高一川　柳競(jìng)林　肖進(jìn)

摘要：針對(duì)溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)電力柜控制系統(tǒng)中存在的不足，提出了一種基于嵌入式技術(shù)的執(zhí)行設(shè)備控制方法，設(shè)計(jì)的控制器采用五個(gè)單相磁保持繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，通過過零點(diǎn)檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，配合相應(yīng)的嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)溫室設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。試驗(yàn)證明，該控制器滿足設(shè)計(jì)要求指標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：溫室；執(zhí)行設(shè)備；控制器；繼電器

中圖分類號(hào)：S24；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）13-3170-04

Designing Greenhouse Actuator Controller Based on Embedded Technology

GAO Yi-chuana，LIU Jing-linb，XIAO Jina

（a. Institute of Agricultural Mechanization；

b. Institute of Forestry and Fruit Tree， Wuhan Academy of Agricultural Science & Technology， Wuhan 430075， China）

Abstract： Considering the deficiency of power control system existed in greenhouse actuator controller， a novel control method based on embedded technologies was proposed. The actuator controller using five single-phase magnetic latching relays as major execution unit， through zero-crossing detection circuit and relay driver circuit， coordinating with corresponsive embedded software realized the real-time monitoring and control of greenhouse equipments. Results showed that the controller could meet the design requirements and had certain practical use.

Key words： greenhouse； actuator； controller； relay

溫室環(huán)境控制技術(shù)作為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的一種，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步而逐漸發(fā)展起來的，并向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展[1]。世界各國(guó)已將溫室環(huán)境控制技術(shù)的研究作為可控環(huán)境農(nóng)業(yè)的研究重點(diǎn)。溫室環(huán)境控制的基本原理是通過傳感器實(shí)地監(jiān)測(cè)關(guān)心的環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照度、CO2濃度、pH和EC等，然后將這些傳感數(shù)據(jù)集中采集回來，再借助植物生長(zhǎng)所需的目標(biāo)環(huán)境參數(shù)（專家系統(tǒng)），通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)這些環(huán)境因子進(jìn)行集中調(diào)控，具體來講就是對(duì)溫室內(nèi)的一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫室環(huán)境控制技術(shù)的研究集中在三個(gè)方面：其一，系統(tǒng)及硬件方面的研究[2]。主要研究如何構(gòu)建整套溫室監(jiān)控系統(tǒng)，從傳感器數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信，再到計(jì)算機(jī)集中控制。由于工業(yè)控制技術(shù)較為成熟、可靠性較高，將工業(yè)控制器應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)也是近年來研究的一個(gè)方向。其二，溫室控制模型和控制算法方面的研究[3]。其三，將作物模型和溫室環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行溫室環(huán)境調(diào)控方面的研究[4]。目前針對(duì)溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的研究還是空白，而執(zhí)行設(shè)備控制器處于整個(gè)溫室控制系統(tǒng)最末端控制環(huán)節(jié)，所有控制算法和控制策略的實(shí)施最終都要?dú)w結(jié)于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。如何有效、可靠地控制這些執(zhí)行設(shè)備成為溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)代溫室控制系統(tǒng)的調(diào)控設(shè)備，或稱為最終控制對(duì)象，包括天窗、側(cè)窗、濕簾、風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、內(nèi)外遮陽(yáng)、補(bǔ)光燈、環(huán)流風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐、CO2發(fā)生器等。每個(gè)執(zhí)行設(shè)備按控制方式的不同分為三類：第一類是對(duì)三相交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制，包括天窗、側(cè)窗、外遮陽(yáng)、內(nèi)遮陽(yáng)等；第二類是交流三相電機(jī)的起停（開關(guān)）控制，包括環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐等；第三類是兩相電源的開關(guān)控制，包括補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器、水泵等。此文主要針對(duì)第一類設(shè)備控制器進(jìn)行研究，其他兩類控制設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單一些，可以參照第一類控制器的設(shè)計(jì)。

溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)大部分由三相電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來傳動(dòng)，而目前比較普遍的做法是配備相應(yīng)的電力控制柜，其基本組成是使用熔斷器、接觸器以及繼電器并按照一定的接線方式來控制三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)。由于這種設(shè)備成本低廉，構(gòu)建簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于簡(jiǎn)易或連棟溫室大棚中。然而，在電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的容量較大或操作不當(dāng)?shù)仍颍菀讓?dǎo)致接觸器的主觸頭產(chǎn)生電弧。電弧是高溫高導(dǎo)電率的游離氣體，它不僅對(duì)觸頭有很大的破壞作用，而且使電路斷開的時(shí)間延長(zhǎng)，從而嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。并且，現(xiàn)代溫室環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展主要趨向于控制系統(tǒng)的智能化和信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線化。傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制線路已不能適應(yīng)現(xiàn)代溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的要求。

為此，提出了一種基于嵌入式技術(shù)開發(fā)的三相電機(jī)控制器。其控制原理是通過微控制器協(xié)調(diào)控制五個(gè)磁保持繼電器閉合來實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)起、停、正反轉(zhuǎn)控制。為了避免繼電器投切時(shí)電弧的產(chǎn)生，控制器設(shè)計(jì)了交流過零點(diǎn)檢測(cè)電路，保證繼電器在交流零點(diǎn)關(guān)斷電路。同時(shí)，控制器配備了交流電壓、電流檢測(cè)功能，能夠在線監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并自動(dòng)處理各種異常狀況。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器以ARM 32位微處理器為核心，主要負(fù)責(zé)控制繼電器、采樣芯片，RS485通信、ZigBee無(wú)線通信和協(xié)調(diào)處理一些中斷信號(hào)。采樣芯片負(fù)責(zé)三相電壓、電流、頻率、功率因素以及有功無(wú)功的測(cè)量，并且對(duì)過壓、欠壓、缺相和過流進(jìn)行檢測(cè)，以便及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)功能。掉電存儲(chǔ)模塊用來存儲(chǔ)每塊微處理器的地址，負(fù)載電機(jī)消耗的電能，以及用于判斷和計(jì)算的參數(shù)等。K1至K5為五個(gè)控制線路閉合的磁保持繼電器。過零檢測(cè)電路檢測(cè)交流電流的零點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)電路的無(wú)弧切斷。電壓和電流互感器用來從電網(wǎng)中取樣電壓和電流，用于常規(guī)檢測(cè)和過零檢測(cè)。微處理器從采樣芯片中讀取測(cè)量值，進(jìn)行分析計(jì)算。如果發(fā)現(xiàn)異常，則立即通知處理器執(zhí)行切斷操作?？刂破髋鋫銫AN總線、ZigBee無(wú)線通信接口用以實(shí)現(xiàn)信息交互與網(wǎng)絡(luò)控制（圖1）。

2.1 過零檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

此三相電機(jī)控制器作為一種大功率開關(guān)使用，在磁保持繼電器關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧是高溫高導(dǎo)電率的游離氣體，它不僅對(duì)觸頭有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度高于電壓恢復(fù)強(qiáng)度[5]。因此，如果觸頭在電流過零分開，并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復(fù)電壓而不發(fā)生擊穿的距離，則此時(shí)觸頭間隙就不會(huì)產(chǎn)生電弧。過零檢測(cè)部分框圖如圖2所示。

圖2中AD623是一單電源儀表放大器。儀表放大器能夠?qū)芪⑷醯牟罘蛛妷盒盘?hào)進(jìn)行放大，并且具有很高的輸入阻抗。首先，互感器輸出的交流電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)被分成兩路，一路用于過零點(diǎn)檢測(cè)，一路用于電能參數(shù)測(cè)量。AD623被設(shè)計(jì)成電壓跟隨輸出，增益為1，其作用為提高過零點(diǎn)檢測(cè)單元的輸入阻抗，同時(shí)將檢測(cè)信號(hào)與電能參數(shù)測(cè)量信號(hào)隔離。通過LM339實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)比較轉(zhuǎn)換，由于其內(nèi)部帶有電壓滯回電路，可以消除交流信號(hào)過零時(shí)抖動(dòng)而產(chǎn)生的輸出振蕩。電流互感器輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過過零檢測(cè)電路后整形為標(biāo)準(zhǔn)方波，送至微控制器的外部中斷輸入口。

磁保持繼電器動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間是決定相線能否在電流過零點(diǎn)分?jǐn)嗟囊粋€(gè)關(guān)鍵因素。由于相對(duì)50 Hz的交流電，磁保持繼電器的動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間不能忽略。所以當(dāng)微控制器確定交流信號(hào)的電流過零點(diǎn)后，不是馬上控制繼電器動(dòng)作，而是根據(jù)繼電器動(dòng)作時(shí)間，算出延遲時(shí)間使之正好在下一個(gè)電流過零點(diǎn)周期切斷繼電器。

2.2 繼電器驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

磁保持繼電器屬于電磁式的繼電器。磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，通常其觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時(shí)，線圈不需繼續(xù)通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠一定寬度的脈沖電信號(hào)觸發(fā)而完成的。因此，控制觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，只需在線圈兩端輸入一定寬度的正向或反向直流脈沖就可以實(shí)現(xiàn)磁保持繼電器的接通或切斷。根據(jù)H橋電路原理，設(shè)計(jì)了如圖3所示的磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

圖3中CtrlA與CtrlB為微控制器輸出的控制信號(hào)，并通過光耦實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)電路隔離。當(dāng)CtrlA為高電平、CtrlB為低電平時(shí)，Q1與Q4導(dǎo)通，A、B兩端形成正向脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器閉合。當(dāng)CtrlA為低電平、CtrlB為高電平時(shí)，Q2與Q3導(dǎo)通，A、B兩端形成反向脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器斷開。

2.3 采樣監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

檢測(cè)部分采用珠海炬力公司的電度計(jì)量芯片ATT7022A。它是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。ATT7022A能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無(wú)功功率、有功能量和無(wú)功能量等，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因素、頻率等參數(shù)。同時(shí)，它還提供一個(gè)SPI接口，方便與外部控制器之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的信息傳遞。電能參數(shù)測(cè)量功能框圖見圖4。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器程序主要包括繼電器控制程序、過零檢測(cè)程序、采樣監(jiān)測(cè)程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、ZigBee無(wú)線通信程序、CAN通信程序等。然而嵌入式系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU，因此在一個(gè)具體時(shí)刻只能允許多個(gè)任務(wù)中的一個(gè)任務(wù)占用CPU。如果使用傳統(tǒng)的“前-后”臺(tái)方式編寫程序，各個(gè)任務(wù)是靠中斷觸發(fā)置標(biāo)志位，然后在主程序循環(huán)里逐個(gè)查詢?nèi)蝿?wù)標(biāo)志從而執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)函數(shù)。該控制器是一個(gè)多任務(wù)函數(shù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求。顯然，這種“前-后”程序模式不適合該控制器。

uC/OS-II是一個(gè)嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它包括了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等功能[6]。并且它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核，即使CPU正在運(yùn)行某個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，該高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就會(huì)剝奪正在運(yùn)行任務(wù)的CPU使用權(quán)，而使自己獲得CPU的使用權(quán)。所以當(dāng)控制器需要執(zhí)行切斷任務(wù)時(shí)，能保證該任務(wù)在一個(gè)規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)事件的處理。控制器上了uC/OS-II操作系統(tǒng)后，只需針對(duì)功能編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序即可，然后根據(jù)任務(wù)緊迫性設(shè)置相匹配的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，保證各功能的完成實(shí)現(xiàn)。

繼電器切斷程序流程圖如圖5所示。當(dāng)收到斷開指令后，先使能外部下降沿中斷，當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到電流過零時(shí)刻，觸發(fā)外部中斷告知控制器。控制器延遲一段時(shí)間至下一次零點(diǎn)到來時(shí)，執(zhí)行斷開繼電器操作。當(dāng)需要執(zhí)行電機(jī)反轉(zhuǎn)控制時(shí)，控制器先判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后調(diào)用切斷控制程序。當(dāng)斷開成功后，延時(shí)一段時(shí)間等待電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，然后執(zhí)行換相閉合繼電器程序，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反方向運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用

電流過零檢測(cè)波形圖如圖6所示。圖6中正弦波形為電流互感器輸出信號(hào)。方波為電壓比較器輸出波形。由于比較器兩端壓差大于10 mV，其輸出就能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)。因此，當(dāng)電流互感器輸出信號(hào)越大時(shí)，零點(diǎn)檢測(cè)越準(zhǔn)確。從圖6可以看出，方波的下降沿幾乎與正弦交流信號(hào)過零點(diǎn)重合。

經(jīng)過多組測(cè)量，結(jié)果顯示磁保持繼電器在其額定電壓驅(qū)動(dòng)下，執(zhí)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)間約為9 ms。因此，檢測(cè)到零點(diǎn)后，控制器延時(shí)1 ms后執(zhí)行關(guān)斷操作即可達(dá)到零點(diǎn)關(guān)斷繼電器的效果。過零點(diǎn)關(guān)斷波形圖如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

傳統(tǒng)的溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方法如圖8左邊所示，其原理是使用開關(guān)器件、熔斷器、接觸器以及繼電器按照一定的接線方式鏈接，通過控制三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該控制方式容易導(dǎo)致觸頭產(chǎn)生電弧，存在安全隱患且嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命，并且不符合現(xiàn)代溫室控制技術(shù)的發(fā)展要求。

此次設(shè)計(jì)的執(zhí)行設(shè)備控制器應(yīng)用如圖8右邊所示?？刂破鞑捎梦鍌€(gè)單相磁保持繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，通過其過零點(diǎn)檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，配合相應(yīng)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)起、停、正反轉(zhuǎn)控制?，F(xiàn)代智能溫室控制系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖9所示。執(zhí)行設(shè)備控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構(gòu)建智能溫室控制系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器采用五個(gè)單相磁保持繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，通過其過零點(diǎn)檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、配合相應(yīng)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)起、停、正反轉(zhuǎn)控制?？刂破骶邆涠喾N通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構(gòu)建智能溫室控制系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周長(zhǎng)吉.現(xiàn)代溫室工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳建恩，王立人.基于以太網(wǎng)的溫室測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)方案[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003（4）：49-51.

[3] 劉東利，王延耀，張建勇.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID算法在溫室溫度控制中的仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（10）：70-72.

[4] 余朝剛.溫室氣候環(huán)境微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與控制方法的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[5] 許志紅，張培銘，鄭 昕.智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].低壓電器，2006（7）：6-11.

[6] 任 哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

2.1 過零檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

此三相電機(jī)控制器作為一種大功率開關(guān)使用，在磁保持繼電器關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧是高溫高導(dǎo)電率的游離氣體，它不僅對(duì)觸頭有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度高于電壓恢復(fù)強(qiáng)度[5]。因此，如果觸頭在電流過零分開，并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復(fù)電壓而不發(fā)生擊穿的距離，則此時(shí)觸頭間隙就不會(huì)產(chǎn)生電弧。過零檢測(cè)部分框圖如圖2所示。

圖2中AD623是一單電源儀表放大器。儀表放大器能夠?qū)芪⑷醯牟罘蛛妷盒盘?hào)進(jìn)行放大，并且具有很高的輸入阻抗。首先，互感器輸出的交流電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)被分成兩路，一路用于過零點(diǎn)檢測(cè)，一路用于電能參數(shù)測(cè)量。AD623被設(shè)計(jì)成電壓跟隨輸出，增益為1，其作用為提高過零點(diǎn)檢測(cè)單元的輸入阻抗，同時(shí)將檢測(cè)信號(hào)與電能參數(shù)測(cè)量信號(hào)隔離。通過LM339實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)比較轉(zhuǎn)換，由于其內(nèi)部帶有電壓滯回電路，可以消除交流信號(hào)過零時(shí)抖動(dòng)而產(chǎn)生的輸出振蕩。電流互感器輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過過零檢測(cè)電路后整形為標(biāo)準(zhǔn)方波，送至微控制器的外部中斷輸入口。

磁保持繼電器動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間是決定相線能否在電流過零點(diǎn)分?jǐn)嗟囊粋€(gè)關(guān)鍵因素。由于相對(duì)50 Hz的交流電，磁保持繼電器的動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間不能忽略。所以當(dāng)微控制器確定交流信號(hào)的電流過零點(diǎn)后，不是馬上控制繼電器動(dòng)作，而是根據(jù)繼電器動(dòng)作時(shí)間，算出延遲時(shí)間使之正好在下一個(gè)電流過零點(diǎn)周期切斷繼電器。

2.2 繼電器驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

磁保持繼電器屬于電磁式的繼電器。磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，通常其觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時(shí)，線圈不需繼續(xù)通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠一定寬度的脈沖電信號(hào)觸發(fā)而完成的。因此，控制觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，只需在線圈兩端輸入一定寬度的正向或反向直流脈沖就可以實(shí)現(xiàn)磁保持繼電器的接通或切斷。根據(jù)H橋電路原理，設(shè)計(jì)了如圖3所示的磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

圖3中CtrlA與CtrlB為微控制器輸出的控制信號(hào)，并通過光耦實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)電路隔離。當(dāng)CtrlA為高電平、CtrlB為低電平時(shí)，Q1與Q4導(dǎo)通，A、B兩端形成正向脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器閉合。當(dāng)CtrlA為低電平、CtrlB為高電平時(shí)，Q2與Q3導(dǎo)通，A、B兩端形成反向脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器斷開。

2.3 采樣監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

檢測(cè)部分采用珠海炬力公司的電度計(jì)量芯片ATT7022A。它是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。ATT7022A能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無(wú)功功率、有功能量和無(wú)功能量等，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因素、頻率等參數(shù)。同時(shí)，它還提供一個(gè)SPI接口，方便與外部控制器之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的信息傳遞。電能參數(shù)測(cè)量功能框圖見圖4。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器程序主要包括繼電器控制程序、過零檢測(cè)程序、采樣監(jiān)測(cè)程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、ZigBee無(wú)線通信程序、CAN通信程序等。然而嵌入式系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU，因此在一個(gè)具體時(shí)刻只能允許多個(gè)任務(wù)中的一個(gè)任務(wù)占用CPU。如果使用傳統(tǒng)的“前-后”臺(tái)方式編寫程序，各個(gè)任務(wù)是靠中斷觸發(fā)置標(biāo)志位，然后在主程序循環(huán)里逐個(gè)查詢?nèi)蝿?wù)標(biāo)志從而執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)函數(shù)。該控制器是一個(gè)多任務(wù)函數(shù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求。顯然，這種“前-后”程序模式不適合該控制器。

uC/OS-II是一個(gè)嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它包括了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等功能[6]。并且它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核，即使CPU正在運(yùn)行某個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，該高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就會(huì)剝奪正在運(yùn)行任務(wù)的CPU使用權(quán)，而使自己獲得CPU的使用權(quán)。所以當(dāng)控制器需要執(zhí)行切斷任務(wù)時(shí)，能保證該任務(wù)在一個(gè)規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)事件的處理?？刂破魃狭藆C/OS-II操作系統(tǒng)后，只需針對(duì)功能編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序即可，然后根據(jù)任務(wù)緊迫性設(shè)置相匹配的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，保證各功能的完成實(shí)現(xiàn)。

繼電器切斷程序流程圖如圖5所示。當(dāng)收到斷開指令后，先使能外部下降沿中斷，當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到電流過零時(shí)刻，觸發(fā)外部中斷告知控制器?？刂破餮舆t一段時(shí)間至下一次零點(diǎn)到來時(shí)，執(zhí)行斷開繼電器操作。當(dāng)需要執(zhí)行電機(jī)反轉(zhuǎn)控制時(shí)，控制器先判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后調(diào)用切斷控制程序。當(dāng)斷開成功后，延時(shí)一段時(shí)間等待電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，然后執(zhí)行換相閉合繼電器程序，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反方向運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用

電流過零檢測(cè)波形圖如圖6所示。圖6中正弦波形為電流互感器輸出信號(hào)。方波為電壓比較器輸出波形。由于比較器兩端壓差大于10 mV，其輸出就能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)。因此，當(dāng)電流互感器輸出信號(hào)越大時(shí)，零點(diǎn)檢測(cè)越準(zhǔn)確。從圖6可以看出，方波的下降沿幾乎與正弦交流信號(hào)過零點(diǎn)重合。

經(jīng)過多組測(cè)量，結(jié)果顯示磁保持繼電器在其額定電壓驅(qū)動(dòng)下，執(zhí)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)間約為9 ms。因此，檢測(cè)到零點(diǎn)后，控制器延時(shí)1 ms后執(zhí)行關(guān)斷操作即可達(dá)到零點(diǎn)關(guān)斷繼電器的效果。過零點(diǎn)關(guān)斷波形圖如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

傳統(tǒng)的溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方法如圖8左邊所示，其原理是使用開關(guān)器件、熔斷器、接觸器以及繼電器按照一定的接線方式鏈接，通過控制三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該控制方式容易導(dǎo)致觸頭產(chǎn)生電弧，存在安全隱患且嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命，并且不符合現(xiàn)代溫室控制技術(shù)的發(fā)展要求。

此次設(shè)計(jì)的執(zhí)行設(shè)備控制器應(yīng)用如圖8右邊所示?？刂破鞑捎梦鍌€(gè)單相磁保持繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，通過其過零點(diǎn)檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，配合相應(yīng)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)起、停、正反轉(zhuǎn)控制。現(xiàn)代智能溫室控制系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖9所示。執(zhí)行設(shè)備控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構(gòu)建智能溫室控制系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器采用五個(gè)單相磁保持繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，通過其過零點(diǎn)檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、配合相應(yīng)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)起、停、正反轉(zhuǎn)控制。控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構(gòu)建智能溫室控制系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周長(zhǎng)吉.現(xiàn)代溫室工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳建恩，王立人.基于以太網(wǎng)的溫室測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)方案[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003（4）：49-51.

[3] 劉東利，王延耀，張建勇.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID算法在溫室溫度控制中的仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（10）：70-72.

[4] 余朝剛.溫室氣候環(huán)境微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與控制方法的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[5] 許志紅，張培銘，鄭 昕.智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].低壓電器，2006（7）：6-11.

[6] 任 哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

2.1 過零檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

此三相電機(jī)控制器作為一種大功率開關(guān)使用，在磁保持繼電器關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧是高溫高導(dǎo)電率的游離氣體，它不僅對(duì)觸頭有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度高于電壓恢復(fù)強(qiáng)度[5]。因此，如果觸頭在電流過零分開，并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復(fù)電壓而不發(fā)生擊穿的距離，則此時(shí)觸頭間隙就不會(huì)產(chǎn)生電弧。過零檢測(cè)部分框圖如圖2所示。

圖2中AD623是一單電源儀表放大器。儀表放大器能夠?qū)芪⑷醯牟罘蛛妷盒盘?hào)進(jìn)行放大，并且具有很高的輸入阻抗。首先，互感器輸出的交流電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)被分成兩路，一路用于過零點(diǎn)檢測(cè)，一路用于電能參數(shù)測(cè)量。AD623被設(shè)計(jì)成電壓跟隨輸出，增益為1，其作用為提高過零點(diǎn)檢測(cè)單元的輸入阻抗，同時(shí)將檢測(cè)信號(hào)與電能參數(shù)測(cè)量信號(hào)隔離。通過LM339實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)比較轉(zhuǎn)換，由于其內(nèi)部帶有電壓滯回電路，可以消除交流信號(hào)過零時(shí)抖動(dòng)而產(chǎn)生的輸出振蕩。電流互感器輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過過零檢測(cè)電路后整形為標(biāo)準(zhǔn)方波，送至微控制器的外部中斷輸入口。

磁保持繼電器動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間是決定相線能否在電流過零點(diǎn)分?jǐn)嗟囊粋€(gè)關(guān)鍵因素。由于相對(duì)50 Hz的交流電，磁保持繼電器的動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間不能忽略。所以當(dāng)微控制器確定交流信號(hào)的電流過零點(diǎn)后，不是馬上控制繼電器動(dòng)作，而是根據(jù)繼電器動(dòng)作時(shí)間，算出延遲時(shí)間使之正好在下一個(gè)電流過零點(diǎn)周期切斷繼電器。

2.2 繼電器驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

磁保持繼電器屬于電磁式的繼電器。磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，通常其觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時(shí)，線圈不需繼續(xù)通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠一定寬度的脈沖電信號(hào)觸發(fā)而完成的。因此，控制觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，只需在線圈兩端輸入一定寬度的正向或反向直流脈沖就可以實(shí)現(xiàn)磁保持繼電器的接通或切斷。根據(jù)H橋電路原理，設(shè)計(jì)了如圖3所示的磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

圖3中CtrlA與CtrlB為微控制器輸出的控制信號(hào)，并通過光耦實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)電路隔離。當(dāng)CtrlA為高電平、CtrlB為低電平時(shí)，Q1與Q4導(dǎo)通，A、B兩端形成正向脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器閉合。當(dāng)CtrlA為低電平、CtrlB為高電平時(shí)，Q2與Q3導(dǎo)通，A、B兩端形成反向脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器斷開。

2.3 采樣監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

檢測(cè)部分采用珠海炬力公司的電度計(jì)量芯片ATT7022A。它是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。ATT7022A能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無(wú)功功率、有功能量和無(wú)功能量等，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因素、頻率等參數(shù)。同時(shí)，它還提供一個(gè)SPI接口，方便與外部控制器之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的信息傳遞。電能參數(shù)測(cè)量功能框圖見圖4。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器程序主要包括繼電器控制程序、過零檢測(cè)程序、采樣監(jiān)測(cè)程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、ZigBee無(wú)線通信程序、CAN通信程序等。然而嵌入式系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU，因此在一個(gè)具體時(shí)刻只能允許多個(gè)任務(wù)中的一個(gè)任務(wù)占用CPU。如果使用傳統(tǒng)的“前-后”臺(tái)方式編寫程序，各個(gè)任務(wù)是靠中斷觸發(fā)置標(biāo)志位，然后在主程序循環(huán)里逐個(gè)查詢?nèi)蝿?wù)標(biāo)志從而執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)函數(shù)。該控制器是一個(gè)多任務(wù)函數(shù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求。顯然，這種“前-后”程序模式不適合該控制器。

uC/OS-II是一個(gè)嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它包括了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等功能[6]。并且它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核，即使CPU正在運(yùn)行某個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，該高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就會(huì)剝奪正在運(yùn)行任務(wù)的CPU使用權(quán)，而使自己獲得CPU的使用權(quán)。所以當(dāng)控制器需要執(zhí)行切斷任務(wù)時(shí)，能保證該任務(wù)在一個(gè)規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)事件的處理?？刂破魃狭藆C/OS-II操作系統(tǒng)后，只需針對(duì)功能編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序即可，然后根據(jù)任務(wù)緊迫性設(shè)置相匹配的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，保證各功能的完成實(shí)現(xiàn)。

繼電器切斷程序流程圖如圖5所示。當(dāng)收到斷開指令后，先使能外部下降沿中斷，當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到電流過零時(shí)刻，觸發(fā)外部中斷告知控制器?？刂破餮舆t一段時(shí)間至下一次零點(diǎn)到來時(shí)，執(zhí)行斷開繼電器操作。當(dāng)需要執(zhí)行電機(jī)反轉(zhuǎn)控制時(shí)，控制器先判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后調(diào)用切斷控制程序。當(dāng)斷開成功后，延時(shí)一段時(shí)間等待電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，然后執(zhí)行換相閉合繼電器程序，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反方向運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用

電流過零檢測(cè)波形圖如圖6所示。圖6中正弦波形為電流互感器輸出信號(hào)。方波為電壓比較器輸出波形。由于比較器兩端壓差大于10 mV，其輸出就能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)。因此，當(dāng)電流互感器輸出信號(hào)越大時(shí)，零點(diǎn)檢測(cè)越準(zhǔn)確。從圖6可以看出，方波的下降沿幾乎與正弦交流信號(hào)過零點(diǎn)重合。

經(jīng)過多組測(cè)量，結(jié)果顯示磁保持繼電器在其額定電壓驅(qū)動(dòng)下，執(zhí)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)間約為9 ms。因此，檢測(cè)到零點(diǎn)后，控制器延時(shí)1 ms后執(zhí)行關(guān)斷操作即可達(dá)到零點(diǎn)關(guān)斷繼電器的效果。過零點(diǎn)關(guān)斷波形圖如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

傳統(tǒng)的溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方法如圖8左邊所示，其原理是使用開關(guān)器件、熔斷器、接觸器以及繼電器按照一定的接線方式鏈接，通過控制三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該控制方式容易導(dǎo)致觸頭產(chǎn)生電弧，存在安全隱患且嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命，并且不符合現(xiàn)代溫室控制技術(shù)的發(fā)展要求。

此次設(shè)計(jì)的執(zhí)行設(shè)備控制器應(yīng)用如圖8右邊所示?？刂破鞑捎梦鍌€(gè)單相磁保持繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，通過其過零點(diǎn)檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，配合相應(yīng)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)起、停、正反轉(zhuǎn)控制?，F(xiàn)代智能溫室控制系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖9所示。執(zhí)行設(shè)備控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構(gòu)建智能溫室控制系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器采用五個(gè)單相磁保持繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，通過其過零點(diǎn)檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、配合相應(yīng)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)起、停、正反轉(zhuǎn)控制。控制器具備多種通信接口，可以以總線形式掛接到中央控制器，作為構(gòu)建智能溫室控制系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周長(zhǎng)吉.現(xiàn)代溫室工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳建恩，王立人.基于以太網(wǎng)的溫室測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)方案[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003（4）：49-51.

[3] 劉東利，王延耀，張建勇.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID算法在溫室溫度控制中的仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（10）：70-72.

[4] 余朝剛.溫室氣候環(huán)境微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與控制方法的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[5] 許志紅，張培銘，鄭 昕.智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].低壓電器，2006（7）：6-11.

[6] 任 哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.