空間植物培養(yǎng)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 靜，李得天，王長勝，高 波，周 穎

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

空間植物培養(yǎng)裝置原理樣機(jī)是一套半密閉的裝置，可以在中短周期、無人照料的情況下給植物的生長提供必需的條件。該培養(yǎng)裝置主要包括:植物生長模塊、溫度控制模塊、相對(duì)濕度控制模塊、氣體控制模塊、LED光照模塊、圖像采集照相模塊和電控單元模塊。植物生長室內(nèi)的各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測生長室內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、氣體成分、栽培基質(zhì)的含水率以及光照強(qiáng)度，根據(jù)植物在不同的生長階段，對(duì)各模塊進(jìn)行控制，以獲得適合植物生長的環(huán)境條件。空間植物培養(yǎng)裝置原理樣機(jī)實(shí)物如圖1所示。

圖1 空間植物培養(yǎng)裝置原理樣機(jī)

在正常工作狀態(tài)下，空間植物培養(yǎng)裝置可以在植物(擬南芥)的生長全周期過程中，按照上位機(jī)軟件設(shè)定的工作參數(shù)自動(dòng)控制植物培養(yǎng)裝置內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度和植物培養(yǎng)基質(zhì)含水量，提供合適的光照強(qiáng)度和時(shí)間，定時(shí)采集圖像信息，具有氣體交換能力，實(shí)現(xiàn)冷凝過程中水氣分離、上位機(jī)用戶交互、CO2氣體控制、去乙烯氣體控制等，調(diào)節(jié)箱內(nèi)植物生長環(huán)境，完成對(duì)空間植物培養(yǎng)裝置內(nèi)部植物生長環(huán)境條件的控制及顯示等。

1 硬件設(shè)計(jì)

空間植物培養(yǎng)裝置目標(biāo)是完成可以在植物(擬南芥)的生長全周期過程中，全自動(dòng)控制植物培養(yǎng)裝置內(nèi)的各種參數(shù)?？刂茊卧强臻g植物培養(yǎng)裝置的核心組成部分，空間植物培養(yǎng)裝置的電控原理圖如圖2所示，考慮到需要較多的AD轉(zhuǎn)換以及多個(gè)I/O端口，CPU選用高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F240［1-5］。在空間植物培養(yǎng)裝置中，既有模擬采集輸入量還有數(shù)字采集輸入量，其中溫度、相對(duì)濕度傳感器為數(shù)字量，植物培養(yǎng)基質(zhì)含水量、乙烯含量、CO2含量、光照度含量等為電壓模擬量。模擬量經(jīng)過DSP芯片內(nèi)的多路開關(guān)的選通進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD采集。

圖2 電控原理圖

在空間植物培養(yǎng)裝置中，采用大功率半導(dǎo)體制冷片用于升溫/降溫、除濕/增濕控制。用繼電器隔離模塊提高系統(tǒng)的抗干擾能力和驅(qū)動(dòng)能力?；|(zhì)含水量是通過CPU的I/O口驅(qū)動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)器，從而進(jìn)一步控制供水蠕動(dòng)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、圈數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。用于CO2氣體控制的質(zhì)量流量計(jì)用RS485總線通信控制，液晶顯示屏也由RS485通信，由于處理器沒有多余通信口，因此采用多級(jí)通信聯(lián)接方式。

電控單元電路通過RS-232接口與主控計(jì)算機(jī)通信。電控單元接收由主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令，根據(jù)指令解析溫度、相對(duì)濕度等控制要求，與當(dāng)前采集值進(jìn)行對(duì)比，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)控制輸出電路;同時(shí)由下位機(jī)定時(shí)向主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)回送當(dāng)前狀態(tài)信息。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)主控軟件

下位機(jī)主控軟件對(duì)各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)上位機(jī)軟件發(fā)送的指令進(jìn)行解析，根據(jù)指令進(jìn)行各種閥的開關(guān)、電動(dòng)機(jī)啟停、LED燈的通斷以及半導(dǎo)體片的開關(guān)等。

主循環(huán)控制軟件流程圖如圖3所示，在主循環(huán)中，首先進(jìn)行初始化操作，然后每隔5秒對(duì)上位機(jī)發(fā)送一次當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測值，同時(shí)對(duì)中斷接收到的上位機(jī)指令進(jìn)行解析，根據(jù)上位機(jī)指令對(duì)控制單元進(jìn)行操作。

圖3 主循環(huán)控制軟件流程圖

溫控子程序流程圖如圖4所示，與濕控程序類似。溫濕度采用半導(dǎo)體制冷片控制，半導(dǎo)體制冷片工作電壓是直流24V，功率較大，并有換向時(shí)間要大于3分鐘的要求;溫濕度的控制是一個(gè)大滯后、強(qiáng)耦合系統(tǒng)的控制系統(tǒng)［6］，設(shè)計(jì)溫濕控原理如下:

(1)由DSP芯片的GPIO口驅(qū)動(dòng)MOSFET管控制直流5V繼電器;

(2)由直流5V繼電器控制大功率交流220V繼電器電源通斷;

(3)由交流220V交流繼電器控制直流24V半導(dǎo)體制冷片的電源通斷;

(4)在電路中設(shè)計(jì)互鎖功能，即加熱與制冷不能同時(shí)通電;

(5)在軟件計(jì)時(shí)中斷中設(shè)置計(jì)時(shí)器，并設(shè)置換向時(shí)間大于3分鐘的換向標(biāo)志，當(dāng)標(biāo)志滿足條件時(shí)才能進(jìn)行換向，小于3分鐘時(shí)不能進(jìn)行換向。

解析上位機(jī)指令子程序流程圖如圖5所示，當(dāng)下位機(jī)接收到由上位機(jī)發(fā)來的控制命令觸發(fā)外部中斷時(shí)，進(jìn)入中斷處理子程序，同時(shí)解析上位機(jī)的控制指令，判斷上位機(jī)指令是否合理，如合理進(jìn)入對(duì)應(yīng)處理子程序。

圖4 溫控子程序軟件流程圖

圖5 解析上位機(jī)指令子程序流程圖

2.2 上位機(jī)主控軟件

上位機(jī)控制軟件界面如圖6所示，主控計(jì)算機(jī)軟件主要完成以下功能:

(1)當(dāng)前溫度、濕度、CO2含量、光子量的實(shí)時(shí)顯示，對(duì)下位機(jī)通過RS232串口定時(shí)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到當(dāng)前采集量，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;同時(shí)對(duì)測量狀態(tài)信息在后臺(tái)自動(dòng)保存。

(2)控制命令輸入及顯示:由控制界面輸入需要設(shè)置的溫度、濕度、CO2含量，通過RS232串口發(fā)送到下位機(jī)，由下位機(jī)接收解析后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，形成閉環(huán)控制。

上位機(jī)控制方式有2種方式:

(1)自動(dòng)控制方式，在自動(dòng)控制方式下，上位機(jī)不干預(yù)空間植物培養(yǎng)裝置的控制過程，由空間植物培養(yǎng)裝置內(nèi)部下位機(jī)依據(jù)下位機(jī)控制軟件自動(dòng)監(jiān)測空間植物培養(yǎng)裝置內(nèi)氣體、溫度等含量，同時(shí)控制風(fēng)扇、蠕動(dòng)泵、顯示屏等進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。

(2)上位機(jī)軟件控制方式，在此方式下，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前傳感器測量值，用戶可以在上位機(jī)輸入濕度、溫度、CO2含量等控制量，由上位機(jī)發(fā)送控制指令給下位機(jī)，下位機(jī)解析控制指令，同時(shí)根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)控制動(dòng)作，打開關(guān)閉風(fēng)機(jī)、泵以及半導(dǎo)體片等。

上位機(jī)軟件界面靈活、友好，測試數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示，測試狀態(tài)通過視窗進(jìn)行設(shè)置，用VC++編寫［7-8］。

圖6 空間植物培養(yǎng)裝置上位機(jī)控制軟件界面

2.3 液晶顯示軟件

在空間植物培養(yǎng)裝置箱體外部安裝LJD-eWin4L嵌入式ARM7觸控屏［9］，可以實(shí)時(shí)觀測到箱體內(nèi)的采集值，觸控屏電源輸入范圍:9V～28V;預(yù)裝Windows CE 5.0CORE操作系統(tǒng);可以通過開關(guān)方便切換系統(tǒng)和用戶程序;提供功能完整的SDK代碼包和API函數(shù)［10］。

硬件通過TMS320F240外加RS-485控制芯片［11］與顯示組件通信［12-13］，軟件用 EVC開發(fā)，開發(fā)環(huán)境VS2005，界面如圖7所示。

圖7 顯示屏軟件界面

3 實(shí)驗(yàn)

選用擬南芥作為實(shí)驗(yàn)植物，在如圖6所示的上位機(jī)軟件控制界面輸入控制要求指標(biāo)，從擬南芥種子播種，連續(xù)運(yùn)行，一直到最終開花產(chǎn)籽，覆蓋植物生長全生命周期，分析后臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄文件，可以看出，溫度控制精度在±1℃;相對(duì)濕度控制精度在±10%;植物培養(yǎng)基質(zhì)含水量在低于設(shè)定值時(shí)能通過蠕動(dòng)泵自動(dòng)加水;CO2含量在低于設(shè)定值時(shí)能通過質(zhì)量流量計(jì)自動(dòng)添加;模擬白天夜晚LED燈能自動(dòng)切換;乙烯含量較高時(shí)，自動(dòng)打開紫外燈進(jìn)行乙烯去除;選用半導(dǎo)體加熱片控制箱內(nèi)溫濕度，較好地實(shí)現(xiàn)了冷凝水回收;每隔12小時(shí)分2個(gè)角度對(duì)植物進(jìn)行拍照，全過程自動(dòng)記錄植物生長過程。實(shí)驗(yàn)表明，空間植物培養(yǎng)裝置控制系統(tǒng)完全能滿足植物生長的需求，控制精度能達(dá)到植物生長要求。

4 結(jié)束語

本文研制的空間植物培養(yǎng)裝置控制系統(tǒng)，可以閉環(huán)控制裝置內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、CO2含量、乙烯含量、基質(zhì)水分，提供合適的光照強(qiáng)度和時(shí)間，可按時(shí)采集保存圖像信息。實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)效果較好，控制參數(shù)波動(dòng)均在植物生長需求范圍之內(nèi)，控制精度能滿足植物生長要求。

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