【正文】 零，我們只需要根據(jù)不同的參數(shù)控制對應的led燈提供大于光補償點的光照就能達到既節(jié)能又提高蔬菜光合作用效率的目的。如上設計系統(tǒng)結構圖如下圖11：圖11 系統(tǒng)結構圖 如上系統(tǒng)結構圖有以下幾點意義： （1） 控制系統(tǒng)通過internet實現(xiàn)上位機和下位機的通信，不受距離的限制， 能達到遠程控制的目的。 （2）該控制系統(tǒng)省略了光照檢測和控制遮光簾等裝置，有效的節(jié)約了成本， 但是沒有降低控制的效果。 （3）mcu采用51單片機，對于以后的擴充功能比較方便。 國內外研究的發(fā)展狀況 20世紀70年代，國外的溫室生產(chǎn)開始以較快的速度發(fā)展，特別是歐美發(fā)達國家，如荷蘭、美國等國家實現(xiàn)了機械化。當時由于水平的限制，對于生態(tài)環(huán)境因素采用單因子控制，即對溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度進行單獨分別控制的方法，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，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，則要實施另外的控制過程，才能達到一定溫度條件下其它相關環(huán)境因素的配合。但是，外界氣候的變化隨時影響到溫室內的小氣候，靠人工指令隨時進行相應改變難以辦到，并且各控制變量之間相互影響、相互耦合，如陰雨天需要補光，補光又會帶來溫度上升和相對濕度下降，要達到擬定的控制效果，又涉及到幾個執(zhí)行機構，這是一個復雜的控制過程。隨著計算機技術的發(fā)展，20世紀80年代采取多因素綜合控制方法，這是利用計算機控制溫室環(huán)境因素的方法。此方法是將各種作物在不同生長發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計算機程序，當某一環(huán)境因素發(fā)生改變時，其余因素自動做出相應修正或調整。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個主要環(huán)境因素隨時處于最佳配合狀態(tài)。20世紀90年代，在多因子環(huán)境控制中，采用了模糊控制、多變量控制等先進技術，并采用這些先進技術開發(fā)環(huán)境自動控制的計算機軟件系統(tǒng)。目前Et本、荷蘭、以色列、美國等發(fā)達國家可以根據(jù)作物的要求和特點，對溫室內光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進行自動調控。美國和荷蘭還利用溫差管理技術，對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進行控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要。目前市場的發(fā)展方向為下：（1） 提高溫室環(huán)境控制水平。在控制方法上，一方面從對溫室單測點的角度來考慮，繼續(xù)進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)境特點的控制系統(tǒng)。（2）在溫室管理方面，研制、開發(fā)新型的溫室計算機管理系統(tǒng)，利用實用的軟件平臺開發(fā)友好的用戶界面，研制開發(fā)針對性強、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)絡計算機實現(xiàn)異地監(jiān)控、信息收集、產(chǎn)品網(wǎng)上交易。 （1） 溫室大棚性能指標的檢測。包括溫度，濕度，CO2濃度，這些都是溫室大 棚要實現(xiàn)良好性能的關鍵參數(shù)，只有及時，準確的檢測到這些參數(shù)的確定 值，才能實現(xiàn)好控制。本課題只涉及到光照的檢測。（2） 溫室大棚的控制。通過控制卷簾機實現(xiàn)對溫度光照的控制，通過控制電磁 閥實現(xiàn)對濕度的控制，通過控制CO2發(fā)生器對CO2濃度進行控制。本課題 只涉及到光照，通過上文的分析，只需要對led燈進行控制，而且對led 等控制誤差比較小，只要進行開環(huán)控制就可以達到效果，這樣既節(jié)省了成 本又達到效果。（3） 遠程監(jiān)控和檢測。通過遠程pc作為上位機，能觀察溫室大棚的情況，能遠 程控制各種執(zhí)行器。 光照傳感器檢測到的光照參數(shù)經(jīng)過A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，經(jīng)過單片機處理運用rs232發(fā)送到下位機，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到上位機，也可以經(jīng)過單片機實現(xiàn)自動控制。上位機可以選擇種植的蔬菜，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到下位機，下位機選擇端口發(fā)送到不同的單片機，單片機實現(xiàn)對光照的開環(huán)控制。第2章 系統(tǒng)總體法案設計由于本科題只對光照進行控制，光照的時間常數(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償點，小于光飽和點的要求，所以針對白天我們不需要對光照度進行控制，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)控制對應的led燈提供大于光補償點的光照就能達到既節(jié)能又提高蔬菜光合作用效率的目的。如果在擴充到其他的的參數(shù)結構相同，只需要對部分軟件和硬件進行替換。根據(jù)以上要求和理論依據(jù)可設計出如下機構圖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過上位機遠程設置蔬菜參數(shù)，然后讓現(xiàn)場單片機對參數(shù)進行控制，以后還可以根據(jù)需要對單片機的功能進行擴充，實現(xiàn)對多個參數(shù)的監(jiān)測和控制。如上圖11，系統(tǒng)結構圖有以下幾點意義：（1） 控制系統(tǒng)通過internet實現(xiàn)上位機和下位機的通信，不受距離的限制， 能達到遠程控制的目的。（2） 該控制系統(tǒng)省略了光照檢測和控制遮光簾等裝置，有效的節(jié)約了成本，但 是沒有降低控制的效果。（3） mcu采用51單片機，對于以后的擴充功能比較方便。 當前市場上常用的控制器有工業(yè)控制計算機機，可編程邏輯控制器，單片機。工控機常用于環(huán)境污染嚴重，酸堿度較高，磁干擾較嚴重的工業(yè)控制現(xiàn)場；PLC是繼電器控制的智能發(fā)展，特別適用于開關量控制，其特有的梯形圖變成結構比較直觀；單片機成本低，壽命高，控制能力較強，在小規(guī)?？刂片F(xiàn)場用得比較多。 針對以上課題，考慮到工控機成本較高，代價大，所以選取PLC與單片機兩套控制方案。方案1：PLC可編程邏輯控制器 PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。方案2：AT89S52單片機控制器 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300M的高速單片機。 由于每一個傳感器都需要處理數(shù)據(jù)然后發(fā)送給無線模塊發(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)測和無線通訊系統(tǒng)，也就需要兩個控制器，如果采用plc這種高成本的控制器，成本太高，另外單片機的功能只是控制傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制無線模塊傳送數(shù)據(jù)和對led燈進行開關量的控制，這種方式一個單片機足矣，綜上所述，我們選擇單片機作為現(xiàn)場控制器。 本設計要求將傳感器的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到接收端上去，實現(xiàn)遠程采集，先設計出兩套方案，一種方案是每一個傳感器上面都用一個GPRS模塊，通過GPRS發(fā)送到上位機。另一種方案是傳感器上用一個NRF芯片發(fā)送到現(xiàn)場的另一個與下位機相連的NRF模塊上，下位機通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給遠程上位機，方案敘述如下：方案1：GPRS模塊 GPRS通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS可說是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）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，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無線通信 ~ 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI 接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。 市場上一個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NRF24l01模塊才只有15元，滿足經(jīng)濟性的的要求，而且NRF24L01模塊能在一般條件下能達到80米的有效距離，如果以60m性能穩(wěn)定的距離來計算，一個圓形溫室大棚的面積可以達到=*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作為無線通信模塊，實現(xiàn)短距離的無線通信。 目前，由于單片機較小的控制能力，常選用的顯示器件有兩種，一種是液晶顯示器，常見的是LCD1602，另一種常見的是數(shù)碼管。方案1：LCD顯示器LCD1602 圖21 LCD1602 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（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用于市面上大部分的字符型液晶。如圖21為單片機常用的液晶顯示器1602外觀圖。方案2：八段數(shù)碼管led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，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兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(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是共陰和共陽極數(shù)碼管的內部電路，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，黃等幾種。led數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。選用時要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。下面將介紹常用LED數(shù)碼管內部引腳圖片圖22 這是一個7段兩位帶小數(shù)點 10引腳的LED數(shù)碼管 圖23引腳定義每一筆劃都是對應一個字母表示 DP是小數(shù)點. 圖22 LED數(shù)碼管引腳定義 圖23 10引腳的LED數(shù)碼管由項目要求可知，我們的顯示裝置要顯示實時的光照度和預定的光照度，顯示的數(shù)據(jù)比較簡單，我們采取數(shù)碼管分段顯示或者分時顯示都能達到顯示效果，而且數(shù)碼管控制原理簡單明了，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效應的半導體材料制成的光敏傳感器稱為光敏電阻。目前，光敏電阻應用的極為廣泛，可見光波段和大氣透過的幾個窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開關在我們日常生活中隨處可見。當內光電效應發(fā)生時，光敏電阻電導率的改變量為： ……………………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，而且沒有飽和現(xiàn)象。當然，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