【正文】 . 44 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 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(duì)其性能要求也越來(lái)越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)溫室的自動(dòng)化程度要求也越來(lái)越高。 中國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)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(gè)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)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(wèn)題中，溫室環(huán)境與生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境 測(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)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(zhǎng)。國(guó)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(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格非常昂貴，缺乏與我國(guó)氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對(duì)溫室二氧化碳濃度的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測(cè)控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌 補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動(dòng)我國(guó)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(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)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(zhǎng)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(jī)及各種電子器件性價(jià)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(jī)為核心的檢測(cè)器，主要是為了對(duì)日光溫室內(nèi)二氧化碳濃度 進(jìn)行有效、可靠地檢測(cè)而設(shè)計(jì)的。 國(guó)內(nèi)外 發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 西方發(fā)達(dá)國(guó)家在現(xiàn)代溫室測(cè)控技術(shù)上起步比較早。 20 世紀(jì) 60 年代，生產(chǎn)型的高級(jí)中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 2 溫室開(kāi)始應(yīng)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(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應(yīng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和智能控制理論的發(fā)展，近百年來(lái)，溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其自動(dòng)控制和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展 【 1】【 2】 。特別是二十世紀(jì) 70 年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)日新月異的進(jìn)步和價(jià)格大幅度下降，以及對(duì)溫室控制要求的提高，以微機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并邁入了網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段 【 5】 。目前，國(guó)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(biāo)準(zhǔn) 【 6】 。溫室內(nèi)的各環(huán)境因子大多由計(jì)算機(jī)集中控制，檢測(cè)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(yíng)養(yǎng)液濃度等，由傳感器的檢測(cè)基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制，如無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的天窗通風(fēng)系統(tǒng)， 濕簾與風(fēng)扇配套的降溫系統(tǒng)，由熱水鍋爐或熱風(fēng)機(jī)組成的加溫系統(tǒng)，可定時(shí)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(jī)械等。計(jì)算機(jī)對(duì)這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡(jiǎn)單的、獨(dú)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(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)現(xiàn)代溫室技術(shù)起步較晚， 70年代以來(lái)，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(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和緩和了蔬菜季節(jié)性短缺矛 盾。與此同時(shí)，從 1979 年至 1994 年，從歐美、日本等國(guó)家引進(jìn)了一系列現(xiàn)代化溫室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。引進(jìn)的溫室與我國(guó)傳統(tǒng)溫室比較，其空間大，便于進(jìn)行機(jī)械作業(yè)，生產(chǎn)率與資源利用率比較高，為我國(guó)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(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前難以接受。 。目前我國(guó)引進(jìn)溫室的測(cè)控系統(tǒng)大多投資大、運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，并且測(cè)控系統(tǒng)中所側(cè)重考慮的環(huán)境參數(shù)與我國(guó)的氣候特點(diǎn)存在矛盾。 ，軟件實(shí)現(xiàn)模式固定，不能進(jìn)行功能擴(kuò)展 【 9】 。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 3 隨后在我國(guó)出現(xiàn)了一些國(guó)外的仿造產(chǎn)品，但均沒(méi)有面向我國(guó)廣大農(nóng)村現(xiàn)有的 1000萬(wàn)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(jì)、濕度計(jì)來(lái)采集溫度值和濕度值，通過(guò)人工操作加熱、加濕、通風(fēng)和降溫來(lái)控制溫濕度。因此，以上產(chǎn)品的推廣使用價(jià)值仍然不大 【 10】 。 總體上說(shuō)，我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的溫室測(cè)控系統(tǒng)其技術(shù)水平和調(diào)控能力與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。而我國(guó)綜合環(huán)境測(cè)控技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單個(gè)或少量環(huán)境因子調(diào)控技術(shù)的階段，而實(shí)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(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響的，環(huán)境要素的空間變化、時(shí)間變化都很復(fù)雜。因此，我們應(yīng)該根據(jù)我國(guó)的國(guó)情研制出適合我國(guó)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(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要 ,根據(jù)以上分析存在的問(wèn)題，本論文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的二氧化碳濃度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到性價(jià)比，選用價(jià)格低、性能穩(wěn)定的元器件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)二氧化碳濃度的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。還設(shè)計(jì)了通信系統(tǒng)，單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的二氧化碳濃度，當(dāng)二氧化碳濃度超過(guò)設(shè)定的上、下限時(shí)，單片 機(jī)通過(guò)與溫室主機(jī)進(jìn)行通信來(lái)打開(kāi)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)的范圍內(nèi)。 本論文主要研究?jī)?nèi)容包含以下幾個(gè)方面： ； ； ； ； 。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 4 2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 為了便于管理本設(shè)計(jì)以上、下位機(jī)模型為陽(yáng)光溫室測(cè)控系統(tǒng)。其中，上位機(jī)是溫室主機(jī) (PC 機(jī) )，下位 機(jī)是檢測(cè)器。檢測(cè)器應(yīng)能完成以下工作：脫離主機(jī)獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過(guò)人機(jī)接口（鍵盤和顯示器）實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、顯示和報(bào)警等功能；連接主機(jī)時(shí)能實(shí)現(xiàn)通信功能。 檢測(cè)器是以單片機(jī)為核心的，整個(gè)檢測(cè)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(chǔ)器或傳輸給監(jiān)控服務(wù)器，由監(jiān)控服務(wù)器存儲(chǔ)和管理，輸出控制模塊主要負(fù)責(zé)與主機(jī)相連接時(shí)溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制；通信模塊則是基于 RS232 總線，由雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳 輸，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器和主機(jī)的通信。 整個(gè)溫室測(cè)控系統(tǒng)主要由溫室內(nèi)外環(huán)境自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)， (間接 )自動(dòng)控制系統(tǒng)，人機(jī)對(duì)話接口和通訊接口四個(gè)部分組成。 1．溫室內(nèi)外環(huán)境自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)研究的檢測(cè)器主要測(cè)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(dòng)控制系統(tǒng) 根據(jù)環(huán)境自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)得到的結(jié)果 ,控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，為作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。 3．人機(jī)對(duì)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(yù)置各適宜環(huán)境參數(shù)值。 報(bào)警信號(hào)：當(dāng)某環(huán)境參數(shù)值超過(guò)限定界限時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒農(nóng)藝 人員采取相應(yīng)措施。 4．通訊接口 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 5 用來(lái)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通訊，將存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，可以方便的實(shí)現(xiàn)集中式管理。 詳細(xì)設(shè)計(jì) 本文通過(guò)以上對(duì)陽(yáng)光溫室蔬菜中的參量及其相互關(guān)系的分析研究，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機(jī)、美國(guó)生產(chǎn)的紅外二氧化碳傳感器 6004。單片機(jī)通過(guò) A/D0832 轉(zhuǎn)換器把從傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。顯示部分由比較廉價(jià)的 LED數(shù)碼管對(duì)二氧化碳濃度進(jìn)行分時(shí)顯示。當(dāng)二氧化碳濃度量低于或者高于期望的范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制自動(dòng)報(bào)警。本設(shè)計(jì)采用的 是聲光報(bào)警，聲光報(bào)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(dá)到報(bào)警的目的。 具體的系統(tǒng)框圖如圖 所示： 圖 二氧化碳檢測(cè)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(jì)算機(jī) 復(fù)位電路 鍵盤顯示 聲光報(bào)警 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 6 3 硬件設(shè)計(jì) 微控制器概述和選用 計(jì)算機(jī)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(jī)）就是 在這種情況下誕生的。它是把中央處理器（ CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、輸入 /輸出端口（ I/O）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。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(jì)的，在智能控制系統(tǒng)中，微控制器得到了廣泛的應(yīng)用 【 14】 。 市場(chǎng)上比較流行的單片機(jī)種類主要有 Intel公司、 Atmel公司和 Philip公司的 8051系列單片機(jī)， Motorola 公司的 M6800 系列單片機(jī)， Intel 公司的 MCS96 系列單片機(jī)以及Microchip 公司的 PIC 系列單片機(jī)等。 各個(gè)系列的單片機(jī)各有所長(zhǎng)，在處理速度、穩(wěn)定性、 I/O 能力、功耗、功能、價(jià)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(jià)格，高性能 8位微處理器。 AT89S52 單片機(jī)的特點(diǎn) AT89S52 的 PDIP 封裝管腳如圖 所示。 圖 AT89S52管腳圖 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 7 AT89S52 單片機(jī)的主要特性 AT89S52 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8KBISP 的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) 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(chǔ)單元。 AT89S52 具有如下特點(diǎn)： 40 個(gè)引腳， 8KB Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 256 位的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)， 2層中斷嵌套中斷， 3 個(gè)可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外， AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)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(fù)位。 二氧化碳數(shù)據(jù)的采集與處理 二氧化碳是植物進(jìn)行光合作用的重要原料之一，可以提高植物光合作用的強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的需要。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大都采用溫室大棚進(jìn)行作物的栽培和培育。在作物的整個(gè)生長(zhǎng)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(dá)，活力增強(qiáng)、產(chǎn)量增加。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的溫室大棚，形成了一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境， 使得對(duì)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(cè)量，是一個(gè)比較困難的問(wèn)題，因?yàn)樗婕暗綔y(cè)量方法、信號(hào)的獲取和測(cè)量設(shè)備的成本。專業(yè)的二氧化碳濃度測(cè)量?jī)x表的價(jià)格一般都在上萬(wàn)元 /臺(tái)，在一般用戶中難以普及，因此，本論文針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)一種能夠應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的二氧化碳檢測(cè)器。 二氧化碳傳感器的選擇 氣體傳感器主要可以分為金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器、固體電解質(zhì)傳感器、紅外式傳感器等，一般的半導(dǎo)體傳感器測(cè)量時(shí)受環(huán)境影響較大，輸出線性不穩(wěn)定；電解式氣體傳感器氣體的重復(fù)性比較差；紅外線吸收散射式氣體傳感 器靈敏度高，可重復(fù)性好，響應(yīng)時(shí)間快，考慮到系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性選擇采用紅外二氧化碳傳感器 6004。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 8 紅外二氧化碳傳感器的工作原理 本課題所選用的二氧化碳傳感器是美國(guó) telaire 公司生產(chǎn)的紅外二