【正文】 ......................................................... 28 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 VI 參考文獻 ............................................................... 29 致謝 ................................................................... 33 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 1 1 緒論 研究目的和意義 目前，隨著日光溫室的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對溫室的自動化程度要求也越來越高。 中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應用技術(shù)越來越受到重視，特別是日光溫室已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分?，F(xiàn)代化 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進行檢測和控制。例如：二氧化碳濃度、空氣的溫度、濕度等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進行環(huán)境測控是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學化的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以日光溫室為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。溫室內(nèi)的二氧化碳濃度參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設(shè)施已經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標準，但是價格 非常昂貴，缺乏與我國氣候特點相適應的測控軟件。而當今大多數(shù)對溫室二氧化碳濃度的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及由于測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達到預期的效果。因此，為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學化并提高農(nóng)業(yè)研究的準確性，推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應的農(nóng)業(yè)工程，科學合理地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)二氧化碳的濃度，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜，水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)、高效益的重要環(huán)節(jié)。 由于單片機及各種電 子器件性價比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋１菊撐奶岢鲆环N以 AT89S52 單片機為核心的檢測器，主要是為了對日光溫室內(nèi)二氧化碳濃度 進行有效、可靠地檢測而設(shè)計的。 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外發(fā)展現(xiàn)狀 西方發(fā)達國家在現(xiàn)代溫室測控技術(shù)上起步比較早。 20 世紀 60 年代，生產(chǎn)型的高級中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 2 溫室開始應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，奧地利首先建成了番茄生產(chǎn)工廠， 70 年代后荷蘭、日本、美國、英國、以色列等國家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應用于園藝作物生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。隨著計算機技術(shù)的進步和智能控制理論的發(fā)展，近百年 來，溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其自動控制和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長足的發(fā)展 【 1】【 2】 。特別是二十世紀 70 年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計算機的出現(xiàn)，更使溫室大棚環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化 【 3】【 4】 。 80 年代，隨著微型計算機日新月異的進步和價格大幅度下降，以及對溫室控制要求的提高，以微機為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長足的發(fā)展，并邁入了網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段 【 5】 。目前，國外現(xiàn)代化溫室的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標準 【 6】 。溫室內(nèi)的各環(huán)境因子大多 由計算機集中控制，檢測傳感器也較為齊全，如溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液濃度等，由傳感器的檢測基本上可以實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構(gòu)的自動控制，如無級調(diào)節(jié)的天窗通風系統(tǒng)，濕簾與風扇配套的降溫系統(tǒng)，由熱水鍋爐或熱風機組成的加溫系統(tǒng)，可定時噴灌或滴灌的灌溉系統(tǒng)，二氧化碳施肥系統(tǒng)，以及適用于溫室作業(yè)的農(nóng)業(yè)機械等。計算機對這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡單的、獨立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制，而是基于環(huán)境模型上的監(jiān)督控制，以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制 【 7】【 8】 ，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動化、無人 化的方向發(fā)展。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國現(xiàn)代溫室技術(shù)起步較晚， 70 年代以來，政府大力發(fā)展以塑料大棚、節(jié)能日光溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進了農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和緩和了蔬菜季節(jié)性短缺矛盾。與此同時，從 1979 年至 1994 年，從歐美、日本等國家引進了一系列現(xiàn)代化溫室進行實驗研究。引進的溫室與我國傳統(tǒng)溫室比較，其空間大，便于進行機械作業(yè)，生產(chǎn)率與資源利用率比較高，為我國溫室的發(fā)展提供了借鑒作用。但這些溫室也存在著許多不足之處，主要表現(xiàn)在： ，國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前難以接受。 測控軟件。目前我國引進溫室的測控系統(tǒng)大多投資大、運行費用過高，并且測控系統(tǒng)中所側(cè)重考慮的環(huán)境參數(shù)與我國的氣候特點存在矛盾。 ，軟件實現(xiàn)模式固定，不能進行功能擴展 【 9】 。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 3 隨后在我國出現(xiàn)了一些國外的仿造產(chǎn)品，但均沒有面向我國廣大農(nóng)村現(xiàn)有的 1000萬畝傳統(tǒng)溫室的改造工程。所以，傳統(tǒng)的方法，人們主要還是采用溫度計、濕度計來采集溫度值和濕度值，通過人工操作加熱、加濕、通風和降溫來控制溫濕度。因此，以上產(chǎn)品的推廣使用價值仍然不大 【 10】 。 總體上說，我國自行開發(fā)的溫室測控系統(tǒng)其技術(shù)水平和調(diào)控能力 與發(fā)達國家還有一定的差距。而我國綜合環(huán)境測控技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單個或少量環(huán)境因子調(diào)控技術(shù)的階段，而實際上，溫室內(nèi)的光照度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素，都是在相互影響、相互制約的狀態(tài)中對作物的生長產(chǎn)生影響的，環(huán)境要素的空間變化、時間變化都很復雜。因此，我們應該根據(jù)我國的國情研制出適合我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展的儀器儀表，并在農(nóng)業(yè)設(shè)施中廣泛推廣。 課題的主要內(nèi)容及研究意義 為適應農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要 ,根據(jù)以上分析存在的問題，本論文設(shè)計了基于單片機的二氧化碳濃度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計過程中充分 考慮到性價比，選用價格低、性能穩(wěn)定的元器件，可實現(xiàn)對大棚內(nèi)二氧化碳濃度的在線實時檢測。還設(shè)計了通信系統(tǒng)，單片機實時監(jiān)測大棚內(nèi)的二氧化碳濃度，當二氧化碳濃度超過設(shè)定的上、下限時，單片機通過與溫室主機進行通信來打開相應的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對二氧化碳濃度的調(diào)控，從而使得大棚內(nèi)的參數(shù)在適合作物生長的范圍內(nèi)。 本論文主要研究內(nèi)容包含以下幾個方面： ； ； ； 啟動報警功能； 。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 4 2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 總體方案設(shè)計 為了便于管理本設(shè)計以上、下位機模型為陽光溫室測控系統(tǒng)。其中，上位機是溫室主機 (PC 機 )，下位機是檢測器。檢測器應能完成以下工作：脫離主機獨立地進行數(shù)據(jù)采集和處理，通過人機接口（鍵盤和顯示器）實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、顯示和報警等功能；連接主機時能實現(xiàn)通信功能。 檢測器是以單片機為核心的，整個檢測器系統(tǒng)包括主模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、輸出控制模塊、鍵盤顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等。數(shù)據(jù)采集與處理模塊能夠完成溫室內(nèi)二氧化碳濃度的模擬量的采集 和處理，結(jié)果送數(shù)據(jù)存儲器或傳輸給監(jiān)控服務器，由監(jiān)控服務器存儲和管理，輸出控制模塊主要負責與主機相連接時溫室執(zhí)行機構(gòu)的控制；通信模塊則是基于 RS232 總線，由雙絞線進行遠程的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)檢測器和主機的通信。 整個溫室測控系統(tǒng)主要由溫室內(nèi)外環(huán)境自動測試系統(tǒng)， (間接 )自動控制系統(tǒng)，人機對話接口和通訊接口四個部分組成。 1．溫室內(nèi)外環(huán)境自動測試系統(tǒng) 本設(shè)計研究的檢測器主要測試溫室內(nèi)二氧化碳濃度環(huán)境參數(shù)。 2．溫室內(nèi)環(huán)境自動控制系統(tǒng) 根據(jù)環(huán)境自動測試系統(tǒng)得到的結(jié)果 ,控制相應執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行，為作物提供良好的生長環(huán)境 。 3．人機對話接口 LED 顯示系統(tǒng)：顯示溫室內(nèi)的二氧化碳濃度環(huán)境參數(shù)值。 鍵盤：用以人工預置各適宜環(huán)境參數(shù)值。 報警信號：當某環(huán)境參數(shù)值超過限定界限時，發(fā)出聲光報警信號，提醒農(nóng)藝人員采取相應措施。 4．通訊接口 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 5 用來實現(xiàn)與主機的通訊，將存儲的測試數(shù)據(jù)傳送給主機，可以方便的實現(xiàn)集中式管理。 詳細設(shè)計 本文通過以上對陽光溫室蔬菜中的參量及其相互關(guān)系的分析研究，對檢測系統(tǒng)總體方案進行了詳細設(shè)計，采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機、美國生產(chǎn)的紅外二氧化碳傳感器 6004。單片機通過 A/D0832 轉(zhuǎn)換器把從傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。顯示部分由比較廉價的 LED 數(shù)碼管對二氧化碳濃度進行分時顯示。當二氧化碳濃度量低于或者高于期望的范圍時，系統(tǒng)會控制自動報警。本設(shè)計采用的是聲光報警，聲光報警主要是控制蜂鳴器的發(fā)聲頻率和控制指示燈，使其一亮一滅，從而達到報警的目的。 具體的系統(tǒng)框圖如圖 所示： 圖 二氧化碳檢測器的原理圖 RXT TXT T0 INTO AT89S52 RST XTAL2 XTAL1 P2 ~ 二氧化碳傳感器 1~n 采樣保持器 A/D轉(zhuǎn)換電路 RS 232 上位計算機 復位電路 鍵盤顯示 聲光報警 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 6 3 硬件設(shè)計 微控制器概述和選用 計算機的產(chǎn)生加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積龐大。微控制器（單片機）就是在這種情況下誕生的。它是把中央處理器（ CPU）、隨機存取存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、輸入 /輸出端口（ I/O）等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計的，在智能控制系統(tǒng)中，微控制器得到了廣泛的應用 【 14】 。 市場上比較流行的單片機種類主要有 Intel公司、 Atmel公司和 Philip公司的 8051系列單片機， Motorola 公司的 M6800 系列單片機， Intel 公司的 MCS96 系列單片機以及Microchip 公司的 PIC 系列單片機等。各個系列的單片機各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、 I/O 能力、功耗、功能、價格等方面各有優(yōu)劣。本文選用 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89S52作為 CPU。 AT89S52 是一種低功耗、低價格，高性能 8 位微處理器。 AT89S52 單片機的特點 AT89S52 的 PDIP 封裝管腳如圖 所示。 圖 AT89S52 管腳圖 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 說明 書 7 AT89S52 單片機的主要特性 AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8KBISP 的可反復擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元。 AT89S52 具有如下特點： 40 個引腳， 8KB Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器， 32 個外部雙向輸入 /輸出口， 5 個中斷優(yōu)先級， 2 層中斷嵌套中斷， 3 個可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口，看門狗電路，片內(nèi)時 鐘振蕩器。此外， AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。 二氧化碳數(shù)據(jù)的采集與處理 二氧化碳是植物進行光合作用的重要原料之一，可以提高植物光合作用的強度，并有利于作物的早熟豐產(chǎn)，增加含糖量，改善品質(zhì)。而空氣中的二氧化碳濃度一般約占空氣體積的 %，遠遠不能滿足作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的需要?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大都采用溫室大棚進 行作物的栽培和培育。在作物的整個生長期，都需要提供不同濃度的二氧化碳。適宜的二氧化碳濃度可以促使幼苗根系發(fā)達，活力增強、產(chǎn)量增加。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的溫室大棚，形成了一個相對封閉的環(huán)境，使得對二氧化碳濃度的控制成為可能。但是，空氣中二氧化碳濃度的測量，是一個比較困難的問題，因為它涉及到測量方法、信號的獲取和測量設(shè)備的成本。專業(yè)的二氧化碳濃度測量儀表的價格一般都在上萬元 /臺，在一般用戶中難以普及，因此，本論文針對此問題設(shè)計一種能夠應用在農(nóng)業(yè)上的二氧化碳檢測器。 二氧化碳傳感器的選擇