【正文】 零，我們只需要根據(jù)不同的參數(shù)控制對(duì)應(yīng)的led燈提供大于光補(bǔ)償點(diǎn)的光照就能達(dá)到既節(jié)能又提高蔬菜光合作用效率的目的。如上設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖11：圖11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖有以下幾點(diǎn)意義： （1） 控制系統(tǒng)通過(guò)internet實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，不受距離的限制， 能達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。 （2）該控制系統(tǒng)省略了光照檢測(cè)和控制遮光簾等裝置，有效的節(jié)約了成本， 但是沒(méi)有降低控制的效果。 （3）mcu采用51單片機(jī)，對(duì)于以后的擴(kuò)充功能比較方便。 國(guó)內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r 20世紀(jì)70年代，國(guó)外的溫室生產(chǎn)開(kāi)始以較快的速度發(fā)展，特別是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，如荷蘭、美國(guó)等國(guó)家實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。當(dāng)時(shí)由于水平的限制，對(duì)于生態(tài)環(huán)境因素采用單因子控制，即對(duì)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度進(jìn)行單獨(dú)分別控制的方法，主要是控制溫度，其次是濕度(空氣濕度、土壤濕度)。例如，在控制溫度時(shí)，控制的只是溫度的改變，而不影響到其它因素，要改變其它因素，則要實(shí)施另外的控制過(guò)程，才能達(dá)到一定溫度條件下其它相關(guān)環(huán)境因素的配合。但是，外界氣候的變化隨時(shí)影響到溫室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時(shí)進(jìn)行相應(yīng)改變難以辦到，并且各控制變量之間相互影響、相互耦合，如陰雨天需要補(bǔ)光，補(bǔ)光又會(huì)帶來(lái)溫度上升和相對(duì)濕度下降，要達(dá)到擬定的控制效果，又涉及到幾個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這是一個(gè)復(fù)雜的控制過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代采取多因素綜合控制方法，這是利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法。此方法是將各種作物在不同生長(zhǎng)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、濕度和二氧化碳濃度為隨便因素，使這4個(gè)主要環(huán)境因素隨時(shí)處于最佳配合狀態(tài)。20世紀(jì)90年代，在多因子環(huán)境控制中，采用了模糊控制、多變量控制等先進(jìn)技術(shù)，并采用這些先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)環(huán)境自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。目前Et本、荷蘭、以色列、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家可以根據(jù)作物的要求和特點(diǎn)，對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。美國(guó)和荷蘭還利用溫差管理技術(shù)，對(duì)花卉、果蔬等產(chǎn)品的開(kāi)花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場(chǎng)的需要。目前市場(chǎng)的發(fā)展方向?yàn)橄拢海?） 提高溫室環(huán)境控制水平。在控制方法上，一方面從對(duì)溫室單測(cè)點(diǎn)的角度來(lái)考慮，繼續(xù)進(jìn)行單因子控制方法的研究，著重在于如何提高溫室環(huán)境因子控制精度和穩(wěn)定度；另一方面從溫室整體環(huán)境的要求來(lái)考慮，采取多因素綜合控制的控制方法，如多變量輸入輸出控制系統(tǒng)的研究。從而發(fā)展適合溫室環(huán)境特點(diǎn)的控制系統(tǒng)。（2）在溫室管理方面，研制、開(kāi)發(fā)新型的溫室計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，利用實(shí)用的軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)友好的用戶界面，研制開(kāi)發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、具有高水平的專家管理系統(tǒng)，提高溫室的管理水平。（3）利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控、信息收集、產(chǎn)品網(wǎng)上交易。 （1） 溫室大棚性能指標(biāo)的檢測(cè)。包括溫度，濕度，CO2濃度，這些都是溫室大 棚要實(shí)現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵參數(shù)，只有及時(shí)，準(zhǔn)確的檢測(cè)到這些參數(shù)的確定 值，才能實(shí)現(xiàn)好控制。本課題只涉及到光照的檢測(cè)。（2） 溫室大棚的控制。通過(guò)控制卷簾機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度光照的控制，通過(guò)控制電磁 閥實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的控制，通過(guò)控制CO2發(fā)生器對(duì)CO2濃度進(jìn)行控制。本課題 只涉及到光照，通過(guò)上文的分析，只需要對(duì)led燈進(jìn)行控制，而且對(duì)led 等控制誤差比較小，只要進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制就可以達(dá)到效果，這樣既節(jié)省了成 本又達(dá)到效果。（3） 遠(yuǎn)程監(jiān)控和檢測(cè)。通過(guò)遠(yuǎn)程pc作為上位機(jī)，能觀察溫室大棚的情況，能遠(yuǎn) 程控制各種執(zhí)行器。 光照傳感器檢測(cè)到的光照參數(shù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理運(yùn)用rs232發(fā)送到下位機(jī)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，也可以經(jīng)過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。上位機(jī)可以選擇種植的蔬菜，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)選擇端口發(fā)送到不同的單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的開(kāi)環(huán)控制。第2章 系統(tǒng)總體法案設(shè)計(jì)由于本科題只對(duì)光照進(jìn)行控制，光照的時(shí)間常數(shù)非常小，非常便于控制，另外由表（1）與表（2）可知，白天室外光照度滿足大于光補(bǔ)償點(diǎn)，小于光飽和點(diǎn)的要求，所以針對(duì)白天我們不需要對(duì)光照度進(jìn)行控制，到了夜間，光照度幾乎等于零，我們只需要根據(jù)不同的參數(shù)控制對(duì)應(yīng)的led燈提供大于光補(bǔ)償點(diǎn)的光照就能達(dá)到既節(jié)能又提高蔬菜光合作用效率的目的。如果在擴(kuò)充到其他的的參數(shù)結(jié)構(gòu)相同，只需要對(duì)部分軟件和硬件進(jìn)行替換。根據(jù)以上要求和理論依據(jù)可設(shè)計(jì)出如下機(jī)構(gòu)圖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置蔬菜參數(shù)，然后讓現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)對(duì)參數(shù)進(jìn)行控制，以后還可以根據(jù)需要對(duì)單片機(jī)的功能進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制。如上圖11，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖有以下幾點(diǎn)意義：（1） 控制系統(tǒng)通過(guò)internet實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，不受距離的限制， 能達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。（2） 該控制系統(tǒng)省略了光照檢測(cè)和控制遮光簾等裝置，有效的節(jié)約了成本，但 是沒(méi)有降低控制的效果。（3） mcu采用51單片機(jī)，對(duì)于以后的擴(kuò)充功能比較方便。 當(dāng)前市場(chǎng)上常用的控制器有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)機(jī)，可編程邏輯控制器，單片機(jī)。工控機(jī)常用于環(huán)境污染嚴(yán)重，酸堿度較高，磁干擾較嚴(yán)重的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)；PLC是繼電器控制的智能發(fā)展，特別適用于開(kāi)關(guān)量控制，其特有的梯形圖變成結(jié)構(gòu)比較直觀；單片機(jī)成本低，壽命高，控制能力較強(qiáng)，在小規(guī)?？刂片F(xiàn)場(chǎng)用得比較多。 針對(duì)以上課題，考慮到工控機(jī)成本較高，代價(jià)大，所以選取PLC與單片機(jī)兩套控制方案。方案1：PLC可編程邏輯控制器 PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。方案2：AT89S52單片機(jī)控制器 單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300M的高速單片機(jī)。 由于每一個(gè)傳感器都需要處理數(shù)據(jù)然后發(fā)送給無(wú)線模塊發(fā)送和接收，這種方式下控制器的消耗量非常之大，理論上每一種蔬菜需要一套監(jiān)測(cè)和無(wú)線通訊系統(tǒng)，也就需要兩個(gè)控制器，如果采用plc這種高成本的控制器，成本太高，另外單片機(jī)的功能只是控制傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，控制無(wú)線模塊傳送數(shù)據(jù)和對(duì)led燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的控制，這種方式一個(gè)單片機(jī)足矣，綜上所述，我們選擇單片機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)控制器。 本設(shè)計(jì)要求將傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送到接收端上去，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集，先設(shè)計(jì)出兩套方案，一種方案是每一個(gè)傳感器上面都用一個(gè)GPRS模塊，通過(guò)GPRS發(fā)送到上位機(jī)。另一種方案是傳感器上用一個(gè)NRF芯片發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)的另一個(gè)與下位機(jī)相連的NRF模塊上，下位機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給遠(yuǎn)程上位機(jī)，方案敘述如下：方案1：GPRS模塊 GPRS通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說(shuō)是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。方案2：nrf24l01無(wú)線通信 ~ 頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作。 市場(chǎng)上一個(gè)GPRS最少100元左右，一般300元左右，如果每一處傳感器，每一處執(zhí)行器都用上GPRS模塊成本就太高，而一個(gè)NRF24l01模塊才只有15元，滿足經(jīng)濟(jì)性的的要求，而且NRF24L01模塊能在一般條件下能達(dá)到80米的有效距離，如果以60m性能穩(wěn)定的距離來(lái)計(jì)算，一個(gè)圓形溫室大棚的面積可以達(dá)到=*60*60=11304平方米，完全能滿足現(xiàn)階段現(xiàn)階段溫室大棚面積大小的要求。 綜上所述我們選擇NRF24l01作為無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線通信。 目前，由于單片機(jī)較小的控制能力，常選用的顯示器件有兩種，一種是液晶顯示器，常見(jiàn)的是LCD1602，另一種常見(jiàn)的是數(shù)碼管。方案1：LCD顯示器LCD1602 圖21 LCD1602 工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。如圖21為單片機(jī)常用的液晶顯示器1602外觀圖。方案2：八段數(shù)碼管led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽(yáng)兩類，了解LED的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。圖2是共陰和共陽(yáng)極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。led數(shù)碼管廣泛用于儀表，時(shí)鐘，車站，家電等場(chǎng)合。選用時(shí)要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長(zhǎng)等。下面將介紹常用LED數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖片圖22 這是一個(gè)7段兩位帶小數(shù)點(diǎn) 10引腳的LED數(shù)碼管 圖23引腳定義每一筆劃都是對(duì)應(yīng)一個(gè)字母表示 DP是小數(shù)點(diǎn). 圖22 LED數(shù)碼管引腳定義 圖23 10引腳的LED數(shù)碼管由項(xiàng)目要求可知，我們的顯示裝置要顯示實(shí)時(shí)的光照度和預(yù)定的光照度，顯示的數(shù)據(jù)比較簡(jiǎn)單，我們采取數(shù)碼管分段顯示或者分時(shí)顯示都能達(dá)到顯示效果，而且數(shù)碼管控制原理簡(jiǎn)單明了，易于控制，成本低，綜上所述我們選擇數(shù)碼管作為顯示裝置。方案1：光敏電阻利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的光敏傳感器稱為光敏電阻。目前，光敏電阻應(yīng)用的極為廣泛，可見(jiàn)光波段和大氣透過(guò)的幾個(gè)窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開(kāi)關(guān)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為： ……………………式21在（1）式中，e為電荷電量，為空穴濃度的改變量，為電子濃度的改變量，表示遷移率。當(dāng)兩端加上電壓U后，光電流為： …………………………式22式中A為與電流垂直的表面，d為電極間的間距。在一定的光照度下，為恒定的值，因而光電流和電壓成線性關(guān)系。光敏電阻的伏安特性如圖24所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發(fā)生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。當(dāng)然，與一般電阻一樣光敏電阻的工作電壓和電流都不能超過(guò)規(guī)定的最高額定值。 圖24 光敏電阻的伏安特性曲線 圖25 光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光照特性則如圖25所示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但是在大多數(shù)的情況下，曲線的形狀都與圖6的結(jié)果類似。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件 ，這是光敏電