CN205176706U - 一种自动覆膜控温移动苗床控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动覆膜控温移动苗床控制器。控制器包括电源模块、温度传感检测单元、湿度传感检测单元、控制驱动单元、RS-485通信接口、数据存储模块、时钟模块、液晶显示单元、外部按键接口、微控制器MCU，充分考虑的农业现场的环境特点，简单实用，成本低、抗干扰能力好。控制器自动采集苗床内外温、湿度信息，自动控制相关覆盖、卷收塑料薄膜设备和电热膜加热设备进行智能调节，实现精准控制；控制模式更加灵活，可以默认预置参数控制，现地控制和集控模式或通过物联网远程控制；预留了RS-485通信接口可以进一步组成集控***完成集群管理。该控制器和控制方法提高了育苗企业自动化管理水平，节能降耗，节省人力成本。

Description

一种自动覆膜控温移动苗床控制器

技术领域

本实用新型涉及移动苗床领域，针对一种自带塑料薄膜自动化覆收装置和红外电加热的移动苗床（201320756222.7），具体涉及此类苗床的一种自动覆膜控温移动苗床控制器。

背景技术

苗床包括固定苗床和移动苗床，主要用于园艺作物的育苗。在冬季、早春等低温时节的育苗作业中，需要利用温室加热***对整个温室内环境进行加温，能耗大、运行成本高；同时还要在苗床上搭盖塑料薄膜来增加苗床的蓄热、保湿能力，工作量大、效率低下。

为解决上述问题，在原有移动苗床基础之上，王锐、廖剑等实用新型了一种新型拱棚式自动卷覆膜机，独立加热保温小环境，实现节能降耗，并能够实现苗床上塑料薄膜的自动卷收和覆盖功能。此种苗床也为自动化管理与控制提供可能。

育苗企业往往需要对规模化的苗床群进行集中管理和控制，在此苗床***结构之上，如何进一步减少人工作业，实现苗床“小环境”的精准、自动、柔性化控制是一个重要课题。国内外针对此问题的研究还处于空白，并且没有类似的控制***和设备可以直接使用。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种对规模化的苗床进行精准、自动的控制，减少人工作业，节能增效，提高苗床自动化控制效率的一种自动覆膜控温移动苗床控制器。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种自动覆膜控温移动苗床控制器，其特征在于，包括：

若干苗床控制器：通过RS485通信连接线缆或无线设备与移动苗床集控中心连接；每个苗床控制器的结构相同，均包括：

一微控制器MCU：采用基于Cotex-M3内核ARM32位处理器；控制整个苗床控制器中单元、模块的工作；

一湿度传感检测单元：与微控制器MCU的IIC接口连接，用于在线测量空气湿度，同时转换为数字量供微控制器MCU读取；

一温度传感检测单元：与微控制器MCU的IO接口连接，用于在线测量空气温度，同时转换为数字量供微控制器MCU读取；

一控制驱动单元：与微控制器MCU的IO接口连接，用于控制苗床卷膜管状电机和红外电热膜的工作；

一RS-485通信接口：与微控制器MCU的USART接口连接，

一外部按键接口：与微控制器MCU的IO接口连接，用于用户手动设定苗床控制器相关参数、设备状态；包括目标温度参数设定，卷膜展开或收拢、电热膜加热控制；

一液晶显示单元：与微控制器MCU的USART接口连接，

一数据存储模块：与微控制器MCU的SPI接口连接，用于存储苗床控制器的运行参数和传感器数据；

一时钟模块：与微控制器MCU的IIC接口连接，包括备用电池和型号为DS3231的时钟芯片，时钟芯片与微控制器MCU的IIC接口连接；时钟电路为整个控制器提供精准的实时时间，所述备用电池用于在电源模块断电时继续保证时钟电路运行；

一电源模块201：与上述所有单元、模块和接口、以及微控制器MCU连接，用于给所有单元、模块和接口、以及微控制器MCU供电。

在上述的一种自动覆膜控温移动苗床控制器，所述控制驱动单元包括苗床卷膜管状电机控制驱动单元和红外电热膜控制驱动单元；其中，苗床卷膜管状电机控制驱动单元包括两个苗床卷膜管状电机控制驱动子单元，用于控制苗床卷膜管状电机的正转和反转；红外电热膜控制驱动单元用于控制红外电热膜的开合，所有控制驱动单元的结构相同，均包括低压控制电路和高压工作电路；

所述低压控制电路包括：光电耦合器，所述光电耦合器输入通过保护电路一与微控制器MCU的IO口连接；光电耦合器的输出通过一电阻与受控电机或电热膜连接，并通过保护电路二与MOS开关管连接；

所述高压工作电路包括：具有常开触点的电磁继电器，所述电磁继电器连接AC电源后与受控电机或电热膜连接，并同时也与MOS开关管连接；

控制当微控制器MCU的CTR口输出高电平时，触发光电耦合器的发光二极管导通，光敏元件受到光照后，光敏三极管导通，驱动开关管导通，触发继电器线圈回路导通，继电器电磁线圈产生磁场，触使继电器常开触点闭合，高压电路回路导通，管状电机或电热膜开始工作；

当微控制器MCU的CTR口输出低电平时，触发光电耦合器的发光二极管截止，光敏三极管截止，开关管截止，继电器线圈回路不导通，触使继电器常开触点断开，高压电路回路不导通，管状电机或电热膜停止工作；

控制苗床卷膜管状电机正转、反转时，当CTR1=0，CTR2=1时，继电器K1线圈回路不导通，继电器K1的常开触点断开，继电器K2线圈回路导通，继电器K2的常开触点闭合，使220V控制电源与继电器K1的常闭触点连接，电机正转端口得电正转，卷膜展开；当CTR1=1，CTR2=1时，继电器K1线圈回路导通，继电器K1的常开触点闭合，继电器K2线圈回路导通，继电器K2的常开触点闭合，使220V控制电源与继电器K1的常开触点连接，电机反转端口得电反转，卷膜收拢；当CTR2=0时，无论CTR1=0或1，继电器K2线圈回路不导通，继电器K2的常开触点断开，电机正转、反转端口始终不能与220V控制电源连接，从而电机停止运行；管状电机状态控制逻辑如图表6所示；此设计有效的避免了微控制器IO口状态异常所导致的管状电机误动作，从而造成设备的损坏。

在上述的一种自动覆膜控温移动苗床控制器，所述湿度传感检测单元包括一电容式线性电压输出湿度模块；电容式线性电压输出湿度模块的输出电压信号接入电阻分压网络，分压后接一AD模数转换器，使电压值在AD模数转换器的转换范围内，再将分压信号经滤波去耦电路后接入AD模数转换器AIN1端口，微控制器MCU再通过IIC总线读取转换数值；微控制器MCU读取的数字量转换值经过零点-满量程数学转换公式计算后，得到空气中实际测量的湿度值。

因此，本实用新型具有如下优点：1、本实用新型阐述了一种针对具有电动覆膜和加热功能的新型移动苗床控制器，通过硬件电路与嵌入式软件的配合，控制器能够自动采集苗床内外温、湿度信息，同时自动覆盖、卷收苗床上塑料薄膜以及电热膜加热控制，从而最终达到控温、控湿，营造了一个适合育苗生长的“小环境”。当传感器参数超标时，***会出现环境阈值告警，并可以自动控制相关设备进行智能调节，实现精准控制；2、鉴于育苗企业往往需要对规模化的苗床群集中管理和控制，本苗床控制器预留了RS-485通信接口，多个苗床控制器可以组成总线通信***，挂接到中央控制器集中管理与监控，适应了企业集约化管理的要求；3、具体控制方式更加灵活，可以预置参数，可以现地控制，也可以通过物联网远程程控制。实现用户在任何时间、任何地点通过任意网络终端，均可实现对苗床各种设备进行远程控制，控制收、卷覆膜、加温、加湿装置；4、新型移动苗床配合本实用新型实施例，能够针对不同种苗的农艺要求提供个性化的控制，为工厂化育苗在同一温室内集群管理和柔性化生产提供了便利，可快速响应市场多样化、个性化的种苗产品需求，同时提高了育苗企业自动化管理水平，节省人力成本，节能降耗。

附图说明

图1是本实用新型实施例应用于苗床群集中管控示意图。

图2是本实用新型实施例的控制器***结构示意图。

图3是本实用新型实施例的湿度传感检测单元电路原理图。

图4a是本实用新型实施例的管状电机的一个控制驱动单元电路原理图。

图4b是本实用新型实施例的管状电机的另一个控制驱动单元电路原理图。

图5是本实用新型实施例的管状电机控制示意图。

图6是本实用新型实施例的管状电机控制逻辑图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一、首先介绍一下本实用新型的具体电路结构。

图1中所示为苗床集控***的架构图，移动苗床集控中心101、苗床控制器102，通过103RS485通信连接线缆或无线设备连接。一般现有苗床都规整方正，现场覆膜加热***也有现成的有线路，因此一般采用有线模式；而遵守RS485通信协议的无线设备则使控制器位置分布则更加灵活。此扁平架构具有结构简单、成本低、组网方便、功能强、抗干扰能力好、和面向控制的优点。苗床控制器102预留了RS-485通信接口，保证多个苗床控制器可以组成总线通信***，挂接到中央控制器集中管理与监控，集控中心只需要支持RS485通信协议，可以与苗床企业原有管理设备兼容通用。

苗床控制器102的硬件结构图如2所示。苗床控制器102包括电源模块201、湿度传感检测单元202、温度传感检测单元203、控制驱动单元204、RS-485通信接口205、外部按键接口206、液晶显示单元207、数据存储模块208、时钟模块209、微控制器MCU(MicrocontrollerUnit微控制单元)210，以上本实施方法只是本例的优选实现方案。

温度传感检测单元、湿度传感检测单元、控制驱动单元、RS-485通信接口、数据存储模块、时钟模块、液晶显示单元、外部按键接口和微控制器MCU与电源模块连接；所述温度传感检测单元与微控制器MCU的IO接口连接；湿度传感检测单元与微控制器MCU的IIC接口连接；控制驱动单元与微控制器MCU的IO接口连接；所述RS-485通信接口与微控制器MCU的USART接口连接；数据存储模块与微控制器MCU的SPI接口连接，时钟模块与微控制器MCU的IIC接口连接，液晶显示单元与微控制器MCU的USART接口连接，外部按键与微控制器MCU的IO接口连接。

电源模块201包括交流220V电源***、直流5V和12V电源***。整个控制器输入电源有两部分，一部分是交流220V，作为塑料薄膜电机和远红外电热膜的驱动电源；另一部分是12V直流电源，作为整个控制器弱电部分的输入电源，一方面经过DC-DC降压电源模块转化为直流5V电源，为微控制器MCU、以及其他功能模块和芯片供电；另一方面经过DC-DC稳压电源模块转化为隔离的直流12V电源，为继电器线圈回路供电。

DC-DC降压电源模块采用金升阳公司的K7805-500R2，具有宽电压输入，非隔离稳压输出，效率高、损耗小、发热低特性；DC-DC稳压电源模块采用金升阳公司的BS1212XT-1WR2，具有转化效率高、隔离电压1500VDC特性。

湿度传感检测单元203主要实现空气湿度的在线测量，同时转换为数字量供微控制器MCU读取。湿度传感检测单元包括湿度传感器、电阻分压网络、滤波保护电路、AD模数转换器。

湿度传感器采用HM1500LF，它是一种电容式线性电压输出湿度模块，具有高可靠性和长时间稳定性，在5V直流供电时，0-100%RH对应输出1-3.6VDC线性电压，温度依赖性非常低。保证采集传感探头信号的准确性、一致性、稳定性。

如图3所示，将HM1500LF输出的电压信号S1接入电阻分压网络Ra1.1和Ra1.2（Ra1.1=15K，Ra1.2=12K，精度0.1%），按一定比例分压后使其电压值在AD模数转换器的转换范围内，再将分压信号滤波去耦后接入AD模数转换器AIN1端口，微控制器MCU再通过IIC总线读取转换数值。微控制器MCU读取的数字量转换值经过零点-满量程数学转换公式计算后，得到空气中实际测量的湿度值。

AD模数转换器采用Microchip公司的18位A/D转换芯片MCP3424，它具有低噪音，高精度，自动对失调和增益误差进行校正，分辨率可调，提供两种转换模式特点。

温度传感检测单元202主要实现空气温度的在线测量，同时转换为数字量供微控制器MCU读取。采集空气温度信息采用的是数字式温度传感器DS18B20，具有接线方便、耐磨耐碰、体积小、适应性强、适用于各种狭小空间测温和控制领域。由于其直接输出数字信号，可以直接与微控制器MCU的IO口连接，按特定协议读取温度数据。由于控制器要完成苗床拱棚小环境的温、湿度控制，因此控制器的温、湿度传感检测单元分别设计了两路检测接口，一路测量苗床拱棚内小环境的温、湿度信息，另一路测量苗床拱棚外的空气温、湿度信息。

控制驱动单元204主要完成苗床卷膜管状电机和红外电热膜的控制功能。优选的，如图4a至图4b所示，控制驱动单元主要由光耦隔离器TLP181、松乐SLA-12VDC-SL-C型继电器、开关管NUD3160组成。从逻辑上又可分为低压控制电路和高压工作电路两部分，低压控制电路包括微控制器MCU的IO口、光电耦合器、MOS开关管、电磁继电器线圈、以及保护电路；高压工作电路包括AC电源、电磁继电器常开触点、受控电机或电热膜。

当微控制器MCU的CTR2口输出高电平时，触发TLP181的发光二极管导通，光敏元件受到光照后，光敏三极管导通，驱动开关管NUD3160导通，触发继电器线圈回路导通，继电器电磁线圈产生磁场，触使继电器常开触点闭合，高压电路回路导通，管状电机或电热膜开始工作。同理，当微控制器MCU的CTR2口输出低电平时，TLP181的发光二极管截止，光敏三极管截止，开关管NUD3160截止，继电器线圈回路不导通，触使继电器常开触点断开，高压电路回路不导通，管状电机或电热膜停止工作。

卷膜管状电机的正、反转启停控制原理示意图如图5所示，本控制器设计了两路控制驱动电路，通过微控制器的两路IO口按一定逻辑控制其通断，组合完成对管状电机正转、反转、停止三个状态的控制。当CTR1=0，CTR2=1时，继电器K1线圈回路不导通，继电器K1的常开触点断开，继电器K2线圈回路导通，继电器K2的常开触点闭合，使220V控制电源与继电器K1的常闭触点连接，电机正转端口得电正转，卷膜展开；当CTR1=1，CTR2=1时，继电器K1线圈回路导通，继电器K1的常开触点闭合，继电器K2线圈回路导通，继电器K2的常开触点闭合，使220V控制电源与继电器K1的常开触点连接，电机反转端口得电反转，卷膜收拢；当CTR2=0时，无论CTR1=0或1，继电器K2线圈回路不导通，继电器K2的常开触点断开，电机正转、反转端口始终不能与220V控制电源连接，从而电机停止运行。管状电机状态控制逻辑如图表6所示。此设计有效的避免了微控制器IO口状态异常所导致的管状电机误动作，从而造成设备的损坏。

电热膜控制只需设计一路控制驱动单元，通过微控制器MCU的一个IO口即可完成加热的启停控制。

时钟电路单元209包括备用电池和型号为DS3231的时钟芯片，时钟芯片与微控制器MCU的IIC接口连接。时钟电路为整个控制器提供精准的实时时间。备用电池用于在电源模块断电时继续保证时钟电路运行。

数据存储模块208用于存储苗床控制器的运行参数和传感器数据。数据存储模块通过SPI接口与微控制器MCU连接，数据存储模块采用存储容量为128M的存储芯片。

液晶显示单元207包括RS-485通信芯片3082和液晶显示模块。液晶显示模块采用武汉中显智能显示终端，型号为SDW4027-042-TS40W，智能显示终端通过RS-485总线接口与通信芯片3082连接，通信芯片3082通过USART接口与微控制器MCU连接。液晶显示单元作为本设备与外界的人机交互接口，实时显示传感器数据、控制设备状态以及相关参数信息。

外部按键接口206主要实现人为手动设定苗床控制器相关参数、设备状态，如目标温度参数设定，卷膜展开或收拢、电热膜加热控制。外部按键接口通过微动开关与微控制器MCU的IO连接，MCU查询检测相应IO状态来判断按键开关是否按下。本控制器共设计了6个按键，分别是卷膜收拢、展开、停止，目标温度升温、降温、确定。

RS-485通信接口205通过通信芯片3082挂接到RS-485总线与外部设备通信。苗床控制器可以作为RS-485从设备，与中心站控制器建立双向通信，能够实现苗床各种配置参数、控制指令的写入以及传感数据、控制设备状态、参数信息的读取。

微控制器MCU210采用基于Cotex-M3内核ARM32位处理器，型号为STM32F103RCT6，性能强大、外设接口丰富、功耗低，满足此类嵌入式应用需求。

本实施例的工作过程如下：

移动苗床控制器的核心部件MCU210通过执行编写好的程序代码完成相应的设备功能。控制器主程序采用后台运行模式，控制器外部中断处理事件有定时检测与控制、外部按键、通信命令等。

控制器每个时间周期要采集温、湿度信息，计算出来的实际测量值与设定的目标值进行比较，然后自动控制相关覆盖、卷收塑料薄膜设备和电热膜加热设备进行智能调节，实现精准控制，使苗床小环境指标符合设定要求。

外部按键主要是处理人为手动设定温度、湿度值，然后存储到数据存储模块中。控制器留有RS-485外部通信接口，方便设备挂接到总线***中。当接收到外部数据命令时，控制器解析协议，然后按命令执行相关操作。控制模式更加灵活，可以默认预置参数控制，现地控制和集控模式或通过物联网远程控制。

本实用新型中，提供了一种自动覆膜控温移动苗床控制器，其硬件结构模块化设计，充分考虑的农业现场的环境特点，简单实用，成本低；并可以进一步组成集控***，支持多种控制模式，如预设置目标值、现地控制、远程控制，满足育苗企业的规模化、精细化管理和控制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种自动覆膜控温移动苗床控制器，其特征在于，包括：

若干苗床控制器：通过RS485通信连接线缆或无线设备与移动苗床集控中心连接；每个苗床控制器的结构相同，均包括：

一微控制器MCU：采用基于Cotex-M3内核ARM32位处理器；控制整个苗床控制器中单元、模块的工作；

一湿度传感检测单元：与微控制器MCU的IIC接口连接，用于在线测量空气湿度，同时转换为数字量供微控制器MCU读取；

一温度传感检测单元：与微控制器MCU的IO接口连接，用于在线测量空气温度，同时转换为数字量供微控制器MCU读取；

一控制驱动单元：与微控制器MCU的IO接口连接，用于控制苗床卷膜管状电机和红外电热膜的工作；

一RS-485通信接口：与微控制器MCU的USART接口连接，

一外部按键接口：与微控制器MCU的IO接口连接，用于用户手动设定苗床控制器相关参数、设备状态；包括目标温度参数设定，卷膜展开或收拢、电热膜加热控制；

一液晶显示单元：与微控制器MCU的USART接口连接，

一数据存储模块：与微控制器MCU的SPI接口连接，用于存储苗床控制器的运行参数和传感器数据；

一时钟模块：与微控制器MCU的IIC接口连接，包括备用电池和型号为DS3231的时钟芯片，时钟芯片与微控制器MCU的IIC接口连接；时钟电路为整个控制器提供精准的实时时间，所述备用电池用于在电源模块断电时继续保证时钟电路运行；

一电源模块：与上述所有单元、模块和接口、以及微控制器MCU连接，用于给所有单元、模块和接口、以及微控制器MCU供电。

2.根据权利要求1所述的一种自动覆膜控温移动苗床控制器，其特征在于，所述控制驱动单元包括苗床卷膜管状电机控制驱动单元和红外电热膜控制驱动单元；其中，苗床卷膜管状电机控制驱动单元包括两个苗床卷膜管状电机控制驱动子单元，用于控制苗床卷膜管状电机的正转和反转；红外电热膜控制驱动单元用于控制红外电热膜的开合，所有控制驱动单元的结构相同，均包括低压控制电路和高压工作电路；

所述低压控制电路包括：光电耦合器，所述光电耦合器输入通过保护电路一与微控制器MCU的IO口连接；光电耦合器的输出通过一电阻与受控电机或电热膜连接，并通过保护电路二与MOS开关管连接；

所述高压工作电路包括：具有常开触点的电磁继电器，所述电磁继电器连接AC电源后与受控电机或电热膜连接，并同时也与MOS开关管连接。

3.根据权利要求1所述的一种自动覆膜控温移动苗床控制器，其特征在于，所述湿度传感检测单元包括一电容式线性电压输出湿度模块；电容式线性电压输出湿度模块的输出电压信号接入电阻分压网络，分压后接一AD模数转换器，使电压值在AD模数转换器的转换范围内，再将分压信号经滤波去耦电路后接入AD模数转换器AIN1端口，微控制器MCU再通过IIC总线读取转换数值；微控制器MCU读取的数字量转换值经过零点-满量程数学转换公式计算后，得到空气中实际测量的湿度值。