农机专业机电一体化系统设计课程作为农业机械化及自动化专业大四上学期的专业选修课，是农机专业多门先修课程的一个汇总，它将前面所学测试技术、电工学、微机原理以及机械类课程的知识进行了汇总。由于传统农业机械化水平低，以往的农业机械化专业课程体系中主要以机械学科为主，仅开设简单的农业电气化及其自动化这门略有学科交叉的课程，并且实验设备陈旧落后，大部分实验为传统的农业机械机械构造类试验，难以满足机电一体化实验教学的需求。目前国内外一些农业高校类似课程试验中大部分试验因为条件限制，难以得到推广，如中国农大、 华南农大等高校进行的“智能谷物测产装置”、“农业激光平地自动控制系统”等设施，一方面要求具有较大的场地，且投人成本较高；同时由于需要运用到一些大型设备，使得可操作性和安全性都不高。而温室大棚，虽然因为其包含多种传感器、控制器及执行机构， 所以在农业机械中占有较高的地位,但其控制条件为环境因子的变化，在大气环境下实现控制与教学同步的要求。因此研制一款能虚拟出环境变化，并根据虚拟出的环境因子的改变控制温室大棚内部环境的教学装置是十分必要的。
1、温室大棚控制系统设计方案
本系统控制原理结构框图见图1，由分布式的数据采集与控制系统组成，外界环境模拟箱可通过人工控制模拟外界环境变化（如温度、湿度、光照强度等），人工实时改变模拟的外界环境变化达到快捷高效演示实际大棚自动控制流程的教学目的，在模拟箱内安装了数据采集的传感器，将GZD-V1-15光照度变送器的输出模拟信号和DHT11温湿度传感器的数字信号传递给STC12C5A60S2单片机，单片机负责处理输人信号并做出实时判断，实现智能控制温室内工作器件的目的通过控制面板上的LCD液晶显示实时显示 温湿度及光照强度值；继电器模块起隔离控制电流与工作电流的作用，实现使用单片机小电流控制温室内各种大功率电器工作的目的。通过继电器控制外部电器工作.实现对温室实时准确控制，使温室大棚内环境与模拟的外界环境形成负反馈，维持适合作物生长的环境条件。同时为了提升控制的灵活性，另设置了点动控制按钮，使其更适合教学演示与生产要求。
2、温室大棚电源供给系统设计
本主控STC12C5A60S2单片机：要稳定的5 V直流电源，同时控制三线交流电机的双刀双掷继电器工作电压是12 V,GZD-V1-15光照度变送器的工作电流是24 V。所以本电源供给系统需要有多组电压输出, 电源系统的设计流程:220V AC单相电输人—变压器—降压—单相桥式整流—滤波-放大-输出。我们设计一个安全可靠的电源供给电路，它能提供5、12、24V的稳定电压，稳定可靠的电源供给是保证系统正常工作的必要条件，通过220V/30V，60W变压器将220V转成30V AC，通过4只1N4007 二极管组成的单相桥式整流桥整流，一个50V，1mF的电解电容，接 LM7824输入端起滤波作用，一个104瓷片电容接LM7824的输出端，起防自激作用，在通过稳压芯片稳压成我们需要的电压，经实际测试整个控制系统电流达1.56A，所以外加大功率PNP型三极管BD238增大电流：，如图2所示。BD238参数：最大正向连续电 流2 A反向耐压100 V, 3个稳压芯片中（依次为 LM7824 , LM7812 , LM7805 ) LM7824 和 LM7812 之间压降过大，串接25 W的水泥电阻，防止12 V稳压芯片功率过大发热，同时稳压芯片和变压器都外加散热器，保证整个供电系统安全可靠，我们还在12—5 V之间连接了ＬＥＤ指示灯，方便观察电源模块是否正常运行，设计成220 V AC转24 V AC到24 V DC，降压到12 V DC，再到5 V DC的二电源电压供给系统，其24 V 电路连接如图2所示:
2.1电源供给系统参数设计计算
温室大棚电源系统功能参考图3计算。
2.1.1三极管放大参数计算
为保证电源系统的正常可靠工作，设计的要求是24 V稳压芯片输出端至少有2 A电流的带负载能力，抽取LM7824稳压芯片部分计算功耗，由于LM7824稳压芯片接地脚电流很小，由切尔霍夫电流定理可得：
实际测试在没有正常放大电路的情况下，Ｉ2 =1.26 A，为求得放大电流，先假设:β = 5，Ｕ= -0.7 V ,r =5，Ｉ2 =1 A，可推算出Ｉ=7 A:,当然变压器的功耗达不到这么大，但这个输出电压足以满足我们输出电流大于2 A的要求，由于实验室有三极管BD238，它的参数特性可满足上述条件，从节省成本考虑，我们选择了BD238三极管。
2.1.2串接水泥电阻功耗计算
LM7824稳压芯片后面直接接LM7812会导致LM7812的功耗过大，容易发热，影响系统稳定性，所以串接大功率电阻（水泥电阻）降耗，下面是求解水泥电阻的计算过程：
为保证LM7812正常工作，其正向压降应越小越好，选择13-12=1 V压降，Ｉ０=2 A，水泥电阻两边电势是24 V和13 V，所以，水泥电阻要求最小功耗
W = (24 - 13)Ｉ0 = 22 (W)
水泥电阻要求最小电阻
R = (24 - 13)/Ｉ0 = 11 (Ω)
根据计算结果我们选择25 W，15Ω水泥电阻。
2.1.3供电系统功耗要求计算
整个供电系统要求功耗 Ｗ总=2x24 =48 W;由单相桥式整流电路的特性知，整流平均电压u =0.9U,电压器副边有效电流值i = 1. 11I，整流P前=UI，整流后为P后=ui效率为：
由变压器的参数知转换效率为η2=90%,所以电压器最小功率为：
我们选择220 V/30 V，60 W变压器符合上述条件。为确实保证供电系统稳定可靠工作在为变压器和稳压芯片都加装了散热器，最大限度保证系统可靠。
3、软件系统设计
教学型温室大棚主要用于课堂教学，温室控制的主要影响因素是环境因素。我们通过温室外的环境模拟箱模（手动控制箱内加热炉，降雨装置，灯泡）拟现实的天气变化，如光照，温度，湿度，降雨，通过监控这些环境因素的变化，模拟箱给控制系统负反馈信号，控制温室内保持适合环境，控制系统根据模拟箱的环境信号变化不同，自动控制温室内的电器（加热炉，加湿器，排风扇，白炽灯）工作，使温室内环境条件保持适宜作物生长的环境，形象生动地演示各环境因素变化，实现快捷高效模拟现实温室大棚自动控制流程的教学目的。要实现自动化控制，搭建好硬件系统，还需要设计软件系统实现自动控制，软件系统大部分工作是针对某一特定对象，完成硬件不能完成的功能。软件设计具有很好的灵活性，可以根据系统的要求不同而设计。
设计的程序主要包括：系统初始化模块，信号采集 与处理模块；智能判断算法控制模块；中断子程序；显示模块；手动控制模块等，我们完成了各功能子模块分别编写和调试，逐个实现各模块功能，所有模块通过调试后，再将各个模块连接一起，构成一个完整的单片机软件控制系统。这样的设计有利于程序代码的优化，程序脉络条理清晰，而且便于程序调试、维护和功能扩展。
1、温室大棚控制系统设计方案
本系统控制原理结构框图见图1，由分布式的数据采集与控制系统组成，外界环境模拟箱可通过人工控制模拟外界环境变化（如温度、湿度、光照强度等），人工实时改变模拟的外界环境变化达到快捷高效演示实际大棚自动控制流程的教学目的，在模拟箱内安装了数据采集的传感器，将GZD-V1-15光照度变送器的输出模拟信号和DHT11温湿度传感器的数字信号传递给STC12C5A60S2单片机，单片机负责处理输人信号并做出实时判断，实现智能控制温室内工作器件的目的通过控制面板上的LCD液晶显示实时显示 温湿度及光照强度值；继电器模块起隔离控制电流与工作电流的作用，实现使用单片机小电流控制温室内各种大功率电器工作的目的。通过继电器控制外部电器工作.实现对温室实时准确控制，使温室大棚内环境与模拟的外界环境形成负反馈，维持适合作物生长的环境条件。同时为了提升控制的灵活性，另设置了点动控制按钮，使其更适合教学演示与生产要求。
2、温室大棚电源供给系统设计
本主控STC12C5A60S2单片机：要稳定的5 V直流电源，同时控制三线交流电机的双刀双掷继电器工作电压是12 V,GZD-V1-15光照度变送器的工作电流是24 V。所以本电源供给系统需要有多组电压输出, 电源系统的设计流程:220V AC单相电输人—变压器—降压—单相桥式整流—滤波-放大-输出。我们设计一个安全可靠的电源供给电路，它能提供5、12、24V的稳定电压，稳定可靠的电源供给是保证系统正常工作的必要条件，通过220V/30V，60W变压器将220V转成30V AC，通过4只1N4007 二极管组成的单相桥式整流桥整流，一个50V，1mF的电解电容，接 LM7824输入端起滤波作用，一个104瓷片电容接LM7824的输出端，起防自激作用，在通过稳压芯片稳压成我们需要的电压，经实际测试整个控制系统电流达1.56A，所以外加大功率PNP型三极管BD238增大电流：，如图2所示。BD238参数：最大正向连续电 流2 A反向耐压100 V, 3个稳压芯片中（依次为 LM7824 , LM7812 , LM7805 ) LM7824 和 LM7812 之间压降过大，串接25 W的水泥电阻，防止12 V稳压芯片功率过大发热，同时稳压芯片和变压器都外加散热器，保证整个供电系统安全可靠，我们还在12—5 V之间连接了ＬＥＤ指示灯，方便观察电源模块是否正常运行，设计成220 V AC转24 V AC到24 V DC，降压到12 V DC，再到5 V DC的二电源电压供给系统，其24 V 电路连接如图2所示:
2.1电源供给系统参数设计计算
温室大棚电源系统功能参考图3计算。
2.1.1三极管放大参数计算
为保证电源系统的正常可靠工作，设计的要求是24 V稳压芯片输出端至少有2 A电流的带负载能力，抽取LM7824稳压芯片部分计算功耗，由于LM7824稳压芯片接地脚电流很小，由切尔霍夫电流定理可得：
实际测试在没有正常放大电路的情况下，Ｉ2 =1.26 A，为求得放大电流，先假设:β = 5，Ｕ= -0.7 V ,r =5，Ｉ2 =1 A，可推算出Ｉ=7 A:,当然变压器的功耗达不到这么大，但这个输出电压足以满足我们输出电流大于2 A的要求，由于实验室有三极管BD238，它的参数特性可满足上述条件，从节省成本考虑，我们选择了BD238三极管。
2.1.2串接水泥电阻功耗计算
LM7824稳压芯片后面直接接LM7812会导致LM7812的功耗过大，容易发热，影响系统稳定性，所以串接大功率电阻（水泥电阻）降耗，下面是求解水泥电阻的计算过程：
为保证LM7812正常工作，其正向压降应越小越好，选择13-12=1 V压降，Ｉ０=2 A，水泥电阻两边电势是24 V和13 V，所以，水泥电阻要求最小功耗
W = (24 - 13)Ｉ0 = 22 (W)
水泥电阻要求最小电阻
R = (24 - 13)/Ｉ0 = 11 (Ω)
根据计算结果我们选择25 W，15Ω水泥电阻。
2.1.3供电系统功耗要求计算
整个供电系统要求功耗 Ｗ总=2x24 =48 W;由单相桥式整流电路的特性知，整流平均电压u =0.9U,电压器副边有效电流值i = 1. 11I，整流P前=UI，整流后为P后=ui效率为：
由变压器的参数知转换效率为η2=90%,所以电压器最小功率为：
我们选择220 V/30 V，60 W变压器符合上述条件。为确实保证供电系统稳定可靠工作在为变压器和稳压芯片都加装了散热器，最大限度保证系统可靠。
3、软件系统设计
教学型温室大棚主要用于课堂教学，温室控制的主要影响因素是环境因素。我们通过温室外的环境模拟箱模（手动控制箱内加热炉，降雨装置，灯泡）拟现实的天气变化，如光照，温度，湿度，降雨，通过监控这些环境因素的变化，模拟箱给控制系统负反馈信号，控制温室内保持适合环境，控制系统根据模拟箱的环境信号变化不同，自动控制温室内的电器（加热炉，加湿器，排风扇，白炽灯）工作，使温室内环境条件保持适宜作物生长的环境，形象生动地演示各环境因素变化，实现快捷高效模拟现实温室大棚自动控制流程的教学目的。要实现自动化控制，搭建好硬件系统，还需要设计软件系统实现自动控制，软件系统大部分工作是针对某一特定对象，完成硬件不能完成的功能。软件设计具有很好的灵活性，可以根据系统的要求不同而设计。
设计的程序主要包括：系统初始化模块，信号采集 与处理模块；智能判断算法控制模块；中断子程序；显示模块；手动控制模块等，我们完成了各功能子模块分别编写和调试，逐个实现各模块功能，所有模块通过调试后，再将各个模块连接一起，构成一个完整的单片机软件控制系统。这样的设计有利于程序代码的优化，程序脉络条理清晰，而且便于程序调试、维护和功能扩展。
4、主程序模块
主程序可以方便地调用其他各个功能子程序，这样可以简化主程序的设计，提高程序的可读性，提高编程效率，主程序负责组织调用各子程序模块，完成系统初始化，处理按键，采集数据，显示数据功能。 STC12S5A60S2单片机内部集成看门狗功能，通过寄 存器WDT_CONTR设置看门狗功能，看门狗为防止程 序长时间运行跑飞提供可靠保证。由于整个程序较大,调用的子程序较多，为最大限度保证看门狗不产生错误溢出，我们赋值看门狗设置寄存器WDT_CINTR = 0X37;设置溢出时间为8.3886 s，在整个程序运行一个轮回，看门狗定时器不产生溢出，除非程序跑飞或进人死循环，实际测试无出错溢出，在自动运行子程序中，我们也给看门狗定时器赋值清零，最大限度保证看门狗不产生错误溢出，同时保证系统稳定可靠。
加入了外部中断处理，并设置为高优先级，采用限位开关连接到外部中断INT0/INT1引脚，外部中断处理函数负责处理遮阳篷限位，正反极限位置一到，无论程序工作在哪程序都会去处理中断程序，保证正反转电机停止；系统初始化包括启动外部中断INT0和INTI和总中断并设置为下降沿出发，程序变量和IO端口宏定义，液晶初始化，模拟信号输人口设置等；进入程序大循环扫描按键，设置的点动按钮和自动按钮，大循环不调用自动处理处理函数，增加控制的灵活性，方便教学使用；大循环和进入口按键处理子程序都实时处理和显示各种测量得到的信息；主程序流程图如图 4所示，中断处理流程如图5所示。
5、北方温室大棚结语
本文针对教学型温室大棚控制系统中不同的传感器、执行机构对电源的不同要求，设计了220 V AC电 源转换成5，12,24 V DC的电路,并对其中的电气参数进行了计算。同时还给出了控制系统的程序设计流程图。该控制系统能满足教学型温室大棚虚拟环境参数的采集，大棚内部环境调节机构等设备的电源和控制的需求，给农机化专业学生提供了一个良好的机电一体化课程的实验平台。
主程序可以方便地调用其他各个功能子程序，这样可以简化主程序的设计，提高程序的可读性，提高编程效率，主程序负责组织调用各子程序模块，完成系统初始化，处理按键，采集数据，显示数据功能。 STC12S5A60S2单片机内部集成看门狗功能，通过寄 存器WDT_CONTR设置看门狗功能，看门狗为防止程 序长时间运行跑飞提供可靠保证。由于整个程序较大,调用的子程序较多，为最大限度保证看门狗不产生错误溢出，我们赋值看门狗设置寄存器WDT_CINTR = 0X37;设置溢出时间为8.3886 s，在整个程序运行一个轮回，看门狗定时器不产生溢出，除非程序跑飞或进人死循环，实际测试无出错溢出，在自动运行子程序中，我们也给看门狗定时器赋值清零，最大限度保证看门狗不产生错误溢出，同时保证系统稳定可靠。
加入了外部中断处理，并设置为高优先级，采用限位开关连接到外部中断INT0/INT1引脚，外部中断处理函数负责处理遮阳篷限位，正反极限位置一到，无论程序工作在哪程序都会去处理中断程序，保证正反转电机停止；系统初始化包括启动外部中断INT0和INTI和总中断并设置为下降沿出发，程序变量和IO端口宏定义，液晶初始化，模拟信号输人口设置等；进入程序大循环扫描按键，设置的点动按钮和自动按钮，大循环不调用自动处理处理函数，增加控制的灵活性，方便教学使用；大循环和进入口按键处理子程序都实时处理和显示各种测量得到的信息；主程序流程图如图 4所示，中断处理流程如图5所示。
5、北方温室大棚结语
本文针对教学型温室大棚控制系统中不同的传感器、执行机构对电源的不同要求，设计了220 V AC电 源转换成5，12,24 V DC的电路,并对其中的电气参数进行了计算。同时还给出了控制系统的程序设计流程图。该控制系统能满足教学型温室大棚虚拟环境参数的采集，大棚内部环境调节机构等设备的电源和控制的需求，给农机化专业学生提供了一个良好的机电一体化课程的实验平台。
