单片机控制的无土栽培生态因子电气系统设计

单片机控制的无土栽培生态因子电气系统设计

刘振宇1 白广利2
（1、绥化卷烟厂锅炉车间，黑龙江绥化152000 2、黑龙江省自动化研究所，黑龙江哈尔滨150000）

1 无土栽培概念
无土栽培(Soilless Culture)又称营养液、水培等，是近几十年发展起来的一种农业栽培高新技术。它不用土壤栽培作物，而是用培养液通过一定的栽培设施形式栽培作物。无土栽培的特点是以人工创造的优良根系环境条件，取代通常的根系土壤环境，最大限度地满足根系对水，肥，气等诸条件的要求，发挥作物生产的最大潜力。所以，无土栽培的作物产量高，品质好。随着科学技术的发展，无土栽培已不仅仅局限于人工对根系环境的改善，现金已发展成为科学化、现代化、自动化等水平很高的作物栽培系统

2 生态因子电气控制系统硬件系统设计
2.1 生态因子电气控制系统的结构
本课题是对无土栽培生态因子进行控制，通过对无土栽培理论基础的分析可以看出影响生长的生态因子有空气温度、湿度、光照和营养液等。由于在营养液栽培生产的过程中，环境调节及控制己经远远超出适应营养液栽培的要求范围，而且朝着最大限度的满足蔬菜作物的生育要求，充分挖掘生产潜力，大幅度的提高产品产量及品质方向发展。在这种情形下，营养液栽培反过来作为环境控制及调节的技术环节而发挥其作用，也就是说，作为营养、水分、温度等栽培因子相互配合，组成适宜的环境条件总体，保证蔬菜和花卉作物按照制定的生育目标发展。为此，我们应用单片机，根据水培理论值，对营养液中影响作物生长的酸碱度（pH）值、电导率（EC）值进行数据采集、数据处理，以便及时的添加无机盐（营养液），酸或碱，进行实时的现场控制。生态因子电气控制系统的组成是由一个闭路的NFT循环系统构成：其中有栽培槽、电磁阀、A- B营养液浓缩桶、酸碱溶液桶供应及排水泵和单片机控制仪系统组成。

2.2 主控系统的确定
2.2.1 单片机的确定
由于是进行自动化控制设计，所以确定使用何种单片机，成为系统设计最重要、最关键的一步。Intel 公司1983 年以来推出了16 位的MCS- 96 单片机系列，这类单片机具有许多8 位单片机无法比拟的优点，是一种特别适合高速控制场合的高性能的微控制器，高技术工业控制领域获得了广泛的应用。这一系列的单片机有众多的型号，现在最常用的是80C196 和80C198 芯片， 其中包括80C196KB、80C196KC、80C196MC 和80C198 等型号。这组芯片的突出优点是速度更快，功能更强，应用灵活性更好。由16 位、8 位单片机的性能比较，同时综合考虑市场、技术服务等因素，该系统采用80C196KC单片机。80C196KC是一种片内不带ROM的16 位单片机，它特别适用于各类自动控制系统，如工业过程控制系统、变频调速电机控制系统等。还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化设备控制器，这些系统均要求实时控制、实时处理。

2.2.2 80C196 单片机的特点
2.2.2.1 其主要技术特性如下：
a.内部采用16 位的中央处理器CPU，可进行加、减、乘、除和多种逻辑运算可对字节、字、双倍字操作，还具有位测试功能。17 位算术逻辑单元可对与其配合的256 个字节的片内寄存器组合直接进行操作。这些寄存器全部具有累加器的功能，从而提供了高速的数据处理和频繁的输入输出能力，消除了累加器的瓶颈效应。b. 具有丰富的指令系统，不但运算速度快，而且编程效率高。与MCS- 51系列单片机相比，完成同样的计算任务，其速度可提高5- 6 倍，而指令字节数不到8031 的一半。另外还设有16 位乘以16 位的乘法指令、32 位除以6位的除法指令、符号扩展指令以及数据规格化等指令。c.设有8 路带采样/ 保持的10 位A/D转换器，转换时间可进行选择。d. 可编程高速输入/ 输出HSIO。高速输入器可用内部定时器1 做实时时钟来记录外部事件发生的时间，一共可记录8 个事件；高速输出可按预定时间去触发某事件，并具有事件锁定功能，对设置的一个事件可以连续触发。e.16 级中断28 个中断源，18 个中断向量。各中断功能拥有自己的中断向量，且有的外设能占有不止一个的中断向量。f.设有1 个全双工串行通讯接口，具有4 种工作方式，可用来进行I/O扩展，多机串行通讯或与CRT终端设备联接。g. 可用以作为D/A转换的脉冲调制输出PWM。它可以直接驱动某些电机，也可以经过外部积分电路做直流输出。D/A转换的分辨率为8 位。具有二分频功能，使脉宽周期可以选择。h.设有两个16 位定时器。定时器1 在系统中作为标准时钟，不停的对内部时钟脉冲进行循环计数。定时器2 主要用于对外部事件计数，且具有加/ 减计数和T2 捕捉功能。i.设有4 个软件定时器。由高速输出（HSO）控制。当定时到预定时间时，设置相应的软件定时标志，产生中断请求。j.设有1 个16 位的监视跟踪定时器（WDT），用来监视CPU的工作。在系统产生硬件或软件故障时，使系统复位，CPU重新工作。k. 芯片配置寄存器CCR。80C196 可以通过CCR 的设置对总线控制信号的定义进行选择。并对就绪控制安排有若干种运行方式，从而提高了总线的灵活性，减轻访问慢速器件时对片外硬件的要求。l.具有三种特殊方式的操作，即空闲方式，低功耗方式和测试方式。在空闲方式功耗仅为正常功耗的40%，而低功耗方式使系统功耗降到微安级。m.80C196 支持HOLD/HLDA总线控制规则，可出让系统总线使之具有DMA（直接数据通道传送）功能。使80C196 与其它CPU之间的数据交换和共享变得更加方便。n.80C196 具备非法指令中断，CPU发现运行无效指令而产生中断，增加了抗干扰能力。80C196 有如此完备的硬软件资源，且大部分资源都具有中断功能，因而适用于实时性要求较高的各类自动控制系统，可充分满足系统功能的需要，并且可根据需要方便的进行系统扩展。

2.2.2.2 内部时钟和复位电路设置
80C196 单片机的定时时钟信号可以内部产生，也可以通过XTALl 引脚由外部输入。80CI96单片机内部振荡电路由一个单级非门构成，它与石英晶体配合使用，可构成一个具有感抗特性的稳定的晶体振荡器，其频率范围为3.5~12MHz，外接电容器C1、C2 通常取30pF 左右。电容C1、C2 的大小对振荡频率有微小的影响，因此可起频率微调作用。本系统选用内部方式，时钟频率6MHz。RESET为复位控制，同所有处理器一样，80C196 每次上电时必须复位。在电源处于正常范围且振荡器稳定后，RESET引脚上至少保持4 个状态周期的低电平信号，即可完成一次复位操作。当RESET从低电平再次变为高电平时，CPU将执行10 个状态周期的复位序列，对各寄存器进行初始化，程序计数器PC为2080EI，并从2080H 单元开始执行程序。本系统中采用上电复位和按钮复位两种复位电路。80C196 上电复位可用电容、单稳或其他方法实现，条件是它们能够提供一个宽度要比Vcc 和振荡器稳定下来所需的时间至少长两个状态周期的负脉冲。为取得最佳效果，建议RESET引脚电平的下拉最好用集电极开路器件来实现。当按下复位按钮时，80C196 单片机和8279 芯片同时复位。复位电路中的电阻、电容参数与CPU所采用的时钟频率有关，最好由实验调整。

2.2.3 控制系统总体框图
本主控系统以单片机芯片80196KC作为系统控制的核心部件，设计了生态因子的电气控制系统。系统的控制参数为酸碱度（pH 值）、电导率（EC值）和液位。（见图1）

3 结论
无土栽培技术是当今世界发展较快的一门实用技术，现已在世界许多发达国家得到了较多的应用。目前我国的无土栽培设施大都比较简单，营养液的供应和调整都由人工操作，这就使无土栽培的生产潜力和生产效率与国外的工厂化、自动化的生产相比尚有很大差距。并且进口的温室无土栽培的设施一次性投资和运行费用昂贵，限制了这一技术的推广和发展。本设计完成的无土栽培生态因子电气控制对无土栽培技术在我国的推广和发展具有重要意义。