【正文】 一體的自動滴灌控制系統(tǒng)。研究的關(guān)鍵問題是:智能溫濕度傳感器的硬件與軟件設(shè)計，溫室大棚環(huán)境模糊控制系統(tǒng)設(shè)計。由于我國人多地少、氣候條件惡劣、農(nóng)業(yè)用戶購買能力有限，因此開發(fā)低價位、低成本、實用型的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的必要性和重要的實際意義。63四川理工學院畢業(yè)論文第二章 基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計自動滴灌系統(tǒng)是通過測定濕度、溫度，根據(jù)植物自動選擇滴灌開時始時間、滴灌時間及出水量。這樣可以將水和養(yǎng)份直接而精確地輸送到作物根部，是一種低成本、長壽命、免維護、高效節(jié)能的澆水方式。它適用于單行或多行盆栽、吊藍式種植、培植袋栽種作物、庭院式花園等，也適合家居大小花盆栽種的植物澆灌。自動滴灌系統(tǒng)目前在缺水的發(fā)達國家應(yīng)用十分廣泛，目前在我國部分地區(qū)也逐漸應(yīng)用。自動滴灌系統(tǒng)要求滴灌時間準確、出水量適中、系統(tǒng)操作方便，對于更好的輔助作物生長、節(jié)約水資源起到了極其重要的作用。 滴灌控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計在本文中，滴灌控制器主要由三部分構(gòu)成，整個系統(tǒng)組成如下圖圖21所示。太陽能太陽能電池板太陽能控制器蓄電池控制器COM 單片機光照強度傳感器溫度傳感器濕度傳感器蜂鳴器 LED數(shù)碼管（顯示濕度、溫度） 報警電動機水泵滴灌水源圖21 系統(tǒng)整體工作流程圖示一是供電系統(tǒng)，該部分利用太陽能作為供電來源，完成儲能、電壓轉(zhuǎn)換的功能，為控制系統(tǒng)供電。供電系統(tǒng)主要由太陽能板、電壓轉(zhuǎn)換芯片、備用蓄電池和開關(guān)電路組成。二是控制系統(tǒng)，該部分利用溫度、濕度傳感器、單片機完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸與相應(yīng)的滴灌控制功能，實現(xiàn)自動控制。三是顯示報警系統(tǒng)，主要由LED數(shù)碼管、蜂鳴器組成，實現(xiàn)實時環(huán)境參數(shù)顯示及超限報警功能?？刂葡到y(tǒng)按照控制方法來分，可分為手動控制和自動控制兩種類型。手動控制系統(tǒng)簡單可靠，一般由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關(guān)等電氣元件組成。但一般來說，即使在自動控制系統(tǒng)中，往往也包含有手動控制方式，手動控制系統(tǒng)是環(huán)境控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。環(huán)境自動控制系統(tǒng)按采用的控制儀表可分為數(shù)字式控制儀控制系統(tǒng)、控制器控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。數(shù)字式控制儀控制系統(tǒng)往往只通過傳感器對內(nèi)的某一環(huán)境因子進行監(jiān)測，并對其設(shè)定上限值和下限值，然后控制儀自動對驅(qū)動設(shè)備進行開啟或關(guān)閉，從而使的該環(huán)境因子控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，屬單因子控制。這種系統(tǒng)因其不考慮其他要素的影響和變化，局限性非常大，但由于成本較低，對運行要求不高的來說很適用。計算機控制系統(tǒng)又可分為集中式控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)(即集散式控制系統(tǒng))。集中式控制系統(tǒng)，就是用一臺計算機直接控制執(zhí)行機構(gòu)，使被調(diào)量保持在給定值。這類控制系統(tǒng)為主機一終端模式，即以計算機主機為控制中心，負責對其他各子系統(tǒng)進行控制管理，這種模式不靈活，適合于控制點數(shù)集中、規(guī)模小、控制機房和溫室距離近的情況。分布式控制系統(tǒng)采用了所謂的服務(wù)器一客戶機模式，是目前計算機控制系統(tǒng)的主流。它是由許多分布在各中的可編程控制器(PLC)或者子處理器組成，每一個控制器連接到中心監(jiān)控計算機或稱主處理器上，由每個子處理器處理所采集的數(shù)據(jù)并進行實時控制，而由主處理器存儲和顯示子處理器傳送來的數(shù)據(jù)，主處理器可以向每個子處理器發(fā)送控制設(shè)定值和其它控制參數(shù)。它不僅具有傳統(tǒng)的控制功能和集中化的信息管理及操作顯示功能，而且還有大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、處理的功能以及較強的數(shù)據(jù)通信能力，為實現(xiàn)高等過程控制和生產(chǎn)管理提供了先進的工具和手段。此類控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化中已經(jīng)應(yīng)用廣泛，對于普通農(nóng)民來說，其最大的缺陷就是價格昂貴，一次性投資太大，而且對于普通大棚來說，實用性不高。控制器控制系統(tǒng)采用了綜合環(huán)境控制，可根據(jù)作物對各種環(huán)境要素的配合關(guān)系，在某一環(huán)境要素發(fā)生變化時，相關(guān)的其他要素可自動做出相應(yīng)改變和調(diào)整，以優(yōu)化環(huán)境組合條件?？刂破骺梢允菃纹瑱C、可編程序控制器(PLC)、工控機等。此類控制系統(tǒng)價格相對較低，尤其是以單片機為控制核心的控制器，適用于簡易大棚的控制，價格也處于普通農(nóng)民用戶所承受范圍之內(nèi)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的架構(gòu)提供了多種可選方案。方案PLC單片機工控機分布式控制系統(tǒng)總線控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊式整體式模塊式模塊式模塊式加工無需加工需要無需加工無需加工無需加工體積較大小較大大大穩(wěn)定性優(yōu)一般一般優(yōu)良好工作環(huán)境低低一般低低通訊優(yōu)較差很差優(yōu)優(yōu)成本很高較低一般較高較高鑒于降低成本的需要，本系統(tǒng)將選用以多功能單片機為環(huán)境的核心控制器。 太陽能供能系統(tǒng)選型太陽能（solar energy），是指太陽的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。在現(xiàn)代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能也包括地球上的風能、化學能、水能等。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。中國蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。目 前，中國太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國家和重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國。中國比較成熟太陽能產(chǎn)品有兩項：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。太陽能發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，還沒有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是目 前并網(wǎng)發(fā)電的主流。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，太陽能電池板的作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價值的重要因素。 組件設(shè)計：按國際電工委員會IEC：1215：1993標準要求進行設(shè)計，采用36片或72片多晶硅太陽能電池進行串聯(lián)以形成12V和24V各種類型的組件。該組件可用于各種戶用光伏系統(tǒng)、獨立光伏電站和并網(wǎng)光伏電站等。利用太陽能發(fā)電的方式有多種。已實用的主要有以下兩種。光—熱—電轉(zhuǎn)換。即利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。前一過程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱—電轉(zhuǎn)換。這種方式簡單易行，成本低廉回報大，適合在中國大面積推廣。光—電轉(zhuǎn)換該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池：材料要求：耐紫外光線的輻射，透光率不下降。鋼化玻璃作成的組件可以承受直徑25毫米的冰球以23米/秒的速度撞擊。裝用的EVA膠膜固化后的性能要求：透光率大于90%；交聯(lián)度大于6585%；剝離強度（N/cm），玻璃/膠膜大于30；TPT/膠膜大于15；耐溫性：高溫85℃、低溫－40℃；太陽電池的背面，耐老化、耐腐蝕、耐紫外線輻射、不透氣等。用途：太陽能發(fā)電廣泛用于太陽能路燈、太陽能殺蟲燈、太陽能便攜式系統(tǒng)，太陽能移動電源，太陽能應(yīng)用產(chǎn)品，通訊電源，太陽能燈具，太陽能建筑等領(lǐng)域。太陽能在2050年前可能將成為電力的主要來源，受助于發(fā)電設(shè)備成本大跌。IEA報告表示，2050年前太陽能光伏(PV)系統(tǒng)將最多為全球貢獻16%的電力，來自太陽能發(fā)電廠的太陽能熱力發(fā)電(STE)將提供11%的電力。光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導體物料（例如硅）制成的固體光伏電池組成。簡單的光伏電池可為手表以及計算機提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為房屋提供照明以及交通信號燈和監(jiān)控系統(tǒng)，并入電網(wǎng)供電。光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電能。天臺及建筑物表面均可使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)電池片原材料特點：采用高效率（%以上）的單晶硅太陽能片封裝，保證太陽能電池板發(fā)電功率充足。 玻璃： 采用低鐵鋼化絨面玻璃(又稱為白玻璃)， ,在太陽電池光譜響應(yīng)的波長范圍內(nèi)(3201100nm)透光率達91%以上，對于大于1200 nm的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時能耐太陽紫外光線的輻射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外劑、TPT之間的連接劑。具有較高的透光率和抗老化能力。TPT：太陽電池的背面覆蓋物—氟塑料膜為白色，對陽光起反射作用，因此對組件的效率略有提高，并因其具有較高的紅外發(fā)射率，還可降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。當然，此氟塑料膜首先具有太陽電池封裝材料所要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等基本要求。邊框：所采用的鋁合金邊框具有高強度，抗機械沖擊能力強。也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。組成如圖22.圖22 太陽能電池板組成結(jié)構(gòu)經(jīng)過分析考慮，該系統(tǒng)環(huán)境要求較低，選用平板型單晶硅太陽能電池板。具體需要可根據(jù)實際情況將電池板進行并聯(lián)和串聯(lián)，便可達到要求。太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設(shè)備。太陽能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一個微機數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制系統(tǒng)。既可快速實時采集光伏系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，隨時獲得PV站的工作信息，又可詳細積累PV站的歷史數(shù)據(jù)，為評估PV系統(tǒng)設(shè)計的合理性及檢驗系統(tǒng)部件質(zhì)量的可靠性提供了準確而充分的依據(jù)。此外，太陽能控制器還具有串行通信數(shù)據(jù)傳輸功能，可將多個光伏系統(tǒng)子站進行集中管理和遠距離控制。太陽能控制器通常有6個標稱電壓等級：12V、24V、48V、110V、220V、600V ，如圖23。圖23 太陽能控制器太陽能控制器是由專用處理器CPU、電子元器件、顯示器、開關(guān)功率管等組成。其主要特點：使用了單片機和專用軟件，實現(xiàn)了智能控制；利用蓄電池放電率特性修正的準確放電控制。放電終了電壓是由放電率曲線修正的控制點，消除了單純的電壓控制過放的不準確性，符合蓄電池固有的特性，即不同的放電率具有不同的終了電壓。具有過充、過放、電子短路、過載保護、獨特的防反接保護等全自動控制；以上保護均不損壞任何部件，不燒保險；采用了串聯(lián)式PWM充電主電路，使充電回路的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM高3%6%，增加了用電時間；過放恢復(fù)的提升充電，正常的直充，浮充自動控制方式使系統(tǒng)由更長的使用壽命；同時具有高精度溫度補償；直觀的LED發(fā)光管指示當前蓄電池狀態(tài)，讓用戶了解使用狀況；所有控制全部采用工業(yè)級芯片（僅對帶I工業(yè)級控制器），能在寒冷、高溫、潮濕環(huán)境運行自如。同時使用了晶振定時控制，定時控制精確。取消了電位器調(diào)整控制設(shè)定點，而利用了E方存儲器記錄各工作控制點，使設(shè)置數(shù)字化，消除了因電位器震動偏位、溫漂等使控制點出現(xiàn)誤差降低準確性、可靠性的因素；使用了數(shù)字LED顯示及設(shè)置，一鍵式操作即可完成所有設(shè)置，使用極其方便直觀的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當是控制器的可選項。根據(jù)工作情況要求，該設(shè)計選用12VDC的太陽能控制器滿足系統(tǒng)運行條件。 單片機選型在現(xiàn)今市場上，單片機的生產(chǎn)廠商很多、單片機的類型也很多。作為通用智能終端的控制器，在這眾多的單片機類型中選擇一款合適的型號至關(guān)重要。對于本終端，進行單片機選型應(yīng)該遵循的原則或要求主要是:(1)選擇的單片機必須有較好的穩(wěn)定性，這是因為在溫室或其它環(huán)境中存在有很多的干擾，為了使單片機能夠正常的工作，單片機內(nèi)部必須有較好的內(nèi)部復(fù)位和內(nèi)部延時等功能，如在單片機內(nèi)部的程序運行時，若程序/跑飛0(指程序不按照指定的順序運行)，可進行復(fù)位操作。(2)選擇的單片機必須具有豐富的片上外圍設(shè)備，因為這樣可以簡化電路的設(shè)計，也可以讓電路的調(diào)試更加容易。(3)選擇的單片機要有方便的調(diào)試功能，單片機生產(chǎn)廠商要提供免費的調(diào)試軟件，使單片機程序大部分能夠在PC機上仿真出來而且無誤。而且，單片機程序語言要多樣化，要既可以用單片機匯編語言也可以用C語言編寫程序。(4)選擇的單片機功耗要低，由于設(shè)計的通用智能終端長期在環(huán)境現(xiàn)場工作，為了節(jié)能，應(yīng)選擇功耗低的單片機。本設(shè)計采用宏晶科技公司出產(chǎn)的STC89C516RD+單片機。 STC89C516RD+單片機介紹STC89C516RD+單片機是STC推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以在任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。該單片機的主要特性如下：增強型8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以在任意選擇，指令代碼完全