【正文】 長足的進步，首先在溫室群控制方面，進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的控制算法。當前溫室控制系統(tǒng)研究熱點己由簡單的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)絡化的控制系統(tǒng)。實施遠程控制。雖然國內(nèi)溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟，另外構(gòu)建的費用也較高，但從長遠來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡化將是一種必然的趨勢。 本方案以 AT89C51 單片機系統(tǒng)為核心來對溫度，濕度和二氧化碳濃度進行實時控制和檢測。檢測單元能獨立完成各自功能，并根據(jù) 單片機的指令對溫度進行實時或定時采集。單片機負責控制指令的發(fā)送，并控制各機構(gòu)進行溫度采集，手機測量數(shù)據(jù)，同時對測量結(jié)果進行處理及顯示。 關鍵詞： AT89C51 單片機 自動控制系統(tǒng) 傳感器 控制器 引言 生態(tài)環(huán)境因素控制自動化 :生態(tài)環(huán)境因素控制自動化的主要內(nèi)容是溫、濕度的自動調(diào)節(jié)，灌水量、水溫自動調(diào)節(jié)， CO2 施肥自動調(diào)節(jié)，溫室通風換氣自動調(diào)節(jié)等。通過控制各種相應的操作設備來控制上述內(nèi)容，以達到給作物創(chuàng)造最佳生長環(huán)境的目的。對環(huán)境影響因素采用的控制方法一般有兩種： (1)單因子控制。這是對溫度、濕度、光照和 CO2濃度等進行單獨控制的方法，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 隨時影響到室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時進行相應改變是很難辦到的。 (2)多因素綜合控制。這是 80 年代發(fā)展起來的利用計算機控制溫室環(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(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 個主要環(huán)境因素隨時處于最佳配合狀態(tài)。 2 第一章 緒論 課題背景 大棚環(huán)境對農(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，某個控制變量發(fā)生改變，會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)境條件對作物的影響進行簡略說明。 溫室內(nèi)氣溫、地溫對作物的光合作用、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。不同種類的作物對溫度的要求是不同的，同一作物在不同發(fā)育階段對溫度的要求亦有所不同，而且在同一發(fā)育期階段內(nèi)對溫度的要求也會隨著晝夜變化而呈周期性地變化。一般說來在白天作物進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，隨著光照強度的變化，實行變溫管理是一種很有效的管理方法。 溫室內(nèi)作物對水分的要求體現(xiàn)為對溫室內(nèi)空氣濕度和土壤濕度的要求。空氣濕度用相對濕度來表示，因為相對濕度更能反應事實。根據(jù)有關研究記載，除了陰雨天以外，溫室內(nèi)午后過低的空氣濕度會導致作物發(fā)生光合作用的午休現(xiàn)象，因此空氣相對濕度的大小直接影響到作物的光合作用，這時就需要增加溫室內(nèi)的空氣濕度。當溫室內(nèi)的空氣濕度較高時，可能會誘發(fā)一些病蟲 害。溫室中空氣濕度的管理包括增濕和降濕。 土壤濕度對作物的影響也很大。如果土壤中水分過剩，濕度過高，導致土壤中的氧氣含量減少，作物根部呼吸困難，進而危害作物的生長發(fā)育。相反，當土壤中含水量減少時，作物根部吸收的水分就相應的減少，從而阻礙作物的生長，嚴重時作物出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。不同的作物對濕度的要求不同，即使是同一種類在不同發(fā)育階段對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)應用到溫室中來。傳統(tǒng)的大水漫灌既浪費水資源，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。 3 光照是植物環(huán)境中的重要因素，是植物生產(chǎn)有機質(zhì)的能量來源，是作物生長發(fā)育的關鍵條件之一。光照不足，必然影響到植物的生長。對作物生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)在光照強度、光照時間、光質(zhì)三個方面。 光質(zhì)即光波的組成，研究表明作物葉片具有對可見光的高吸收率和對紅外線的低吸收率這一習性，這有利于作物在有效的利用光能進行光合作用的同時使光合器官免受高溫的傷害。 光照強度直接影響到光合作用的強度。光照強度過高或過低對作物都有害。當光照強 度高于光飽和點時，就需要降低溫室內(nèi)的光照強度。當光照強度低于光補償點時，就需要進行人工補光。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 是作物進行光合作用的主要原料。有關研究表明，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行， CO2濃度隨之下降，如不及時補充，盡管光照條件好，水肥充足，作物仍然不能進行旺盛的光合作用，使營養(yǎng)物質(zhì)積累減少，難以實現(xiàn)早熟高產(chǎn)。但是 ，濃度過高，又可能對作物造成危害，出現(xiàn)葉片周邊焦邊，嚴重時甚至死亡等現(xiàn)象。 CO2施肥在國外己經(jīng)發(fā)展到實際應用的水平。人工補充 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、光照強度、溫度等因素。為了最大限度的提高施肥效果，施放 CO2時，必須控制在溫度、濕度、光照度等條件滿足之后進行。 綜上所述，溫室內(nèi)各環(huán)境因子之間存在著強烈的相互作用，作物是在各環(huán)境因子的綜合影響下生長的，而不是單個因素作用的結(jié)果，各環(huán)境因子對溫 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到良好效果的。所以設計智能化溫室環(huán)境測控系統(tǒng)時須輔以有關的調(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)濟效益。 溫室大棚的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 現(xiàn)在世界各國的設施園藝發(fā) 展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完自動化、無人化的方向發(fā)展。發(fā)達國家近二十年來建造的溫室，自動化水平高，都設自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和集中控制系統(tǒng)，包括各種傳感器、計算機及各種電氣裝置等。各國溫室技術(shù)研究的核心是溫室復合環(huán)境優(yōu)化控制研究。主要包括 : 生態(tài)環(huán)境因素控制自動化 :生態(tài)環(huán)境因素控制自動化的主要內(nèi)容是溫、濕度的自動調(diào)節(jié)，灌水量、水溫自動調(diào)節(jié)， CO2 施肥自動調(diào)節(jié)，溫室通風換氣自動調(diào)節(jié)等。通過控制各種相應的操作設備來控制上述內(nèi)容，以達到給作物創(chuàng)造最佳生長環(huán)境的目的。對環(huán)境影響因素采用的控制方法一般有兩 種： (1)單因子控制。這是對溫度、濕度、光照和 CO2濃度等進行單獨控制的方法，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 隨時影響到室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時進行相 4 應改變是很難辦到的。 (2)多因素綜合控制。這是 80 年代發(fā)展起來的利用計算機控制溫室環(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(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 個主要環(huán)境 因素隨時處于最佳配合狀態(tài)。 環(huán)境監(jiān)測控制技術(shù) :環(huán)境控制技術(shù)是溫室技術(shù)的核心?，F(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、傳感、調(diào)節(jié)，都由計算機進行綜合管理，實行自動控制。國外先進溫室， 對室內(nèi)外氣溫、風力、降雨等氣象情況，室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度和含水量、光照強度、 CO2濃度、營養(yǎng)液的酸堿度 (PH 值 )、導電率 (EC)和溫度等環(huán)境參數(shù)，可利用計算機自動進行檢測并實施控制。有的系統(tǒng)還可監(jiān)測葉面積指數(shù)、葉溫、蒸騰量和長勢等生物活體信息，對生物體的重量、 大小、形態(tài)等進行非接觸式和非破壞性監(jiān)測，從而對溫室溜溉、施肥、加熱、降溫、補光、保溫、遮陽、 CO2 濃度、加濕、除濕等作業(yè)進行綜合控制 .還有人根據(jù)產(chǎn)品市場價格變化的規(guī)律和作物生長規(guī)律，對作物的光合作用條件進行優(yōu)化控制，以期獲得最好的經(jīng)濟效益。 總的來說，國外現(xiàn)代溫室環(huán)境控制系統(tǒng)性能先進，產(chǎn)出效益高，但價格昂貴，維護不便，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我國的溫室生產(chǎn)。 溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個多變量的大慣性非線性系統(tǒng)，并且有藕合、延遲等現(xiàn)象，很難對這類系統(tǒng)建立數(shù)學模型及用經(jīng)典控制方法 和現(xiàn)代控制方法實現(xiàn)控制。近年來，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊推理等新的控制理論不斷出現(xiàn)并逐漸應用于溫室控制領域，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 本設計研究內(nèi)容表述如下 : (1)控制器以單片機為核心，整個系統(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 計為控制器 (單片機 )軟件的設計和開發(fā)。采用單片機匯編語言編寫。 本課題針對于當前我國溫室環(huán)境控制相關技術(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)實困難推進溫室的產(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。 5 第二章 總體方案的設計 實現(xiàn)功能 本設計是基于 AT89C51 單片機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，了解其基本特性和功能，使用 AT89C51 實現(xiàn)對溫濕度及二氧化碳濃 度的智能控制。 (2) 使用溫度傳感器測量現(xiàn)場環(huán)境溫度，進行數(shù)據(jù)的采集及傳到單片機處理。 (3) 使用濕度傳感器對現(xiàn)場時讀數(shù)據(jù)采集，由單片機進行數(shù)據(jù)處理和控制，實現(xiàn)范圍為 1%— 99%RH 的濕度控制。 (4) 設計人機對話接口，鍵盤顯示和報警系統(tǒng)。 (5) 涉及執(zhí)行機構(gòu)電路，是單片機能夠自動控制執(zhí)行機構(gòu)工作。 (6) 在完成以上功能時，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。 總體方案設計 本系統(tǒng)主要有自動監(jiān)控系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)，人機對話接口這三個部分組成。其原理圖下圖 ： 圖 系統(tǒng)原理圖 詳細設計 經(jīng)過仔細研究和分析，對系統(tǒng)的總體方案進行了詳細設計，采用的芯片主要有： ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機， AD 公司生產(chǎn)的 AD590 集成溫度傳感器，電容式濕度傳感單片機 檢測系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 人機對話 CO2 濃度檢測 濕度檢測 溫度檢測 溫度執(zhí)行 濕度執(zhí)行 報警系統(tǒng) 鍵盤系統(tǒng) LED顯示 6 器 HS1101。單片機通過 AD0809A\D 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，通過單片機 T。對脈沖寬值的計算得到濕度值。 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)電化學型氣體敏感元件 TGS4 通過監(jiān)測 S（＋）、 S（－）兩個電極之間 所產(chǎn)生的電勢值 EMF，就可以測量 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)行機構(gòu)中，可以通過單片機直接控制來達到需要的數(shù)值。顯示部分由單片機分時把溫度濕度及二氧化碳濃度值送到數(shù)碼管顯示。通過鍵盤可以設定參數(shù)的上限值下限值，當當前參數(shù)超過設定值時，由單片機控制報警電路報警。同時單片機控制相應的執(zhí)行機構(gòu)運行相應的動作，使得溫度濕度及二氧化碳濃度恢復到正常水平。 圖 2. 2 總體方案框圖 第 三章 系統(tǒng)硬件設計 硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實現(xiàn)，必須考慮到到期間的實施性，價格和通用性等幾個方面。在電路的設計中，在實現(xiàn)其所要求的功能基礎上，盡量使電路簡單。 單片機的選擇及其特性 單片機的概述 單 片 機 AT89C51 驅(qū)動顯示 鍵盤 X25045 濕度測點 CO2 濃度測點 溫度測點 AD590 HS1101 報警 ADC 0809 光電隔離 驅(qū)動放大 執(zhí)行機構(gòu) TGS4160 7 單片機又稱單片微控制器它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價