植物生长柜控制系统的研究与设计

植物生长柜控制系统的研究与设计
摘要:设计了一种基于LED光源的植物生长模拟环境系统．该植物生长柜控制系统主要由触摸界面操作系统和控制系统两大部分组成，两者之间通过ＲS485模块进行通讯．控制系统以ATmega128L单片机为主控核心，界面操作系统采用Cortex_M3为内核的32位处理器STM32F103VC，并配置7寸TFT触摸屏，利用μC/GUI编写简单的人机界面，实时监控植物生长柜内的环境参数，并且通过设定各种参数以模拟出植物的多种生态环境，有利于个性化地培养各种植物．
关键词:植物生长柜;ATmega128L;传感器;LED光源
进入21世纪，随着社会经济的发展和生活质量的提高，人们开始有了对安全无公害蔬菜的需求和现代农业体验的向往，“家庭植物工厂”概念应运而生．本文依据目前植物工厂的发展趋势，设计了一种适合在家庭领域应用的小型植物工厂———植物生长柜．植物生长柜可以对植物生长所需的光照、温度、湿度、CO2浓度等环境条件进行设定、调节和动控制．该生长箱设置有植物培养系统、传感器数据采集系统、环境调节系统和控制系统等，能够模拟出适合植物生长的生态环境，从而创造出家庭植物工厂．该植物生长柜既可以满足高性价比的需要，又又可以满足日常生活的需要，进而提高了人们的生活水平．
针对植物柜生长系统要实现的功能，分模块设计系统软
硬件．控制系统运用ＲS485［2］通讯技术使AVＲ单片机和Cortex_M3为内核的32位处理器STM32F103VC处理器进行通讯，AVＲ单片机对植物生长所需的光照、温度、湿度、CO2浓度等环境条件进行自动控制，使设施内的植物生长不受自然条件约．STM32F103VC处理器作为上位机调节和设定光照、温度、湿度、CO2浓度等环境参数，该系统结构框图如图1所示．
1．2植物生长柜设计原理
植物生长柜主要由触摸彩屏和32位处理器STM32F103VC组成的上位机和由
单片机、温度传感器、湿度传感器、CO2传感器、LED和水泵等组成的下位机两
部分组
成，两者之间通过MAX485模块进行通讯，从而实现植物生长柜为植物生长
提供所需的最佳温度、湿度、光照度和二氧化碳含量等必需生长条件．2．2 LED光源模块
LED光源模块采用中国科学院半导体研究所设计的LED光源板．该LED光源
板由多个强光型的红光和蓝光LED组成，且以混合方式配置，所产生的红光波长
范围为600～700nm，蓝光波长范围为400～500nm，满足植物光合作用所需的光
照条件．此外，该光源板可以通过串口对红、蓝光的光强进行控制，以便满足不
同植物对光照的需求．
2．3界面操作系统
界面操作系统采用以AＲM Cortex－M3为内核的32位处理器
STM32F103VC．该处理器是最新一代的嵌入式AＲM处理器，具有高性能、低功耗、成本低等优势．它的工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存
和20K字节SＲAM);具有丰富的增强I/O接口和联接到两条APB总线的外设;包含
2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的
通信接口:多达2个I2C和SPI、3个USAＲT、一个USB和一个CAN［3］．2．4传感器模块
为了给出不同时期植物生长所需的最佳环境参数，并生成合理的控制方案，
该系统配置有温湿度传感器、CO2浓度传感器等，可以对温度、湿度、CO2浓度
进行采集，以便与植物生长所需要的最佳气候条件进行比较分析，并为控制提供
依据．根据作物生长柜中植物生长需要采用SHT75温湿度传感器．这是一款高度
集成的温湿度传感器芯片，它将温度感
测、湿度感测、信号转换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，输
出直接为数字信号．
2．5执行系统模块
执行系统包括通风机、加热器、制冷器、水泵等设备，它是自动控制系统的执行者，用来实现对各环境参数的调节．单片机发出的控制信号与输出电路的直流继电器相连，继而控制各种外部设备．
3系统软件设计
本系统软件设计包括主控控制系统程序设计和界面操作程序设计两部分．
3．1控制系统程序
控制系统程序主要由单片机完成，其功能有环境参数的数据采集、外部设备的控制以及数据的通信．它包括的功能模块有:数据采集模块、外设控制模块及通讯模块．要采集的环境信息包括温度、湿度、光照度和CO2浓度．温湿度的采集由单片机的IO口直接与温湿度传感器SHT71的接口相连完成数据的采集［5］;CO2浓度的采集由单片机的ADC完成，把采集到的电压值经过处理转换成浓度值．
(2)外设控制模块:需要控制的外部设备主要有LED光源、通风机、加热器、制冷器及水泵等，单片机发出的控制信号与输出电路的直流继电器相连，分别控制外设的运行，工作流程图如图1所示．
图1主控控制系统程序流程图
(3)通讯模块:通讯模块是利用ＲS485串口与界面操作系统进行数据的传输，
以实现环境参数与外设开关状态的上传，同时接收界面操作系统的控制信息，更
新自身的控制状态．
3．2界面操作程序
界面操作程序所要完成的功能主要有人机交互操作界面的设计以及与主控系
统的数据通信，人机交互界面通过μC/GUI编写．μC/GUI是一种用于嵌入式应
用的图形支持软件．它被设计用于为任何一个使用图形LCD的应用提供一个有效
的不依赖于处理器和LCD控制器的图形用户接口．它能工作于单任务或多任务的
系统环境、专用的操作系统或者任何商业的实时操作系统．人机交互界面采用菜
单方式，具有环境参数显示、模式选择、参数设定等功能,其主界面如图2所示，界面操作程序如图3所示．
图2人机交互界面
图3界面操作程序流程图
4系统功能调试
4．1系统硬件调试
系统硬件调试主要对已经焊接好的电路进行调试，其调试对象有:系统电源调试ATmega128L单片机的最小系统调试，以及系统模数转换器模块的基准电压电路调试，当接通电源后测量基准电压电路的输出基准电压值是否是稳定的直流5V电压;系统的负载增加后，观察基准电压输出电压的变化．测试结果是基准电压输出的电压值不受负载的变化而改变，此外还要进行系统MAX485功能模块调试．对于控制系统，如果能使ＲE与DE功能相联系，则当通信成功以后，会自动上传采集到的数据．对于界面操作系统，则有选择性地顺序接收数据．
4．2系统软件调试
系统软件调试主要对已经调试好的电路进行软件调试．如系统液晶显示软件调试是通过ICCAVＲ软件编写程序，根据液晶模块的通信时序和控制寄存器编写程序，把写好的程序下载到单片机中，然后观察液晶显示屏上显示的内容与程序编写的内容是否一致，并根据屏幕上显示的内容对程序进行修改．此外还有MAX485模块软件调试、传感器调试和模数转换器软件调试．最后进行联机调试，根据通信的协议编写程序，分别把单片机与AＲM通过MAX－232进行连接，通过串口调试助手软件进行调试．
参考文献
［1］陈树成，杨志勇，王科．基于MG811探头的二氧化碳采集系统设计［J］．单片机与嵌入式系统应用，2014，(1):47－50．
［2］于华丽，赵晓顺，刘淑霞，等．传感器SHT71在温湿环境检测系统中的应用［J］．农机化研究，2008，(5):151－153．。