新式温室大棚毕业设计论文 精品.docx
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新式温室大棚毕业设计论文
1、概述
1.1现状
我国人多地少，人均占有耕地面积少。
因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能的，要用新的方法来提高单位亩产量，温室大棚技术就是其中的一个好的方法。
温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的限制。
而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。
由于温室大棚能带来可观的经济效益，温室大棚技术越来越普及。
成为农民增收的主要手段。
1.2现有温室大棚的缺点
随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制成为一个难题。
传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低，如果过高，就对大棚进行降温处理，如果过低就升温，就对大棚进行升温。
这些操作都是在人工情况下进行的，这些都浪费了大量的人力物力，对于大棚数量很多来说，是面临的一个难题。
现在，随着农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。
1.3改进办法
虚拟仪器技术越来越完善，所以，选用虚拟仪器来改善大棚的温度控制系统。
本系统LabVIEW虚拟仪器编程，通过对前面板的设置来显示温室大棚内的温度，并进行报警，进而对大棚内温度进行控制。
本系统有单片机，温度传感器，串口通信，和计算机组成。
计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等；温度传感器是对大棚内温度进行测量，显示；单片机是对温度传感进行编程，读去温度传感器的温度值，并半温度值通过串口通信送入计算机；串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输作用。
其原理图如图1—1所示。
需要做的工作就是进行计算机编程，和单片机编程，使传感器工作，并进行温度控制。
图1温室大棚温度控制系统
Fig.1Temperaturecontrolsystemoflargecanopyofgreenhouse
本系统能够对大棚内的温度进行采集，然后再进行比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统将进行报警，来通知管理人员大棚内的温度超过限制，大棚内的温控系统出现故障，从而有利于农作物的生长，提高产量。
本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况，从而进行控制。
在涉及本系统中，需要对LabVIEW进行学习，然后设计系统的前面板，对温度传感器进行选择，对单片机和通信标准进行选择和设计，由于本系统侧重软件部分，所以，硬件部分的程序忽略不写。
2、虚拟仪器程序设计
2.1虚拟仪器介绍
2.1.1仪器的发展概况
仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。
电子测量仪器发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、智能仪器、个人仪器、虚拟仪器的发展阶段。
由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心地位。
计算机软件技术和测试系统更加紧密的结合趁一个有机整体，导致仪器的结构概念和设计观点的也发生突破性的变化。
在上述的背景下，出现了新的仪器概念—虚拟仪器[1]。
2.1.2、虚拟仪器
所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用的计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，其实只是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。
虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。
（1）、虚拟仪器的面板是虚拟的。
虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。
传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的；虚拟仪器前棉班是外形与实物相象的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”、等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。
因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。
（2）、虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。
虚拟仪器是在一PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功能的。
因此，可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能。
2.1.3虚拟仪器的特点
1、传统的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示和操作元件，易导致许多识别与操作错误。
虚拟仪器可以通过在几个分面板撒谎感的操作来实现比较复杂的功能。
这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性和便捷性。
同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类和形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。
2、在通过硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完趁一起的功能。
3、仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。
4、仪器性能的改进和功能的扩展只需更新相关的软件设计，而不需要购买新的仪器。
5、研制用期较传统仪器大为缩短。
6、虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其他周围设备互联[2]。
2.1.4虚拟仪器的功能和基本工作原理
1、虚拟仪器的功能：
（1）、信号调理和采集功能；
（2）、数据分析和处理功能；
（3）、参数设置和结果表达。
2、虚拟仪器的基本工作原理
虚拟仪器完成上述三大功能的原理框图如图2-1所示
仪器驱动程序
（机-机接口）
用户接口
（人-机接口）
图2-1虚拟仪器原理功能图
Fig2-1PrinciplefunctionaldiagramofVI
工作构成如下：
首先，用户通过虚拟仪器面板设置好仪器功能，量程，频段等工作参数后，启动仪器进行测量。
在计算机控制下，被测对象经仪器部分的调理和采集后，变成数据，再经过计算机处理，其结果送显示，由用户读取或打印输出。
因此，虚拟仪器的基本组成应包括：
1、用户（人-机）接口部分
此部分完成参数设置和结果显示等人-机对话功能。
其硬件有鼠标、键盘、显示器、打印机、绘图仪等，其软件有用户界面。
2、信号（机-机）接口部分
此部分完成信号调理和数据采集功能。
它的硬件主要由测量仪器的模拟电路为主构成。
由于被测对象是各种各样的，有点或非电的物理量、化学量、生物量等，由于这些被测对象千差万别，因此，在采集前通常要进行非电量到电量的变换（各式传感器）、幅度（放大、衰减）、频率（混频、检波、滤波）、阻抗（高阻、低阻、匹配）、隔离、激励（交直流源、恒压恒流源）等各种调理，使其到采集板时为归一化的模拟电信号，最后再由采集板进行A/D转换。
此外，信号接口部分通常还含D/A变换，定时/记数、数字I/O等功能模块。
这部分的软件称为仪器（或设备）驱动器。
3、控制与处理部分
此部分硬件包括各种高性能的计算机（笔记本机、PC机、工控机、工作站等）及附件。
起软件为控制、分析、处理程序。
2.2LabVIEW语言
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司（简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广，发展最快，功能最强的图形化软件开发集成环境。
LabVIEW软件的特点如下：
1、具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。
2、提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。
3、提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，是程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。
4、32位的编译器编译生成32位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。
5、囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪器。
6、提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL（动态链接库），DDE（共享库），Activex等。
7、具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络远程测控仪器的开发[3]。
虚拟仪器和传统仪器的比较
传统仪器：
仪器厂商定义、硬件是关键、价格昂贵、技术更新慢（5—10年）、封闭系统、规模、功能固定、开发维护费用高、功能单一，维护不便。
虚拟仪器：
由用户自己定义、软件是关键、价格低、可重复使用、技术更新快（1—2年）、开放系统，可方便的同外设、网络等连接、规模、功能可任意修改、增减、开发维护费用低、智能化、多功能、远距离传输[7]。
在虚拟仪器系统中，硬件是用来解决信号的输入和输出，软件是整个仪器系统的关键。
虚拟仪器棉班空间对应着软件程序，这些软件已经设计好了，使用时用户只需将代表该种软件程序的图形控件防在窗口中相应的位置，然后把所有的图标连起来，就组成了一个虚拟仪器系统。
虚拟仪器综合运用了计算机软件技术、智能测试技术、摸板及总线标准化技术、数字信号处理技术、图形处理技术以及高速专用集成电路制造技术等，是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件与软件平台上的一个完全开放的系统。
由于虚拟仪器具有以上优点，所以，温室大棚的温度控制系统采用了虚拟仪器语言来设计系统的前面板。
2.3温室大棚的虚拟仪器设计系统
温室大棚的虚拟仪器设计分为3个部分，登陆部分、大棚序号显示部分、各个大棚的温度显示报警控制部分。
下面分别叙述其功能。
2.3.1登陆面板
登陆面板如图2—2所示，框图程序如图2—3和图2—4所示。
如图所示，如果输入正确的用户名和密码，点确定，将进入虚拟仪器温室大棚温度测控系统；如果输入的用户名和密码错误，将无法登陆虚拟仪器温室大棚温度测控系统。
如过输入用户名和密码后，不想进入本系统，点取消键将退出本系统。
其框图程序分为两部分，结构为事件结构，当程序运行时，点击确定或取消，就能进入或退出系统。
事件结构使LabVIEW具有了事件驱动的能力，这些事件包括鼠标事件（单击、双击等）、键盘事件、选单事件、窗口事件（如关闭窗口）、对象的数值变化等。
这给用户的编程带来了很大的方便。
事件结构由框架、超时端口、时间数据节点、递增/递减按钮和选择器标签组成。
事件结构能够响应的事件有两种类型：
通告事件和过滤事件。
通告事件通知LabVIEW一个动作发生，例如用户改变了一个控件的值。
过滤事件用来控制用户界面的操作。
当没有任何事件发生时，事件结构就会处于休眠状态，直到有一个或多个预先设定的事件发生时，事件结构才会自动苏醒，并根据发生的事件执行用户预先设定的动作。
图2—2登陆面板
Fig2-2Landthepanel
事件结构的特点如下：
1、使用MechanicalAction属性为Latch的布尔控件来触发事件。
2、在一个事件结构中使用多个子框架处理相同事件。
3、使用一个事件结构子框架处理多个通告事件。
4、使用一个事件结构子框架处理多个过滤事件。
5、使用事件结构处理用于循环控制的布尔控件。
6、使用事件与使用WaitforFrontPanelActivity节点。
7、事件结构只响应用户交互操作引发的事件。
8、避免在同一个循环中使用两个事件结构。
图2-3登陆框图程序—确定的框图程序
Fig2-3Landtheblockdiagramprocedure-Procedureofblockdiagramconfirmed
图2—4登陆框图的取消程序框图
Fig2-4Landthecancellationprocedureblockdiagramoftheblockdiagram
2.3.2温室大棚界面
其大棚界面前面板如图2—5所示。
其中一个大棚的子程序框图程序如图2—6所示。
当大棚内温度过高或过低时，大棚号会显示出红色，并出现“温度报警”的字样，这是，点击1号大棚，会出现1号大棚内的子程序前面板，显示温度值等数据，具体介绍在后面给出。
2号大棚的设计和一号大棚类似，不在介绍。
1号大棚的程序框图如图2—6所示，“OK”为布尔按钮，其值为1和0，1为真，0为假。
通过设置，能改变按钮的属性。
框图为选择结构的一种，其输入为“Ture”和“False”两种，当输入为Ture时，为真，显示Ture框架里的内容，当为“False”时，显示False内的
图2—5温室大棚的前面板
Fig2-5Boardinthefrontinthelargecanopyofthegreenhouse
图2—61号大棚的子程序框图
Fig2-6Subprogramblockdiagramofthelargecanopyofthe1st
内容。
图中程序执行的步骤为：
当按下按钮时，其值为Ture，程序执行其内容。
在本框图中，False框架内的内容为空，忽略不计，所以没有显示。
最基本的选择结构由选择框架、选择端口、选择器标签，以及递增/递减按钮组成。
选择结构比较灵活，输入选择端口中的外部控制条件的数据类型有3种可选：
布尔型、数字型和字符串型。
当控制条件为布尔型时，选择结构的选择器标签的值为Ture和False两种，即有Ture和False两种选择框架，这是系统的默认的选择框架类型。
当控制条件为数字型时，选择结构的选择器的选择器标签的值为整数0、1、2等，选择框架的个数可根据实际需要确定，在选择框架的右键弹出选单可天家选择框架。
当控制条件为字符串型时，选择结构的选择器标签的值为由双引号括起来的字符串，选择框架的个数也是根据实际需要确定的。
但是，在使用选择结构时候，控制条件的数据类型必须与选择器标签中的数据类型一致。
二者如果不匹配，系统回报错，同时，选择器标签中的字体的颜色会变为红色[8]。
在VI处于编辑状态时，用鼠标（对象操作工具状态）单击递增/递减按钮可将当前的选择框架切换到前一个或后一个选择框架；用鼠标单击选择器标签，可在下拉选单中选择切换到任一个选择框架。
选择结构有很多特点，其主要特点是，当外部数据连接到选择框架上供其内不节点使用时，选择结构的每一个子框架都能从该通道中获得输入的外部数据；当选择结构内部的数据需要通过框架通道送至外部时，必须在每一个子框架中都连接一个同数据类型的数据到同一个框架通道上。
2.3.3单个大棚的温度测控系统
单个大棚的温度测控系统前面板如图2—7所示。
下面分别叙述其个部分的功能。
（1）、温度实时图
在虚拟仪器中，波形显示控件主要分成两大类，一类为事后记录图，或事后记录波形控件；另一类称为实时趋势图，或实时趋势波形控件。
这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两者数据组织方式及波形的刷新方式不同。
对于事后记录图来说，它的基本数据类型为数组，也就是其显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成的；而实时趋势图则是实时显示一个或几个测量数据，而且新接受数据点要接在原有波形的后面连续显示。
她的基本数据类型是数据标量，也可以是数组。
即使是数组，实时趋势图的方式也是连续不断地一个数组接着一个数组显示，而不是一次显示完成。
实时趋势图控件的输入是一个双精度浮点数。
实时趋势图控件一次可以接收一个点的数据，也可以接收一组数据。
在实时趋势图控件中，它的数据只不过是代表一条波形上的几个点。
在实时趋势图控件内，设置了一个显示缓冲器，用来保存一部分历史数据，并接收新数据。
这个缓冲区的数据存储按照先进先出的规则管理，它决定了该控件的最大显示数据长度。
在默认情况下，这个缓冲的大小为1KB，即最大的数据显示长度为1024个。
实时趋势图控件适合用在实时测量中的参数监控[3]。
图2—7温室大棚的温度测控系统
Fig2-7Thetemperatureofthelargecanopyofthegreenhouseobservesandcontrolsthesystem
在波形显示控件中，可以对波形显示进行属性设置，如调整X、Y轴的坐标，对波形进行清空等，另外，还可以对图形的外观、数据格式和精度、线型、刻度、光标进行设置。
在波形显示控件中的工具可以对波形进行自动缩放、数字标度设置、对图形进行拖动等工具。
实时趋势图除了具有上述功能外，还具有本身的特点。
1、数字显示
实时趋势图控件是以一次一个点或几个点的方式来接收数据的。
在右键弹出选项总，有一个数字指示器，这个指示器直观地显示了最新显示的一个数据的大小。
如果有多条波形，则每条波形都可以有一个对应的数字指示器。
2、滚动条
实时趋势图控件有一个数据缓冲区。
如果要显示滚动条，在右键弹出的选项中选取，当这个选项有效时，实时趋势图控件可以用一个滚动条来查看缓冲区内前后任何位置的一段数据波形。
3波形刷新方式
在实时趋势图空间中，有3中不同的波形刷新方式，可以刷新波形。
4多层图
在默认条件下，实时趋势图控件将在相同的纵坐标下显示多条波形曲线。
如果这些测量信号的大小范围相差比较大或是显示量纲不同，那么，在相同的纵坐标下，就可能出现信号显示不匹配的情况。
针对这种情况，实时去世土控件专门提供了多层图选项，允许不同信号在不同的纵坐标设置下显示。
当选项有效时，每个波形的Y轴值旧可以单独设置，但X轴的设置是共用的。
5、历史记录长度
该选项用语设置缓冲去的大小，默认值1024点的浮点数。
缓冲区越大，保留的历史数据越多。
但也要注意实际系统的物理内存大小，否则将引起系统性能的下降。
（2）、时间显示
在虚拟仪器语言中，有字符串节点，其中有时间字符串的格式化节点。
在此节点中，输入相应的字符串，就能在前面板上显示出当前的时间。
其前面板如图2—8所示。
框图程序如图2—9所示。
在字符串节点中，包含以下集中用法：
1、字符串合并；
图2—8时间显示前面板
Fig2-8Boardtimeshowinginthefront
图2—9时间显示框图程序
Fig2-9Blockdiagramprocedureoftimeshowing
2、字符串分离；
3、子字符串的提取；
4、时间字符串的格式化；
5、字符串的大小写转换；
6、数值与字符串的相互转换；
7、字符串的比较；
8、字符串与ASCII码值的转换[3]。
在此设计中，用到了While循环，下面介绍一下次循环。
当循环次数不能预先确定时，就用到While循环。
While循环也是虚拟仪器语言最基本的结构之一。
最基本的While循环由循环框架，重复端口，以及条件端口组成。
重复端口的初始值为0，每次循环的递增步长为1。
但是，在LabVIEW中，重复端口的初始值和步长是固定不变的，如果要用到不同的初始值和步长，可对重复端口产生的数据进行一定的数据运算。
条件端口用语控制循环是否继续进行，当每一次循环结束时，条件端口便会检测通过数据连线输入的布尔值，并根据输入的布尔值和其使用状态决定是否继续执行循环。
While循环执行的是包含在循环框架中的程序，但循环次数却是不固定的，只有当满足给定的条件时，才停止循环的执行。
（3）温度显示
在本系统中，能够显示当前温度值和温度报警等功能。
当前温度显示由温度计和数字输出组成，能够显示出当前大棚内的实时温度值，能够从温度计和数字输出（实时温度值）读出数据。
（4）温度管理
在温度管理中，可以对大棚内的温度上下限进行设置，然后把从传感器送近来的温度值和上下限进行比较，如果当前温度高于温度上限，则温度过高指示灯亮，如果当前温度低于温度下限，则温度过低指示灯会亮。
起结构为比较结构，和循环结构。
把当前温度和温度上下限进行比较，在把比较结果送到循环结构的条件端口，当条件满足时，循环开始，执行循环内的程序；当条件没有满足时，循环停止。
两个循环都不满足时，温度在上下限范围内，两个指示灯都不亮。
在循环内部，把由循环框架送进来的数据和温度上下限进行比较，得出应该上升和下降的温度。
从而得知大棚内温度情况。
大棚内温度测控系统的部分框图程序如图2-10所示。
图2-10温室大棚温度测控系统的部分框图程序
Fig2-10Thetemperatureoflargecanopyofthegreenhouseobservesandcontrolssomeblockdiagramproceduresofthesystem
（5）、传感器状态信息
传感器状态信息是反映出大棚内各个传感器的状态，如传感器出现故障，历史传感器的数据等，通过此面板，可以看出大棚内传感器是否正常工作。
如出现故障，可以及时发现，并进行处理。
（6）、各个按钮的作用
1、设置
此按钮作用是对系统进行设置，初始化，如设置温度上下限等。
2、数据刷新
此按钮用来刷新数据，把温度实时图的图像刷新，在程序运行过程中，如果点此按钮，将把温度实时图的图形清除掉，重新开始显示。
3、数据保存
在一般的实时系统中，都有数据保存按钮。
当程序运行时，需要保存数据的时候，按下数据保存按钮，就能把从现在开始的数据保存到指定的文件中。
4、数据查询
在系统中，有时候要对以前的历史数据进行查询，以便分析大棚内的温度变化情况，数据查询按钮这是为此设置的。
当程序运行的时候，需要查询以前的数据，按下此按钮，便可以出现以前的数据，以便查询[8]。
5、数据打印
有些时候，保存下来的数据需要打印出来，此按钮这是完成这个功能。
当程序运行时，需要把数据打印出来，按下此按钮，与电脑相连的打印机便会把数据打印出来，以供查询。
6、停止
当程序正在运行时，需要终止程序的运行，按下停止按钮，程序便终止，不在运行。
7、返回
当大棚内温度达到正常时候，点返回按钮，便返回到上一程序，结束本程序的显示。
这是大棚温度测控系统的前面板显示。
另外，由于计算机和单片机的通信距离比较远，而并行通信的传输距离和抗干扰力比串行通信弱，所以在此单片机和计算机的连接采用串口连接，因此要对串口通信进行编程。
串口通信分为串口读和串口写，下面分别介绍其框图程序以及前面板的设计方法。
首先介绍串口读程序。
在虚拟仪器语言中，有能够对串行口通信进行读的节点。
串行通信节点分为6种，分别实现初始化串口、串口写、串口读、检测串口缓存、中断以及关闭串口等功能。
在利用计算机控制串口一起设备时，经常会用到初始化串口节点。
在进行串行通信前，首先要配置好串口，也即先初始化串口，使计算机串口的各种参数设置与仪器设备的串口保持一致，这样才能够正确的通信。
在初始化节点中，能够对串口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验、流控制、激活终止符、终止符、超时、复制的串口好进行设置。
如果不进行设置，系统将按照默认值进行设置。
下面为串口读的前面板程序和框图程序。
图2-11串口读程序前面板
Fig2-11Onebunchofmouthsisreadtheprocedurefrontboard
图2-12串口读框图程序
Fig2-12Onebunchofmout
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