【正文】 ........................................................ 46 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 47 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 1 緒 論 課題背景 大棚環(huán)境對(duì)農(nóng)作物生長的影響 作物的生長發(fā)育及產(chǎn)品的最終形成以及其產(chǎn)量與質(zhì)量一方面取決于作物本身的遺傳特性，另一方面取則決于外部環(huán)境條件。在實(shí)際生產(chǎn)中，一方面通過育種技術(shù)來獲得具有新遺傳性的品種，另一方面要通過先進(jìn)的栽培技術(shù)及適宜的環(huán)境條件來控制其生長和發(fā)育。影響作物生長發(fā)育的環(huán)境條件主要包括 :溫度、濕度、光照、 CO2 濃度、土壤等。所有這些環(huán)境條件之間是相互作用、相互聯(lián)系、相互耦合的，某個(gè)控制變量發(fā)生改變，會(huì)影響其它控制變量的變化。作物的生長發(fā)育是所有這些環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果 。下面就這些環(huán)境條件對(duì)作物的影響進(jìn)行簡略說明。 溫室內(nèi)氣溫、地溫對(duì)作物的光合作用、呼吸作用、根系的生長和水分、養(yǎng)分的吸收有著顯著的影響，因此影響作物生長發(fā)育的環(huán)境條件中，以溫度最為敏感，也最為重要，對(duì)溫室環(huán)境控制的研究也是最先從溫度控制開始的。不同種類的作物對(duì)溫度的要求是不同的，同一作物在不同發(fā)育階段對(duì)溫度的要求亦有所不同，而且在同一發(fā)育期階段內(nèi)對(duì)溫度的要求也會(huì)隨著晝夜變化而呈周期性地變化。一般說來在白天作物進(jìn)行光合作用需要的溫度較高，晚上維持呼吸作用所需的溫度要低一些。 作物生長發(fā)育適宜的溫度， 隨種類、品種、生育階段及生理活動(dòng)的變化而變化。為了增加光合產(chǎn)物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，隨著光照強(qiáng)度的變化，實(shí)行變溫管理是一種很有效的管理方法。 溫室內(nèi)作物對(duì)水分的要求體現(xiàn)為對(duì)溫室內(nèi)空氣濕度和土壤濕度的要求?？諝鉂穸扔孟鄬?duì)濕度來表示，因?yàn)橄鄬?duì)濕度更能反應(yīng)事實(shí)。根據(jù)有關(guān)研究記載，除了陰雨天以外，溫室內(nèi)午后過低的空氣濕度會(huì)導(dǎo)致作物發(fā)生光合作用的午休現(xiàn)象，因此空氣相對(duì)濕度的大小直接影響到作物的光合作用，這時(shí)就需要增加溫室內(nèi)的空氣濕度。當(dāng)溫室內(nèi)的空氣濕度較高時(shí)，可能會(huì)誘發(fā)一些病蟲害。溫室中空 氣濕度的管理包括增濕和降濕。 土壤濕度對(duì)作物的影響也很大。如果土壤中水分過剩，濕度過高，導(dǎo)致土壤中的氧氣含量減少，作物根部呼吸困難，進(jìn)而危害作物的生長發(fā)育。相反，當(dāng)土壤中含水量減少時(shí)，作物根部吸收的水分就相應(yīng)的減少，從而阻礙作物的生長，嚴(yán)重時(shí)作物出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。不同的作物對(duì)濕度的要求不同，即使是同一種類在不同發(fā)育階段對(duì)濕度的要求也不盡相同。 土壤濕度的管理就是把包括滲灌、滴灌、微灌等灌溉技術(shù)應(yīng)用到溫室中來。傳統(tǒng)的大水漫灌既浪費(fèi)水資源，又容易使土壤發(fā)生板結(jié)，提高了室內(nèi)濕度。在溫室中應(yīng)用滲灌技術(shù)具有灌水均勻，提高 地溫，保持土壤疏松，降低室內(nèi)濕度，減輕病害發(fā)生，生育期提前等優(yōu)點(diǎn)。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 光照是植物環(huán)境中的重要因素，是植物生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的能量來源，是作物生長發(fā)育的關(guān)鍵條件之一。光照不足，必然影響到植物的生長。對(duì)作物生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)在光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、光質(zhì)三個(gè)方面。 光質(zhì)即光波的組成，研究表明作物葉片具有對(duì)可見光的高吸收率和對(duì)紅外線的低吸收率這一習(xí)性，這有利于作物在有效的利用光能進(jìn)行光合作用的同時(shí)使光合器官免受高溫的傷害。 光照強(qiáng)度直接影響到光合作用的強(qiáng)度。光照強(qiáng)度過高或過低對(duì)作物都有害。當(dāng)光照強(qiáng)度高于光飽和 點(diǎn)時(shí)，就需要降低溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度。當(dāng)光照強(qiáng)度低于光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，就需要進(jìn)行人工補(bǔ)光。溫室中常用的人工光源有白熾燈、鹵鎢燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。 CO2 是作物進(jìn)行光合作用的主要原料。有關(guān)研究表明，蔬菜作物產(chǎn)量的 90%~95%來自光合作用。在露天條件下，空氣中的 CO2濃度一般能滿足光合作用的需要，但在溫室環(huán)境中由于光合作用的不斷進(jìn)行， CO2濃度隨之下降，如不及時(shí)補(bǔ)充，盡管光照條件好，水肥充足，作物仍然不能進(jìn)行旺盛的光合作用，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)積累減少，難以實(shí)現(xiàn)早熟高產(chǎn)。但是，濃度過高， 又可能對(duì)作物造成危害，出現(xiàn)葉片周邊焦邊，嚴(yán)重時(shí)甚至死亡等現(xiàn)象。 CO2施肥在國外己經(jīng)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用的水平。人工補(bǔ)充 CO2己成為發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的重要措施之一。 溫室內(nèi) CO2 的控制就是掌握好濃度。使作物獲得最大生長率的 CO2 濃度，取決于作物的生長階段、光照強(qiáng)度、溫度等因素。為了最大限度的提高施肥效果，施放 CO2時(shí)，必須控制在溫度、濕度、光照度等條件滿足之后進(jìn)行。 綜上所述，溫室內(nèi)各環(huán)境因子之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，作物是在各環(huán)境因子的綜合影響下生長的，而不是單個(gè)因素作用的結(jié)果，各環(huán)境因子對(duì)溫室作物的作用 也不是簡單疊加的。因此，單因子控制是不能達(dá)到良好效果的。所以設(shè)計(jì)智能化溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)時(shí)須輔以有關(guān)的調(diào)控技術(shù)以及各環(huán)境因子之間的相互耦合系數(shù)，控制各參數(shù)因子處在相對(duì)最佳組合的水平，這樣才能使種植者獲得最佳的產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益。 溫室大棚的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 現(xiàn)在世界各國的設(shè)施園藝發(fā)展很快，一 些國家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。發(fā)達(dá)國家近二十年來建造的溫室，自動(dòng)化水平高，都設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和集中控制系統(tǒng)，包括各種傳感器、計(jì)算機(jī)及各種電氣裝置等。各國溫室技術(shù)研究的核心是溫室復(fù)合環(huán)境優(yōu)化控制研究。主要包括 : 生態(tài)環(huán)境因素控制自動(dòng)化 :生態(tài)環(huán)境因素控制自動(dòng)化的主要內(nèi)容是溫、濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，灌水量、水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)， CO2 施肥自動(dòng)調(diào)節(jié)，溫室通風(fēng)換氣自動(dòng)調(diào)節(jié)等。通過控制各種相應(yīng)的操作設(shè)備來控制上述內(nèi)容，以達(dá)到給作物創(chuàng)造最佳生長環(huán)境的目的。對(duì)環(huán)境影響因素采用的控制方法一般有兩種： (1)單因子控制。這是對(duì)溫度、濕度、光照和 CO2濃度等進(jìn)行單獨(dú)控制的方法，其中主要是控制溫度，其次是濕度，包括空氣濕度和土壤〔或基質(zhì)〕的濕度。其局限性在于外界氣候的變化 隨時(shí)影響到室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時(shí)進(jìn)行相煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 應(yīng)改變是很難辦到的。 (2)多因素綜合控制。這是 80 年代發(fā)展起來的利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法，將各種作物不同生長發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)某一環(huán)境因素發(fā)生改變時(shí)，其余因素自動(dòng)做出相應(yīng)修正或調(diào)整。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和 CO2濃度為隨變因素，使這 4 個(gè)主要環(huán)境因素隨時(shí)處 于最佳配合狀態(tài)。 環(huán)境監(jiān)測(cè)控制技術(shù) :環(huán)境控制技術(shù)是溫室技術(shù)的核心。現(xiàn)代大型溫室中，所有環(huán)境因子如室內(nèi)溫、光、氣、濕、熱、營養(yǎng)液養(yǎng)分狀況與溫度、植物根部環(huán)境溫濕度等因子的監(jiān)測(cè)、傳感、調(diào)節(jié)，都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合管理，實(shí)行自動(dòng)控制。國外先進(jìn)溫室， 對(duì)室內(nèi)外氣溫、風(fēng)力、降雨等氣象情況，室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度和含水量、光照強(qiáng)度、 CO2濃度、營養(yǎng)液的酸堿度 (PH 值 )、導(dǎo)電率 (EC)和溫度等環(huán)境參數(shù)，可利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)施控制。有的系統(tǒng)還可監(jiān)測(cè)葉面積指數(shù)、葉溫、蒸騰量和長勢(shì)等生物活體信息，對(duì)生物體的重量、大小、形態(tài) 等進(jìn)行非接觸式和非破壞性監(jiān)測(cè)，從而對(duì)溫室溜溉、施肥、加熱、降溫、補(bǔ)光、保溫、遮陽、 CO2 濃度、加濕、除濕等作業(yè)進(jìn)行綜合控制 .還有人根據(jù)產(chǎn)品市場價(jià)格變化的規(guī)律和作物生長規(guī)律，對(duì)作物的光合作用條件進(jìn)行優(yōu)化控制，以期獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。 近年來我國的溫室控制取得了長足的進(jìn)步，首先在溫室群控制方面，進(jìn)行了初步的探索和理論研究，其次在溫室控制中引入了人工智能和先進(jìn)的控制算法，如專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制等理論和控制策略。當(dāng)前溫室控制系統(tǒng)研究熱點(diǎn)己由簡單的 DDC(直接數(shù)字控制 )發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)，如 DCS(分布式 控制 )、 FCS(柔性控制 )等網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。目前，在相關(guān)行業(yè)己經(jīng)有網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制方面的研究，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取代傳統(tǒng)孤立的、信息閉塞的系統(tǒng)，甚至跨越以太網(wǎng)或 Inter 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 實(shí)施遠(yuǎn)程控制。雖然國內(nèi)溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，另外構(gòu)建的費(fèi)用也較高，但從長遠(yuǎn)來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡(luò)化將是一種必然的趨勢(shì)。 總的來說，國外現(xiàn)代溫室環(huán)境控制系統(tǒng)性能先進(jìn)，產(chǎn)出效益高，但價(jià)格昂貴，維護(hù)不便，并且也是根據(jù)本國自己國情的不同有所側(cè)重，因此不能全盤照搬用來指導(dǎo)我國的溫室生產(chǎn)。 溫室環(huán) 境系統(tǒng)是一個(gè)多變量的大慣性非線性系統(tǒng)，并且有藕合、延遲等現(xiàn)象，很難對(duì)這類系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型及用經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法實(shí)現(xiàn)控制。近年來，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊推理等新的控制理論不斷出現(xiàn)并逐漸應(yīng)用于溫室控制領(lǐng)域，這一問題得到很好的解決。溫室控制軟件也越來越多，越來越方便與成熟，專家系統(tǒng)也不斷發(fā)展和完善，并成為當(dāng)前溫室控制技術(shù)研究的重要方向。 本課題的研究意義及主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)研究內(nèi)容表述如下 : (1)控制器以單片機(jī)為核心，整個(gè)系統(tǒng)包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、輸出控制模塊、鍵盤及顯示 模塊。數(shù)據(jù)采集與處理模塊能夠完成溫室內(nèi)溫度、濕度和二氧化碳濃度的采集和處理。 (2)監(jiān)控管理軟件的設(shè)計(jì)為控制器 (單片機(jī) )軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。采用單片機(jī)匯編語言編煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 寫。 本課題針對(duì)于當(dāng)前我國溫室環(huán)境控制相關(guān)技術(shù)面臨的一些問題提出一定的方案，希望解決溫室控制系統(tǒng)的高成本低效益的現(xiàn)實(shí)困難推進(jìn)溫室的產(chǎn)業(yè)化和智能化發(fā)展步伐，從而有利于我國現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)向規(guī)范化，低成本、產(chǎn)業(yè)化、智能化方向發(fā)展。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 2 總體方案的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)功能 本設(shè)計(jì)是基于 AT89C51 單片機(jī)的溫濕度智能控制采集系統(tǒng)，主要完成以下功能： (1) 選擇 AT89C51 單片機(jī)，了解其基本特性和功能，使用 AT89C51 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度及二氧化碳濃度的智能控制。 (2) 使用溫度傳感器測(cè)量現(xiàn)場環(huán)境溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及傳到單片機(jī)處理。 (3) 使用濕度傳感器對(duì)現(xiàn)場時(shí)讀數(shù)據(jù)采集，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，實(shí)現(xiàn)范圍為 1%— 99%RH 的濕度控制。 (4) 設(shè)計(jì)人機(jī)對(duì)話接口，鍵盤顯示和報(bào)警系統(tǒng)。 (5) 涉及執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路，是單片機(jī)能夠自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。 (6) 在完成以上功能時(shí)，要確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，是系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作。 總 體方案設(shè)計(jì) 本方案以 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)為核心來對(duì)溫度，濕度和二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和檢測(cè)。檢測(cè)單元能獨(dú)立完成各自功能，并根據(jù)單片機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)采集。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，并控制各機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度采集，手機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理及顯示。 本系統(tǒng)主要有自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)，人機(jī)對(duì)話接口這三個(gè)部分組成。其原理圖下圖 ： 圖 系統(tǒng)原理圖 單片機(jī) 檢測(cè)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 人機(jī)對(duì)話 CO2 濃度檢測(cè) 濕度檢測(cè) 溫度檢測(cè) 溫度執(zhí)行 濕度執(zhí)行 報(bào)警系統(tǒng) 鍵盤系統(tǒng) LED顯示 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 詳細(xì)設(shè)計(jì) 經(jīng)過仔細(xì)研究和分析，對(duì)系統(tǒng)的總體方案 進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用的芯片主要有： ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)， AD 公司生產(chǎn)的 AD590 集成溫度傳感器，電容式濕度傳感器 HS1101。單片機(jī)通過 AD0809A\D 轉(zhuǎn)換器把從傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī) T。對(duì)脈沖寬值的計(jì)算得到濕度值。 本課題所選用的二氧化碳傳感器是FIGARO(弗加羅 )公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件 TGS4 通過監(jiān)測(cè) S（＋）、 S（－）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值 EMF，就可以測(cè)量 CO2的濃度值。 在這里溫度及二氧化碳濃度需要模數(shù)轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，可以通過 單片機(jī)直接控制來達(dá)到需要的數(shù)值。顯示部分由單片機(jī)分時(shí)把溫度濕度及二氧化碳濃度值送到數(shù)碼管顯示。通過鍵盤可以設(shè)定參數(shù)的上限值下限值，當(dāng)當(dāng)前參數(shù)超過設(shè)定值時(shí)，由單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警。同時(shí)單片機(jī)控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行相應(yīng)的動(dòng)作，使得溫度濕度及二氧化碳濃度恢復(fù)到正常水平。 圖 2. 2 總體方案框圖 單 片 機(jī) AT89C51 驅(qū)動(dòng)顯示 鍵盤 X25045 濕度測(cè)點(diǎn) CO2 濃度測(cè)點(diǎn) 溫度測(cè)點(diǎn) AD590 HS1101 報(bào)警 ADC 0809 光電隔離 驅(qū)動(dòng)放大 執(zhí)行機(jī)構(gòu) TGS4160 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實(shí)現(xiàn)，必須考慮到到期間的實(shí)施性，價(jià)格和通用性等幾 個(gè)方面。在電路的設(shè)計(jì)中，在實(shí)現(xiàn)其所要求的功能基礎(chǔ)上，盡量使電路簡單。 單片機(jī)的選擇及其特性 單片機(jī)的概述 單片機(jī)又稱單片微控制器它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)