CAN bus 0 引言近几十年来，随着计算机及相关技术飞速发展，应用领域不断扩展。在国内技术水平相对落后的农业领域，计算机技术的应用也从无到有、从少到多有了长足进步；其中智能温室控制技术的应用便是较典型的例子。而人工环境的控制是温室农业的关键技术之一。目前国内智能温室控制系统普遍成本较高，且经济效益较差，研究实用性的温室结构和管理模式己成为一个重要的发展趋势，因此在满足控制要求的同时，研究设计经济型的控制方法和智能系统显得尤其迫切。本文设计了一种基于 CAN 总线的温室智能控制系统,目的在于寻求一种合理的结构，以提高温室控制系统的可靠性以及智能化程度。通过选用性价比较高的温度、湿度及光照度传感器实现对温室环境因子的精确测量与准确控制，针对不同参数，可以通过键盘手动输入预设值，通过单片机控制相应的执行器件，操作简单、使用灵活，并可独立运行。同时由 CAN 总线实现各个节点的数据接收和指令传递，通过主控制器的串行口完成上位机的辅助管理。作者简介：张英梅（1956 年生），女，硕士，教授，主要研究方向：新型传感器与智能控制通信联系人：傅仕杰(1985 年生），男，硕士，学生，主要研究方向：新型传感器与智能控制. E-mail: fushijie506@163.com - 1 -

中国科技论文在线 1 系统总体设计方案 1.1 温室系统的组成 http://www.paper.edu.cn 温室系统主要包括智能控制系统、加湿系统、通风系统、遮阳系统及加热系统五部分。智能控制系统是温室的控制核心，通过数据采集模块收集温室内的各环境参数并将监测结果实时显示在微控制器及计算机屏幕上，同时对各参数进行实时控制和调节，满足作物生长需要。加湿系统的主要功能是确保室内作物生长所需的水分；当温室内温度偏高时，通风系统可降低室内温度；遮阳系统用来保证室内光照强度；供暖系统主要是保证作物生长在最适合的温度环境下。 1.2 控制方案设计本文在综合考虑系统的测量精度，效率以及成本等多方面要求之后，选取温室内温度、湿度和光照度作为主要被控制量，以天窗/侧窗、风机、遮阳网、加热加湿装置等执行机构作为输出控制。智能温室控制系统总体结构如图 1 所示。图 1 智能温室控制系统总框图 Fig. 1 System diagram of intelligent greenhouse control 由图 1 可知，主控制器是整个系统的中心，负责接收各个分站节点发来的数据，并将总线上的数据发送给上位机。上位机仅作为辅助功能，记录各分站节点的环境参数，便于工作人员实时监控前端工作数据情况，在发生意外时能及时处理。同时主控制器也可以接收上位机上的指令。本方案主控制器选用的是以 ARM Cortex-M3 为内核的 STM32F107 互联型系列处理器[1]，主频为 72MHz。其中内部集成有 CAN 控制器，符合 CAN 规范 CAN2.0A 和 CAN2.0B，通过 CAN 总线与带 CAN 总线接口的分站节点通信，构成智能温室测控系统。本设计的分站为整个控制系统的核心，以 STM32F103VBT6 增强型系列处理器为智能控制器[2]，由信号采集、智能控制、数据显示、键盘中断、数据通信、执行机构等模块组成。控制器通过传感器将温室内的温度、湿度及光照度等环境因子转换成相应的电信号，经过滤波电路后送入单片机，实现对信号的采样。采集后的信号与预先设定的数值进行比较，当温室内环境因子指数超出预先设定值时，启动执行机构。分站也可以接受主控制器上的指令对各个模块进行控制。系统在控制策略上采用上下限控制[3]。可根据室内温度、湿度和光照度等参数的变化，按照预先设定的阀值，实现对天窗/侧窗、风机、加湿加热装置的智能控制，调控温室的气候环境，以满足作物生长的需要。同时分站能够脱离主控制器及上位机，实现独立高效的工作。 - 2 -

中国科技论文在线 2 智能温室控制系统硬件设计 2.1 数据采集 http://www.paper.edu.cn 本系统中考虑的环境因子有 3 个：温度、湿度和光照度。温度检测选用 Dallas 公司生产的单线式数字温度传感器 DS18B20，该器件耐磨、耐碰，体积小，使用方便，适合于恶劣环境下的现场温度测量。采用直接数字化输出，只有 3 个引脚（即电源 VDD、地线 GND、数据线 DQ），且自带 A/D 直接输出数字量，不需要外部元件。现场温度直接以“单总线” 的数字方式传输，用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。该电路测量温度范围为－55~＋125℃，精度为 0.5℃，用 9bit 数字量表示温度，每次将温度转换成数字量需 200ms。其测温电路如图 2。图 2 温度采集电路 Fig. 2 Circuit of temperature acquisition 对湿度的测量采用 Honeywell 公司生产的 HIH-4000 集成湿度传感器。该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时内部集成了信号处理功能，因此可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务。根据 HIH-4000 的特性，输出电压与湿度的典型配合关系曲线如图 3 所示，本系统只需对输出电压进行 A/D 采集即可获得湿度值，而 STM32 自带了 A/D 功能所以无需再搭建外围电路。其湿度测量电路如图 4 所示。 +5V P13 1 2 3 Header 3 R44 10M R67 10M Humi4 图 3 输出电压与湿度的典型配合关系曲线图 4 湿度采集电路 Fig. 3 Output voltage and humidity with the typical curve Fig. 4 Circuit of humidity acquisition 光照度的测量采用 ROHM 数字型输出环境光亮度/光强传感器 BH1750FVI。此传感器内置了高精度的 16bitA/D 转换器，无需外部器件，对于暗处到室外有着宽广的照度范围，其测量范围为 1~65535 lx，可通过寄存器设定来选择 1lx 或 4lx 的步进来进行测定。另外，可以直接输出照度值，不需要在微型控制器侧演算处理读取值等。BH1750FVI 采用 I2C 总线连接,最低支持 1.8V 供电电压，精度±20%，且内置 50Hz/60Hz 光噪声去除功能。根据 BH1750FVI 的特性，器件内部结构如图 5 所示，本系统通过 STM32 自带的 I2C 接口实现了光照度的采集。其照度测量电路如图 6 所示。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn +3V3 R53 10K R52 10K I2C_SCL I2C_SDA 6 5 4 DVI C38 0.1uF +3V3 C37 0.1uF R72 NA 1 2 3 U6 VCC ADDR GND D N G SCL DVI SDA BH1750 7 R73 NA 图 5 BH1750FVI 内部结构图图 6 照度测量电路 Fig. 5 Internal structure of BH1750FVI Fig. 6 Circuit of light measurement 2.2 人机交互界面设计环境参量及输出状态可由液晶显示器 YM12864R 和上位机显示，而对参数预设值及输出控制则可由键盘和上位机软件设置。本设计中的 ZY12864D 是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及 128 ×64 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可显示 8 ×4 个(16×16 点阵)汉字，EL 背光源 100VC，400Hz。本设计利用 STM32F103 自带的 SPI 接口实现对液晶显示器的串行数据连接，通过三根信号线即可完成 LCD 的显示控制。其中 PE15 为串行的片选信号，PC12 为串行的数据口，PC10 为串行的同步时钟。电路如图 7 所示。 2.3 通讯接口设计通信接口电路主要包括两部分：主控机与上位机的串行通信电路、主控机与分站之间的 CAN 总线通信。通过 CAN 总线将各个分站节点数据发送至主控机同时接受主控机对各个节点的控制。而串行通信是将总线的上数据经主控机上传至上位机平台，进行现场监测，并接受上位机的控制指令。本设计的 CAN 接口电路如图 8 所示。 +5V R51 10K R71 2K2 +5V C36 0.1uF P17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 LCD12864 +5V LCD_CS SPI3_MOSI SPI3_SCK R74 10K LCD_RST R75 NA +5V +5V +5V CAN1_TX +5V GND CAN1_RX R19 10K 1 2 3 4 U4 TX0 GND VCC RX0 PCA82C250 8 7 6 5 ASC C_H C_L RX1 R20 10K R21 0 C_H C_L C_L C_H C_H R22 120 C_L CAN 11 10 P6 1 6 2 7 3 8 4 9 5 CAN 图 7 液晶接口电路图 8 CAN 接口电路 Fig. 7 LCD interface circuit Fig. 8 CAN interface circuit 3 温室系统软件设计 3.1 系统软件设计温室智能控制系统的软件主要包括两个部分：第一部分为以单片机为核心的主控机和分站监控管理及通信程序。主控机主要完成对各个节点的数据上传及控制，而分站主要完成对各环境参量的采集处理、显示、修改、输出量控制及 CAN 总线通信[4]，保证分站正常运行。分站部分总程序如图 9 所示，输出量控制程序如图 10 所示。第二部分为上位机管理。上位 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 机利用可视化语言 VB6.0 编制[5]，重点放在对智能控制器的辅助管理。图 9 分站主程序框图图 10 分站控制子程序框图 Fig. 9 The program diagram of sub-stations Fig. 10 Block diagram of Sub-stations control procedure 3.2 CAN 总线通信设计 CAN 总线属于总线式串行通信网络，可以多主方式工作，方便构成多机控制系统，网络上的任意节点均可向其他节点发送信息；节点信息按系统实时性分成不同的优先级；CAN 总线采用短帧结构，通过报文滤波实现点对点、组成或全局广播几种数据传送方式[6][7]。系统中使用的 CAN 协议以 CAN 帧的结构为基础，基于主从式网络结构，采用标准帧格式，支持 CAN2. 0A 技术规范。 CAN 总线通讯软件设计包括 CAN 总线的初始化、报文发送和报文接收 3 个模块。系统只有在复位模式下才能对 CAN 控制器进行初始化。CAN 报文接收程序如图 11 所示，发送程序如图 12 所示。图 11 CAN 报文接收程序流程图图 12 CAN 报文发送程序流程图 Fig. 11 The packet receive program diagram of CAN Fig. 12 The packet send program diagram of CAN 4 调式与实验通过对本设计系统的调试和模拟实验[8]，当设定温度、湿度、光照度等环境因子分别为 25℃、80%RH、35000lx 的情况下，实测结果分别是：24.7℃、79.3%RH、35751lx，测量误差在监控范围内，较好地达到了设计要求。 5 结论目前计算机技术发展迅速, 单片机嵌入式开发前景光明。同时单片机经济实用、开发简便,因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域占据了广泛的市场。本文根据温室环境的特点，对基于单片机的温室智能控制系统进行了硬件电路设计，并根据作物环境要求进 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 行了软件设计，实现了对温室环境因子的智能控制。系统在实验过程中运行稳定，效果良好，但仍需要在智能化方面加以改进。 [参考文献] (References) [1] ST Microelectronics Corporation,STM32F105/107XXDatasheet[J],2010,5. [2] ST Microelectronics Corporation,STM32F103XX Datasheet[J],2007,11. [3] 何鹏.温室环境控制技术发展与应用[J].传感器世界，2002.2，30-33. [4] 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计,北京:北京航空航天大学出版社,1996. [5] 沈显威，李保伟，史俊富.温控系统中 VB 实现的 PC 机与单片机通行[J].微计算信息，2002.8 [6] 饶运涛,邹继军,郑勇芸. 现场总线 CAN 原理与应用技术[M ]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2004. [7] LEEN G，HEFFERNAN D.TTCAN:a new time-triggered controller are a network [J].Microp rocessors and Microsystems,2002,26(2):77294. [8] 李宁.基于 MDK 的 STM32 处理器应用开发[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008:304-327 - 6 -

分享到：

赞收藏

资料库

论文研究-STM32的智能温室控制系统 .pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料