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基于作物茎流和FPGA的温室环境控制系统设计

作 者: 柳爱珍
导 师: 汪小旵
学 校: 南京农业大学
专 业: 检测技术与自动化装置
关键词: 温室环境 FPGA 茎流速率 叶面温度
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


温室作为设施农业的典型代表,在解决我国蔬菜供应、增加农民收入等方面发挥着重要的作用。温室环境是影响作物产量和品质的关键因素之一,因此设计一种柔性温室硬件控制器不仅可以降低成本,而且可以为后期的二次开发提供更好的平台。本文采用现场可编程门阵列FPGA作为核心器件,前级采用作物茎流仪采集作物生长参数,控制器中采用信息集成的方法,设计了一种温室实时控制系统,主要工作如下:1.在分析国内外温室环境控制系统以及温室环境因子对温室作物生长参数影响的基础上,结合课题的要求,提出并确定了以FPGA.茎流仪和驱动电路相结合的温室环境控制系统及试验的整体方案。2.完成了整个系统的硬件设计。硬件系统主要包括电源模块、FPGA核心模块以及继电器驱动模块。电源模块由开关电源提供FPGA模块以及继电器驱动模块工作所需的工作电压;FPGA核心模块完成数据的采集、处理、显示、传输以及控制逻辑的产生;控制逻辑的高低电平经继电器驱动模块驱动温室内执行机构进行动作。3.完成了整个FPGA核心模块的程序以及上位机监控界面的设计。FPGA核心模块包括以下6个功能模块:数据采集模块、分频模块、数据显示模块、超限报警模块、数据传输模块以及温室环境控制模块。使用硬件描述语言Verilog HDL进行模块化设计,最后在顶层模块中例化各底层模块,完成系统的程序设计,并对完成的系统进行编译、综合。上位机监控界面使用VC6.0进行设计,包括参数设置模块、数据采集模块、控制命令发送模块、当前信息显示和信息存储模块。4.使用FPGA专业仿真软件Modelsim,对编译、综合通过后的程序进行时序仿真,验证系统的功能。成功通过仿真之后,将此系统移入到温室中进行试验验证,验证此温室环境控制系统在夏季温室中的降温效果。试验表明,此系统可以根据温室环境的变化,实时地给出控制策略,使温室内环境平稳变化,为作物生长提供适宜的环境。5.应用专业的统计分析软件MINITAB,对黄瓜的茎流速率叶面温度及其影响因子之间的关系做相关性分析,得出相关性的大小;再对它们使用回归分析的方法,得出回归模型:(1)茎流速率与温室环境的回归方程为:y(g/h)=0.161x1(℃)0.0176x2(%)+0.752x3(W/m2);(2)叶面温度与温室环境及作物茎流速率的回归方程为:y1(℃)=0.892x1(℃)+0.0398x2(%)+0.00650x3(W/m2)-0.00472y(g/h)。结果表明此回归模型具有显著性意义,预测数据与实测数据拟合得较好。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 课题的来源及背景与意义  10-11
    1.1.1 课题的来源  10
    1.1.2 课题的背景与意义  10-11
  1.2 温室控制方法国内外研究进展  11-13
    1.2.1 国外研究进展  11-12
    1.2.2 国内研究进展  12-13
  1.3 作物茎流和叶温特性及其影响因子国内外研究进展  13-14
    1.3.1 国外研究进展  13-14
    1.3.2 国内研究进展  14
  1.4 主要研究内容  14-15
第二章 茎流与FPGA简介  15-23
  2.1 茎流与茎流仪简介  15-18
  2.2 FPGA简介  18-22
    2.2.1 FPGA开发工具QuartusⅡ  19-20
    2.2.2 FPGA硬件描述语言  20-21
    2.2.3 FPGA开发流程  21-22
  2.3 本章小结  22-23
第三章 系统硬件总体设计方案  23-31
  3.1 FPGA核心处理模块  23-24
  3.2 数据采集模块  24-27
    3.2.1 温湿度传感器  25-26
    3.2.2 叶面温度传感器  26
    3.2.3 太阳辐射传感器  26
    3.2.4 土壤温度传感器  26
    3.2.5 作物茎流传感器  26-27
  3.3 人机接口模块  27-28
  3.4 串口传输模块  28-29
  3.5 执行机构控制模块  29-30
  3.6 本章小结  30-31
第四章 控制系统程序设计  31-43
  4.1 FPGA控制程序设计  31-41
    4.1.1 采集模块设计  32-33
    4.1.2 显示模块设计  33-37
    4.1.3 分频模块设计  37
    4.1.4 报警模块设计  37-38
    4.1.5 传输模块设计  38-39
    4.1.6 控制模块设计  39-40
    4.1.7 顶层模块设计  40-41
  4.2 上位机界面设计  41-42
  4.3 本章小结  42-43
第五章 仿真及试验验证  43-48
  5.1 仿真验证  43-45
    5.1.1 Modelsim简介  43-44
    5.1.2 主要模块仿真调试  44-45
  5.2 试验验证  45-47
    5.2.1 试验场地  45
    5.2.2 试验效果  45-47
  5.3 本章小结  47-48
第六章 黄瓜茎流和叶温特性及其影响因子研究  48-59
  6.1 材料与方法  48-49
    6.1.1 材料  48
    6.1.2 方法  48-49
    6.1.3 环境因子与黄瓜生长参数测定  49
  6.2 结果与分析  49-58
    6.2.1 黄瓜茎流特性及其影响因子研究  49-53
    6.2.2 黄瓜叶温特性及其影响因子研究  53-58
  6.3 本章小结  58-59
第七章 总结和展望  59-61
  7.1 工作总结  59
  7.2 前景展望  59-61
参考文献  61-64
致谢  64-66
攻读硕士学位期间发表的论文  66-68
附录  68-76
  附录1 控制柜布置及接线图  68-69
  附录2 部分温湿度采集程序  69-72
  附录3 部分串口发送程序  72-74
  附录4 部分分频程序  74
  附录5 部分液晶显示程序  74-76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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