有机樱桃番茄大棚检测系统的制作方法
【专利摘要】一种有机樱桃番茄大棚检测系统。这种小系统提供一种基于电压频率转换、长距离传输技术、光电耦合隔离技术和多路时分复用技术的监测系统。即，将传感器输出的信号通过预处理放大电路、电压频率转换模块，将采样信号转换为频率信号，以数字脉冲形式传输；数字脉冲经光电耦合电路驱动长距离线路传输给单片机侧光电耦合电路；再经8通道模拟多路选择器实现多路时分复用，将脉冲信号输出给单片机的计数器输入接口；最后通过单片机采用频率检测实现信号的测量。本系统还采用触摸屏通过修改各计算参数，实现实测数据的现场标定；同时提供RS485传输接口，用于与上位机的连接。以此使有机樱桃番茄大棚气象监测的采集点设备实现微型化，长距离传输质量得到保障，大大降低成本，还为系统的网络化提供接口支持。
【专利说明】有机樱桃番茄大棚检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种有机樱桃番茄大棚检测控制技术，具体地说是多点、多传感器检测有机樱桃番茄大棚环境参数的气象小系统。
【背景技术】
[0002]大棚有机樱桃番茄对温度、湿度和光照等环境参数的要求很高，在生产过程中对大棚环境参数的监测和控制具有重要的意义。如果采用人工监测有机樱桃番茄大棚的气象信息，人力投入太多，尤其是对于反季节有机樱桃番茄的管理，基本上要求全天候值守管理。人力的大量投资还会造成管理成本的增加。减少人力资本，完成有机樱桃番茄大棚的增值创收成为当前农户的迫切需求。因此，很多厂商、科研单位设计和开发了各种大棚的环境监测系统，并在大棚的实际生产中发挥着重要作用，有效地提高了大棚种植的品质和产量。目前我国研发的蔬菜大棚的环境监测系统大致分为两大类:一类是低成本简易系统，这类系统通常只是一个由单片机开发小装置，功能较为简单，由于我国农村种植区域一般都是以农户为单位组成的，每家农户一般有一个或多个蔬菜大棚，因此，低成本简易系统比较适合这类蔬菜大棚的应用，但由于农户的种植规模小，不需要雇用其他人员就能实现对蔬菜大棚人工监测，同时受农民掌握科技的能力的约束，实际应用并不广泛；另一类就是采用信息化技术，融合了无线通信、网络、计算机、控制等先进技术，实现蔬菜大棚的科学化管理，但这样的系统投入成本很高，只能应用于一些高品质的蔬菜种植。因此，有必要研发一种应用范围广、成本低、功能灵活的适应有机樱桃番茄种植的大棚环境监测系统。
【发明内容】
[0003]为有效降低系统成本，同时还能确保系统的性能，本发明提供一种基于电压频率转换、长距离传输技术、光电耦合隔离技术和多路时分复用技术的监测系统。即，将传感器输出的信号通过预处理放大电路、电压频率转换模块，将采样信号转换为频率信号，以数字脉冲形式传输，这样在采样端不再需要单片机和标准通信接口，有效降低了采样端的成本；数字脉冲经光电耦合电路驱动长距离线路传输给单片机侧光电耦合电路，这里采用12v电源驱动，确保脉冲不丢失，信息采集的可靠性；再经8通道模拟多路选择器实现多路时分复用，将脉冲信号输出给单片机的计数器输入接口，因为蔬菜大棚内各环境参数是随时间缓慢变化的，采样周期一般在一分钟以上就可以，通过时分复用技术大大提高了信息采集的效率，进一步降低成本；最后通过单片机采用频率检测实现信号的测量。本系统还采用触摸屏通过修改各计算参数，实现实测数据的现场标定；同时提供RS485传输接口，用于与上位机的连接。以此使蔬菜大棚气象监测的采集点设备实现微型化，长距离传输质量得到保障，大大降低成本，还为系统的网络化提供接口支持。
[0004]本发明提供的有机樱桃番茄大棚气象监测小系统包括传感器、预处理放大电路、电压频率转换模块、采样点光电耦合电路、单片机侧光电耦合电路、8通道模拟多路选择电路、单片机、闪存、触摸屏、R485接口电路。
[0005]本发明的工作原理为:传感器(温度、湿度、光强、CO2等)输出微弱的电流Iin或电压Vin，通过预处理放大电路将其转化为值域在O?5v的电压信号Vrat，再经过电压频率转换模块将信号转化为值域在O?10kHz范围的频率信号Fout，然后通过NPN三极管驱动光电稱合器发送，其输出米用12v电源驱动，传输米用双绞线，其传输距离大于Ikm,在单片机端通过光电耦合器将频率信号Fout接入单片机的计数器输入端，单片机通过计数器实现频率的检测，最后通过相应传感器的计算公式、温度补偿算法和现场标定参数，计算出被测信号的真实值。
[0006]对于有机樱桃番茄大棚和培养基质温度传感器，这里采用PTlOOO传感器和电阻桥的电路结构，以2.5V的参考电源为桥路供电，电阻桥的输出通过低功耗的精密仪表放大器实现信号的放大，其输出作为Vrat ;对于大棚湿度传感器，直接采用电压输出型湿度传感器，其输出直接作为Vtjut ;对于培养基质水分传感器，同样米用电压输出型培养基质水分传感器，其输出直接作为Vrat ;对于大棚CO2传感器,也米用电压输出型传感器,其输出直接作为Vrat ;对于光照强度传感器，采用电流输出型，以5v电源供电，通过精密IkQ电阻转换成电压输出，再通过低功耗的精密仪表放大器实现信号的放大，其输出作为Vtjut。
[0007]对于所有的传感器与处理电路的输出Vwt，经电压频率转换模块转化为频率信号Fwt，其转化比例取决于电路中的电阻Rt和电容CT，计算公式为Ftjut = Vtjut+ (1XRtXCt)，这里 Ct = 0.001 μ F，Rt = 5k Ω，因此，当 Vout = 5v 时，Fout = 10kHz ;将频率为 Fout 的脉冲信号通过NPN三极管驱动光电稱合器的发光二极管,光电稱合器光敏三极管的集电极米用12v电源驱动，发射极连接传输用双绞线；在接收端，来自于传输用双绞线(其传输距离大于Ikm)连接光电稱合器的发光二极管,驱动光电稱合器,光电稱合器的输出接入单片机的计数器输入端，单片机通过计数器实现频率的检测，最后通过相应传感器的计算公式、温度补偿算法和现场标定参数，计算出被测信号的真实值。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]下面结合附图所示的一个实施例对本发明进一步说明。
[0009]附图1.有机樱桃番茄大棚检测系统框图。
[0010]I是采样用传感器，这里通常有大棚温度、湿度传感器，培养基质温度、湿度传感器，C02传感器、照度传感器等；2是预处理放大电路，根据不同的传感器，预处理放大电路有可能省略；3是电压频率转换模块；4是采集点侧光电耦合电路；5是采用双绞线的传输线路；6是单片机侧光电耦合电路；7是8通道模拟多路选择器；8是MSP430单片机；9是7英寸触摸屏；10是闪存；11是RS485接口电路；12是工控机。
[0011]附图2.温度传感器预处理放大电路。
[0012]2.5v是高精度的基准电压；R4是PT100温度传感器；R1、R2、R3是电阻桥的三个桥臂;m是低功耗精密仪表放大器ΙΝΑ118 ；RG是外部增益设置电阻;V0Ut是温度传感器预处理放大电路输出的电压信号。
[0013]附图3.湿度、培养基质水分、C02、照度传感器预处理电路。
[0014]U5是电压输出型湿度传感器接入端口 ；U6是电压输出型培养基质水分传感器接入端口 ；U7是电压输出型C02传感器接入端口 ；U8是照度传感器接入端口，Ro用于将电流信号转化为电压信号Jrat是湿度、培养基质水分、C02、照度传感器预处理电路输出的电压信号。
[0015]附图4.电压频率转换电路。
[0016]U2是低成本单片电压频率转换器AD654 ;RT是定时电阻；CT是定时电容；C8是抗干扰电容；RPU是上拉电阻；R5是限流电阻办是钳位二极管;F0Ut是经电压频率转换器的输出频率信号。
[0017]附图5.频率信号远距离传输隔离电路。
[0018]三极管Q1、电阻R6和R7构成驱动电路，驱动光电耦合器U3 是双绞线电缆；电阻R8和R9、光电耦合器U4构成信号接收电路。
[0019]附图6.8通道模拟多路选择电路。
[0020]U9、U10、U11都是8通道模拟多路选择器cd74hc4051 ；S0?S23是光电耦合信号接收电路输出的频率信号，最多可接入24路传感器采集输入；ΤΑ0是MSP430的计数器O接入端，TAl是MSP430的计数器I接入端，TA2是MSP430的计数器2接入端，P2.0?P2.3是MSP430的I/O端口 2的O?3引脚，P3.0?P3.3是MSP430的I/O端口 3的O?3引脚，P4.0?P4.3是MSP430的I/O端口 4的O?3引脚。
【具体实施方式】
[0021]在附图1所示的有机樱桃番茄大棚检测系统框图中，采样用传感器(I)可以是各种环境监测用传感器，这里通常有大棚温度、湿度传感器，培养基质温度、湿度传感器，C02传感器、照度传感器等。各种传感器信号经预处理放大电路(2)后转化为值域在O?5v之间的电压信号Vrat，在这里根据不同的传感器，预处理放大电路有可能省略。经预处理放大电路输出的电压信号Vtjut,经电压频率转换模块(3)转化为频率信号Fwt。采集点侧光电耦合电路⑷实际就是传输驱动电路，实现频率信号Frat的远距离传输。传输线路(5) —般采用廉价的双绞线，也可以采用同轴电缆，因为外部干扰不会对频率产生很大的误差。单片机侧光电耦合电路￠)实际就是远距离传输的接收电路，接收的还是频率信号Fwt。这里I?6实现的是单个传感器的处理和传输，要实现多路采集，这里采用8通道模拟多路选择器(7)可以实现8路传感器的采集。8通道模拟多路选择器(7)的输出接入MSP430单片机(8)的计数器输入端，MSP430单片机(8)通过计数器实现频率的检测，因MSP430单片机
(8)提供了 3个计数器输入端TA0、TA1、TA2，所以，一个MSP430单片机最多可以接入24路传感器输入。最后通过相应传感器的计算公式、温度补偿算法和现场标定参数，计算出被测信号的真实值。7英寸触摸屏(9)、闪存(10)、RS485接口电路(11)和工控机(12)用于显示、参数标定、存储、传输、上位机接入，具有很普遍的应用，这里不再表述。
[0022]在附图2所示的温度传感器预处理放大电路中，为了提高采集精度，电阻桥的电源采用高精度的2.5v基准电压，R1、R2、R3、R4(PT100温度传感器)构成电阻桥，电阻桥的输出Vin = V2-V1将跟随R4(PT100温度传感器)的变化。Vin通过低功耗精密仪表放大器INA118(U1)进行差分放大，放大倍数由外部增益设置电阻(RG)确定，温度传感器预处理放大电路输出的电压信号Vrat作为电压频率转换电路的输入。
[0023]在附图3所示的湿度、培养基质水分、C02、照度传感器预处理电路中，电压输出型湿度传感器接入端口(U5)的引脚I接模拟地，引脚3接5v电源，引脚2接输出，作为传感器预处理放大电路输出的电压信号Vwt。电压输出型培养基质水分传感器接入端口(U6)的引脚I接模拟地，引脚3接12v电源，引脚2接输出，作为传感器预处理放大电路输出的电压信号Vwt。电压输出型C02传感器接入端口(U7)的引脚I接模拟地，引脚3接5v电源，引脚2接输出，作为传感器预处理放大电路输出的电压信号Vwt。照度传感器接入端口(U8)的引脚I通过Ro接模拟地，Ro用于将电流信号转化为电压信号，引脚2接5v电源，引脚I接输出，作为传感器预处理放大电路输出的电压信号Vwt。湿度、培养基质水分、C02、照度传感器预处理电路输出的电压信号Vrat分别作为电压频率转换电路的输入。
[0024]在附图4所示的电压频率转换电路中，传感器预处理电路输出的电压信号Vwt作为其输入信号，Vout通过低成本单片电压频率转换器AD654(U2)转化为频率信号Fwt，其计算公式为:F0Ut = Vtjut+(10XRtXCT)，其中:RT是定时电阻，连接芯片的RT端和模拟地，Ct是定时电容，连接芯片的两个CT端。抗干扰电容(C8)接芯片电源的+Vs和-Vs端，减小来自电源的干扰信号。上拉电阻Rpu连接5v电源和输出频率信号，提高输出信号的驱动能力。限流电阻(R5)用于保护芯片免遭过电流损坏，连接5v电源和芯片电源的+Vs端。钳位二极管(D1)连接数字地和模拟地，防止数字地和模拟地之间有过大的压差。
[0025]在附图5所示的频率信号远距离传输隔离电路中，电压频率转换器的输出频率信号Ftjut,通过基极电阻R6来驱动三极管Q1，三极管Qp电阻R6和R7构成驱动电路，驱动光电耦合器U3。双绞线电缆(L1) 一根导线连接发送端和接收端的数字地，另一根导线连接发送端光电耦合器U3的光敏三极管发射极和接收端光电耦合器U4发光二极管的正极，电阻R8起到限流作用，连接发光二极管的负极和数字地，光电耦合器U4的光敏三极管集电极接3.3v电源，光电耦合器U4的光敏三极管发射极和电阻R9构成信号接收电路的输出，其输出频率信号Stl作为8通道模拟多路选择电路的一个输入信号。
[0026]在附图6所示的8通道模拟多路选择电路中。U9、U10、Ull是8通道模拟多路选择器cd74hc4051是光电耦合信号接收电路的输出频率信号，分别接入U9、U10、U11的XO?X7端口。U9、U10、Ull的输出端X分别接MSP430的计数器接入端TAO、TAU TA2。U9、U10、U11 的使能端 INH 分别接 MSP430 的 I/O 端口的 P2.3、Ρ3.3、Ρ4.3。U9、U10、U11 的A、B、C 分别接 MSP430 的 I/O 端口的 P2.0 ?Ρ2.2、Ρ3.0 ?Ρ3.2、Ρ4.0 ?Ρ4.2，用于 8 路模拟通道的输入选择。
【权利要求】
1.一种有机樱桃番茄大棚检测系统，其特征在于传感器输出的信号Vin通过预处理放大电路、电压频率转换模块后输出数字脉冲，其频率f与传感器输出信号的电压Vin成正比；通过光电耦合电路驱动，经长距离线路(100m以上)传输给单片机侧光电耦合电路、再经8通道模拟多路选择器输出给单片机；最后通过单片机采用频率检测实现信号的测量。
2.根据权利要求1所述的有机樱桃番茄大棚检测系统，其特征在于通过电压频率转换模块将模拟电压信号转换成频率信号，便于远距离传输，并大大提高了抗干扰性能。
3.根据权利要求1所述有机樱桃番茄大棚检测系统，其特征在于系统的输入可以是不同类型的传感器，包括温度、湿度、光强、二氧化碳浓度等传感器；而且各种传感器在大棚内任意分布，一个大棚内最多可以布置24个传感器米集点。
4.根据权利要求1所述有机樱桃番茄大棚检测系统，其特征在于传输线的采集点侧采用12V驱动的光电耦合电路发送脉冲信号，确保长距离传输的可靠性；传输线的单片机侧采用光电耦合电路接收，有效防止线路过电流对系统的影响。
5.根据权利要求1所述有机樱桃番茄大棚检测系统，其特征在于在输入单片机计数器接口之前采用8通道模拟多路选择器，使采集点的数量扩大了 8倍；采用三路计数器接口可实现多达24个传感器信号的采集。
6.根据权利要求1所述有机樱桃番茄大棚检测系统，其特征在于远端采集模块采用统一处理电路，不同的传感器只是接入不同的端口，大大降低成本。
7.根据权利要求1所述有机樱桃番茄大棚检测系统，其特征在于24个传感器的信号处理、标定计算、显示和信息存储只用一个单片机就能实现，在完全不影响系统精度和性能的前提下，进一步降低系统成本。
【文档编号】G01D21/02GK104359504SQ201410573055
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】茅正冲, 杨杰 申请人:江南大学, 宜兴市远望蔬果专业合作社