计算机技术课程设计-基于数据采集卡＋PC 温室大棚土壤湿度监

计算机控制技术课程设计课题题目：基于数据采集卡PC 温室大棚土壤湿度监控系统设计学生姓名：学号： 学院：目录第一章 综述11.1 课题的设计背景及意义21.1.1 设计背景21.1.2 设计意义21.2 国内外技术现状与发展21.2.1 国外技术现状21.2.2 国内技术现状21.3 设计内容3第二章 系统整体设计52.1 系统测控对象简介52.1.2 测控要求52.2 系统整体结构及工作原理62.2.1 结构框图62.2.2 工作原理62.2.3 各主要部件作用6第三章系统硬件设计73.1 上位计算机选型73.2 控制器选型73.2.1 数据采集卡选型73.2.2 湿度传感器选型73.2.3 A/D 扩展模块选型93.3 检测控制电路设计9第四章 系统软件设计114.1 总体设计114.2 开发工具简介114.3 程序架构114.4 主程序设计114.4.1 湿度上下限报警程序114.4.2 系统主画面124.4.3 组态王变量定义134.4.4 建立动画连接134.5 程序测试与运行14第五章 总结155.1 系统设计总结155.1.1 第一章总结155.1.2 第二章155.1.3 硬件选型设计165.1.4 系统软件设计165.2 过程总结16参考文献179基于数据采集卡PC 温室大棚土壤湿度监控系统设计第一章 综述1.1 课题的设计背景及意义1.1.1 设计背景近年来，随着人们生活水平的提高，大众对可购买的蔬菜的多样性和新鲜行提出了更高的要求。 温室大棚能透光、保温（或加温），用来栽培蔬菜，菌类，在不适宜植物生长的季节，能提供适宜植物生长的环境。多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、等植物或菌类的种植和培育。温室系统的设计包括增温系统、保温系统、降温系统、通风系统、控制系统、灌溉系统等。温室大棚的要求比普通大棚的要求高，要用到比较先进的仪器来严格控温和控制土壤湿度。1.1.2 设计意义目的：利用传感器实时监测土壤湿度，把信号通过数据采集卡传到 PC，通过 PC 控制水管电磁阀门的开合来调节土壤湿度。意义：使大棚的土壤含水量能够自动调控，并始终保持在一个合适的范围，使植物和菌类适合生长。1.2 国内外技术现状与发展温室（greenhouse），又称暖房。能透光、保温（或加温），用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节，能提供温室生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。温室的种类多，依不同的屋架材料、采光材料、外形及加温条件等又可分为很多种类。 大棚只是简单的塑料薄膜和骨架构结，其内部设施很少，没有温室要求的高。因此严格说来，温室比大棚设备要求更高，可能要用到比较先进的仪器来严格控温。1.2.1 国外技术现状荷兰是设施园艺很发达的国家，目前有智能温室 1.7 万公顷，全部为玻璃温室，占世界玻璃温室的 1/4，主要用于种植花卉和蔬菜。荷兰温室内生产的蔬菜，占本国蔬菜总产值的 3/4，绝大部分销往世界各地。荷兰的花卉产业十分发达，是世界花卉贸易中心。荷兰的智能温室，无论从面积、规模、水平都居世界前列，但却没有专门生产制造温室的企业， 虽然也有一些配件专业生产厂家，但温室及配套设施的生产完全靠一种高度社会化、国际化的市场体系。荷兰温室的覆盖、保温材料等均从比利时、瑞典等国进口。温室建造的运作主要靠温室工程公司，具有国际输出能力的温室工程公司有 7 家，其主要作用是“集成组装”而不是“制造”，通过市场调查获得需求信息，按用户要求进行温室设计、工程预算、材料购买、工程发包等，完全体现了智能温室工程建造的特点。荷兰的温室工程公司已从为荷兰、欧洲地区提供工程服务，向世界各国，特别是发展中国家拓展合作业务。1.2.2 国内技术现状中国是世界第一人口大国，对蔬菜需求很高。山东寿光蔬菜种植规模宏大，品种繁多，绿色无公害，营养丰富。寿光菜农不断引进各类新品种、新产品、新技术，在寿光及周边地区推广（包括省外），始终站在农业最前沿，引领农业新潮流，并和各类涉农企业、科研部门实行全方位合作， 为我国的蔬菜农业贡献巨大。目前寿光蔬菜已销往全国 30 多个省市自治区的 200 多个大中城市，并远销日本、韩国、俄罗斯、美国、委内瑞拉等国家，且深受世界各国消费者的喜爱。国际先进的土壤湿度自动监视控制系统，已经到了利用微处理器，WiFi，HTTP 协议和嵌入式数据库等合应用来实现控制的地步。如基于 ARM11 的土壤湿度自动控制系统。基于 ARM11 的土壤湿度自动控制系统主要包括 ARM11 核心控制模块、数据采集模块、电磁阀控制的灌溉模块、人机交互模块和 WIFI 模块(基于WIFI 的数据传输模块)等，其总体架构如图 1-1 所示图 1-1 ARM11 土壤湿度自动控制系统由于不同作物的生长发育对土壤湿度有不同的需求，为了给温室大棚农作物提供一个最适宜的生长环境，结合温室大棚现有滴灌系统的特点，设计了一套以 ARM11 为控制核心、土壤湿度传感器为采集模块、WIFI 模块为通信模块的土壤湿度自动控制系统。此系统通过控制与滴灌系统连接的电磁阀保证土壤湿度在适宜的范围内，实现了温室大棚内土壤湿度的远程监测与自动控制;温室大棚管 理人员不仅能使用 HTTP 协议随时、随地访问嵌入式 BoaWEBServer 来获取实时的土壤湿度数据，还可以通过 SQLite 嵌入式数据库查询存储的土壤湿度的历史数据。综上所述，现在国内最新水准除了满足最基本的土壤湿度自动检测和调控外，还可以自动记录数据，用户可以利用 PC 或移动端远程控制，可以远程设定参数，以实现动态调节，从而保证大棚内作物处于最佳土壤湿度范围内，从而有利于作物的生长。1.3 设计内容设计整体框架如图 1-2 所示。图 1-2 整体框架第二章 系统整体设计2.1 系统测控对象简介图是一个温室大棚的简易图。以种植经济类蔬菜小白菜为例，小白菜是很受人们欢迎的一种绿叶菜之一，它吃起来口感清爽又柔嫩，含有大量的纤维素和多种维生素等。小白菜种植需水量大，同时要松软的土壤，适宜的空气温度，所以十分适合在温室大棚中种植。种植小白菜不能大水漫灌，因为大水易使土壤板结，影响小白菜生长。在温室大棚中选取如图一上标注的 5 个点。选取多个点是为了多点测量土壤湿度，更加精确，避免单个湿度传感器造成大棚内部分角落过湿或者过干，同时在保证精度同时也节省湿度传感器数量， 减少成本。如图 2-1 所示。小白菜如图 2-2 所示。图 2-1 大棚示意图图 2-2 小白菜图 2-3 中 5 条红线表示 5 排电磁水阀，控制水量。图 2-3 电磁水阀2.1.2 测控要求要求实时能根据土壤的适度情况，开合电磁水阀，土壤太干时，打开水阀喷水，湿度达标时， 关闭水阀。为此，采用以下控制方案。1）湿度传感器测量土壤湿度，把信号传给信号调理电路。2）信号调理电路处理信号，并把信号传给 PC 机。3）PC 处理信号并输出控制信号给驱动电路。4）驱动电路控制电磁水阀的打开与闭合。5）各个地方的土壤湿度不同，分别控制每排水阀打开闭合。2.2 系统整体结构及工作原理2.2.1 结构框图如图 2-4 所示，控制系统实时监测土壤湿度，把信号送给计算机，计算机处理之后发出信号控制水阀工作。2.2.2 工作原理图 2-4 结构框图温室大棚土壤湿度监控系统是通过土壤湿度传感器，实时监测土壤湿度情况，并把湿度信号送给信号调理电路，信号调理电路处理信号后送给输入装置，输入装置送给 PC 机，PC 机处理后发出信号给输出装置，输出装置送给驱动电路，驱动电路控制电磁阀的打开与闭合。2.2.3 各主要部件作用湿度传感器：测量土壤湿度，并发出信号。信号调理电路：采用湿度变送器，将信号变成 15V 标准电压值。输入装置/输出装置：数据采集卡。计算机：处理输入进来的信号，记录，并与计算机中储存的数据比较判断，发出信号。 驱动电路：驱动电磁水阀。电磁水阀：洒水。第三章系统硬件设计3.1 上位计算机选型上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是 PC，屏幕用于显示音频信号变化。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。合适的上位机可以提高程序运行的效率以达到最佳效果。由于这套土壤湿度监控系统对计算机的性能要求不高，因此，选择上位机时，应以稳定性为先。本系统中，上位计算机型选择 ThinkCentreE74Y，Intel 酷睿 i36100，4GBddr42133MHz 内存条，128G 固态硬盘，AMDRadeonR9360 独立显卡，大约 3000 元.3.2 控制器选型3.2.1 数据采集卡选型硬件选型是工业设计中一项十分关键的工作，工艺流程、用户要求等因素，是硬件选型最为重要的参考依据。工业运用中，数据采集卡具有很多不同种类的品种，功能各异，合理地选择性价比最高的数据采集卡是一项很关键的工作。研华 PCI-1710 是 16 位高精度多功能带模拟量数据采集卡，也是一款功能强大的高分辨率多功能pci 数据采集卡。它带有一个 250ks/s16 位 a/d 转换器。pci-1710 可以提供 16 路单端模拟量输入或 8 路差分模拟量输入,也可以组合输入。它带有 2 个 16 位 d/a 输出通道,16 位数字量输入/输出通道。pci-1710 系列能够为不同用户提供专门的功能。如下图 3-1 所示。图 3-1 研华 PCI17103.2.2 湿度传感器选型首先需要选定一个湿度传感器，湿度传感器有多种，如自己可以拿两个金属板制作一个简易电容，土壤中含水量的变化，相当于电介质的变化，这种变化会引起金属板的电压发生变化，但这只是理论参考，因为输出的信号不能直接用，还要经过转换电路转换成 05V 电压信号，还要找到含水量与输出电压的函数关系，操作十分麻烦。而现实中我们很容易买到成品土壤湿度传感器。输出范围：05V 或 02.5V 或 020mA 或 420mA；测量范围：0100%（体积含水量）.反应时间：<0.5 秒精度：2%工作电流：25mA探针材料：不锈钢密封材料：PVC 塑料电缆长度：5m外形尺寸：50150mm1）邯郸市丛台锐研智华电子有限公司的 RY-DS 型土壤湿度传感器来测量土壤的体积含水量。形状和参数如图 3-2 和表 3-1 所示。图 3-2 RY-DS 型土壤湿度传感器表 3-1 RY-DS 型土壤湿度传感器参数量程：0100%单位：%(m3/m3)输出信号：02V（电压型）420mA（电流型）测量精度：&plu*n;3%互换精度：<3%复测误差：<1%测量原理：频域反射原理（FDR）工作电流：约 15mA工作温度范围：-3070测量区域：95%的影响在以中央探针为中心，直径为 7cm、高为 7cm 的圆柱体内2）石家庄思云电子科技有限公司的 JL-SFC 土壤水分传器能够自动测量土壤和其它