基于ARM微处理器的温室温湿度控制系统设计

论文摘要

温室控制技术是随着自动检测技术、过程控制技术、通信技术以及计算机技术的发展而发展起来的现代农业工程技术。它是农业科学与传感器技术、信号处理、控制理论以及计算机技术等多学科的综合。温室环境控制的目的是为动植物提供良好的生长环境,对控制系统有特殊的要求。一方面,对系统的稳定性、可靠性要求高,对系统成本非常敏感;另一方面,它的控制对象是一个非线性、分布参数、时变、大延时、多变量耦合的系统,无法用传统的控制理论对其进行控制。因此,温室环境控制是一项十分复杂的工程,尽管国内外已经在该领域做了大量的研究,依然有很多内容有待探索。本论文首先综合分析了国内外设施农业和温室控制技术的发展现状,针对单栋中小型温室,利用32位高性能的ARM微处理器搭建一个具有良好人机交互性能的温室温湿度控制系统。选择以S3C44B0X作为系统的MCU;以温室环境中的两个主要影响因子温度和湿度作为控制对象。控制系统能够根据动植物在各个生长时期对温湿度的不同要求,自动调节温室内的温湿度,达到动植物最优生长的目的。在硬件方面,完成了温室温湿度控制系统控制器硬件电路设计;包括ARM微处理器核心电路以及键盘输入、液晶显示、串口通信、存储系统等外围电路的设计。在软件方面,成功移植了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ;实现了多任务的实时处理,使系统具有更好可靠性、稳定性和可维护性;为后续应用程序升级奠定了基础。在此基础上,编写了控制器应用软件,包括以下三个模块:数据采集模块,实现对温室温湿度的实时采集处理;串口通信模块,制定了完整的串口通信协议,实现与上位机的通信;在人机交互模块中,通过键盘与LCD实现了良好人机操作界面,能够实时显示和查询温室温湿度状态。在综合研究温室温湿度特点的基础上,对温室温湿度模糊解藕控制算法进行了理论研究,建立了模糊控制查询表。本论文综合运用嵌入式计算机技术、控制理论等多学科知识,针对农村中小型温室,设计了一种系统稳定、可靠性高、操作简单方便的温室温湿度控制系统,为温室自动化技术做了有益的尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 设施农业的发展概况
• 1.1.1 国外设施农业现状及发展趋势
• 1.1.2 我国设施农业的现状和存在的问题
• 1.2 控制技术在温室中的应用
• 1.3 国内外温室控制技术的发展现状及特点
• 1.4 嵌入式系统综述
• 1.5 ARM芯片简介
• 1.5.1 ARM-Advanced RISC Machines
• 1.5.2 ARM微处理器的应用领域及特点
• 1.5.3 ARM微处理器系列
• 1.6 本课题研究的内容及意义
• 第二章 硬件平台的搭建
• 2.1 信号采样电路设计
• 2.1.1 温度采样电路设计
• 2.1.2 湿度采样电路设计
• 2.2 执行机构驱动电路设计
• 2.3 控制器硬件平台的搭建
• 2.3.1 ARM7TDMI体系结构分析
• 2.3.2 S3C44B0X处理器
• 2.3.3 控制器系统片选信号及地址空间分配
• 2.3.4 存储系统
• 2.3.5 IIC总线控制器
• 2.3.6 电源、时钟电路
• 2.3.7 串行接口通信接口电路
• 2.3.8 LCD接口电路
• 2.3.9 3×4 Keyboard
• 2.3.10 总线扩展
• 2.4 硬件电路图及主要元器件清单
• 2.4.1 硬件电路图
• 2.4.2 主要元器件清单
• 2.5 本章小结
• 第三章 控制器软件系统设计
• 3.1 实时操作系统概述
• 3.1.1 嵌入式操作系统
• 3.1.2 实时操作系统
• 3.1.3 实时操作系统的体系结构
• 3.2 μC/OS-Ⅱ的内核分析
• 3.2.1 μC/OS-Ⅱ简介
• 3.2.2 μC/OS-Ⅱ实时操作系统结构
• 3.2.3 μC/OS-Ⅱ内核分析
• 3.2.3.1 任务管理及调度
• 3.2.3.2 任务之间的通信与同步
• 3.2.3.3 中断管理
• 3.3 μC/OS-Ⅱ的集成开发调试环境简介
• 3.4 μC/OS-Ⅱ在S3C44BOX处理器上的移植
• 3.4.2 实时内核μC/OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植
• CPU.H中与处理器和编译器相关的代码'>3.4.2.1 设置OS_CPU.H中与处理器和编译器相关的代码
• CPU_C.C）'>3.4.2.2 用 C语言编写与操作系统相关的函数（OS_CPU_C.C）
• CPU.ASM）'>3.4.2.3 用汇编语言编写4个与处理器相关的函数（OS_CPU.ASM）
• 3.5 控制器应用软件系统设计方案
• 3.5.1 人机交互模块
• 3.5.2 数据采集处理模块
• 3.5.3 PC通讯协议及实现软件
• 3.5.4 系统初始化
• 3.5.5 实时时钟处理及实现
• 3.6 本章小结
• 第四章 温湿度模糊控制算法的实现
• 4.1 温室温湿度特性和控制方法分析
• 4.2 模糊控制的基本原理介绍
• 4.2.1 模糊控制及其特点
• 4.2.2 模糊控制系统的组成
• 4.2.3 模糊控制的过程
• 4.2.4 模糊控制算法的实现方式
• 4.3 本温室温湿度模糊解藕控制算法的实现
• 4.3.1 温湿度模糊解藕
• 4.3.1.1 温湿度模糊解藕器设计
• 4.3.1.2 清晰化处理
• 4.3.2 温湿度模糊控制
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录1 元器件清单
• 附录2 控制器部分程序代码
• 致谢
• 作者简介