【正文】 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將紅外光源、氣室、紅外探測(cè)器設(shè)置在同一光軸上，保證了二氧化碳第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 水利電力學(xué)院 21 氣體紅外吸收信號(hào)具有較好的分辨率。 顯然，有： N正比于 cL 其中 c為氣體濃度。前置放大器與傳感器電極的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。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。根據(jù)技術(shù)手冊(cè)該傳感器的溫度系數(shù)與溫度曲線有關(guān)，并有關(guān)系式： RHr=RHm+tx(T25) （ ） 其中， RHr為真實(shí)的濕度值； RHm為當(dāng)前溫度下的濕度測(cè)量值； T為當(dāng)前溫度值； tx為溫度系數(shù)。而且濕敏元件受溫度的影響也不能忽略，濕敏元件的溫度系數(shù)就是表示期間的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。如圖所示，將 HS1101 接入 555 定時(shí)器組成的振蕩 200 190 180 170 電容F 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 水利電力學(xué)院 17 器電路，輸出一定頻率的方波信號(hào)。穩(wěn)定性強(qiáng)是產(chǎn)品具備良好的線性度、精密度、一致性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性的可靠保證。當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增加，集團(tuán)化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的正負(fù)離子主要起到載流子作用，另外 ，由吸附水自身離解出的質(zhì)子、水和氫離子也起電荷載流子作用，使高分子濕度傳感器的電阻值下降。由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)濕度傳感器的技術(shù)要求也不同。 ADC0809 的輸入即為各傳感器信號(hào)經(jīng)溫度測(cè)量電路變換后的輸出電壓信號(hào)。電流輸出型的靈敏度一般為 lμ A/K，本文選用的是電流輸出型溫度傳感器。 溫度傳感器 AD590 AD59O是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。 溫度的檢測(cè)方法一般采用熱電偶、熱敏電阻以及集成溫度傳感器等測(cè)溫元件。要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，必須使 RST引腳至少保持 2個(gè)機(jī)器周期的高電平。所以本設(shè)計(jì)選用 AT89S系列的 AT89552單片機(jī)。 （ 2）最高工作頻率為 33MHz，而 89C系列單片機(jī)的極限工作頻率是 24MHz，就是說 89S系列單片機(jī)具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。這些種類繁多的單片機(jī)家族，給我們單片機(jī)的選擇也提供了很大的余地。 微控制器概述及其最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。由于本系統(tǒng)所控制的溫度、濕度以及二氧化碳濃度都是大慣量環(huán)節(jié)，大棚容量大，而控制精度要求相對(duì)不高，所以用常規(guī)的乒乓控制方法即可滿足控制要求。 系統(tǒng)組成框圖 本設(shè)計(jì)是以 AT89S52基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括 A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要由溫室內(nèi)外環(huán)境自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，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。 3. 施用顆粒有機(jī)生物氣肥法 將顆粒有機(jī)生物氣肥按一定間距均勻施入植株行間，施入深度為 3cm，保持穴位土壤有一定水分，使其相對(duì)濕度在 80%左右，利用土壤微生物發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳。充足的二氧化碳對(duì)于溫室內(nèi)作物的影響為：提高幼苗素質(zhì)；促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，顯著增產(chǎn)；改善產(chǎn)品品質(zhì)；抑制或減輕病害發(fā)生。晴天，夜間溫室處于密閉狀態(tài)，濕度較高，甚至?xí)l(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象；而到了白天，由于溫度升高，結(jié)霧消散，空氣相對(duì)濕度下降。 夏季降溫控制采用有級(jí)控制，即保證實(shí)施了第一級(jí)的控制措施仍達(dá)不到調(diào)控要求時(shí)才啟動(dòng)高一級(jí)的控制措施。 2. 降溫 降溫最簡(jiǎn)單的途徑是通風(fēng)，但在溫度過高，依靠自然通風(fēng)不能滿足作物的要求時(shí)，必須進(jìn)行人工強(qiáng)制降溫，降溫包括遮光降溫法、屋面流水降溫法、蒸發(fā)冷卻法及強(qiáng)制通風(fēng)法。溫室內(nèi)影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子主要有溫度、濕度、光照和二氧化碳等，在農(nóng)作物整個(gè)生育期中，為使環(huán)境因子都維持在適于作物生育的水平，以期獲得優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗的目的就需要采取必要的調(diào)節(jié)措施，使溫室內(nèi)的這些環(huán)境因子盡可能滿足作物的需要。從而設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)，低成本，適合在國內(nèi)推廣的溫室大棚控制系統(tǒng)。所以，傳統(tǒng)的方法，人們主要還是采用溫度計(jì)、濕度計(jì)來采集溫度值和濕度值，通過人工操作加熱、加濕、通風(fēng)和降溫來控制溫濕度。引進(jìn)的溫室與我國傳統(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，為我國溫室的發(fā)展提供了借鑒作用。 20世紀(jì) 60年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開始應(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、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(yīng)用于園藝作物生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。環(huán)境控制就是根據(jù)外界環(huán)境的溫度、濕度、 CO2含量、光照等，運(yùn)用一定的工程措施畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 水利電力學(xué)院 來改善不適作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，創(chuàng)造出最適合作物生長(zhǎng)的微氣候條件。自 20 世紀(jì) 70 年代以來，我國溫室生產(chǎn)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但這些溫室都是在充分利用高產(chǎn)栽培技術(shù)和屏障技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其收入很難再有大的提高。 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民增收緩慢的問題逐漸凸現(xiàn)出來，成為阻礙我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的一大隱患。 附錄 A .............................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。系統(tǒng)的總體布置有四個(gè)組成部分，即：數(shù)據(jù)采集部分、信號(hào)處理部分、控制和執(zhí)行部分、串口通訊部分。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目 ： 溫 室 大棚控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 I 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示溫室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度，根據(jù)作物 適宜值發(fā)出執(zhí)行輸出，以便為作物提供一個(gè)良好的環(huán)境。 附錄 B .............................................................................. 49 第一章 緒論 水利電力學(xué)院 1 第一章 緒論 課題背景及研究現(xiàn)狀 我國人多地少，氣候條件惡劣。解決此問題的關(guān)鍵是大力發(fā)展農(nóng)業(yè)科技，逐步走向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。要改變這種狀況，將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)引入農(nóng)業(yè)溫室，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室的自動(dòng)控制，是最有效的途徑之一。完整的環(huán)境控制系統(tǒng)包括控制器 (控制軟件 )、傳感器、和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)由單控制器 +單傳感器 +執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。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，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 .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。但這些溫室也存在著許多不足之處，主要表現(xiàn)在 : （ 1）價(jià)格昂貴，國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前難以接受。因此，以上產(chǎn)品的推 廣使用價(jià)值仍然不大。該設(shè)計(jì)過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)溫濕度、二氧化碳濃度的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。 而溫室環(huán)境控制涉及諸多的領(lǐng)域，遠(yuǎn)比一般的工業(yè)環(huán)境控制復(fù)雜。遮光降溫法是一種在室外與溫室屋頂部相距 40cm處張掛遮光幕，對(duì)溫室降溫很有效。降溫控制等級(jí)從低到高是：天窗、側(cè)窗的開啟，自然通風(fēng)降溫；強(qiáng)制通風(fēng)換氣降溫；遮陽網(wǎng)張開 (晴天時(shí)遮陽網(wǎng)張開優(yōu)先于強(qiáng)制通風(fēng)換氣 )；濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)降溫。經(jīng)常發(fā)生這樣的現(xiàn)象，會(huì)給作物帶來危害，因此需要對(duì)濕度進(jìn)行 調(diào)節(jié)和控制：濕度控制一般包括低溫、陰雨季節(jié)的除濕和高溫晴朗天氣的加濕。 大氣中二氧化碳平均濃度一般為 %，變幅較小。該法無需二氧化碳發(fā)生裝置，使用較為簡(jiǎn)便。系統(tǒng)總體方框圖如圖 21所示。具體的控制過程是：濕度低于某一值即打開滴灌電磁閥進(jìn)行噴水，當(dāng)濕度在期望值的范圍內(nèi)即關(guān)閉電磁閥 。微控制器 (單片機(jī) )就是在這種情況下誕生的。本文選用 Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52作為 CPU。 （ 3）具有全雙工 UART串行通道。 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí) 現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。例如：時(shí)鐘頻率若為 6MHZ，每機(jī)器周期為 2us，則需要持續(xù) 4us以上時(shí)間的高電平。熱電偶的工作原理 :兩種不同成份的導(dǎo)體兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測(cè)溫端叫工作端，接線端叫冷端，也稱參比端。是利用陰結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 水利電力學(xué)院 13 制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。 AD59O的主要特性如下 : （ 1）流過器件的電流 (μ A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度 (開爾文 )度數(shù)，即 :Ir/T=lμ A/K； （ 2） AD590的測(cè)溫范圍為 50C～ +1500C； （ 3） AD590的保存溫度為 650C～ +1750C； （ 4） AD590的電源電壓范圍為 4V～ 30V； （ 5）響應(yīng)時(shí)間僅為 20μ s； （ 6）精度高。ADC0809 主要特性： （ 1） 8 路輸入通道， 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8 位 （ 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫? （ 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s(時(shí)鐘為 640kHz 時(shí) )， 130μ s（時(shí)鐘為 500kHz 時(shí)） （ 4）單個(gè)＋ 5V 電源供電 （ 5）模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn) （ 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 （ 7）低功耗，約 15mW 相應(yīng)的溫度測(cè)量分辨率為 符合要求。從制造角度看，同是濕度傳感器，材料、結(jié)構(gòu)不同，工藝不同，其性能和技術(shù)指標(biāo)也有很大差異，因而價(jià)格也相差甚遠(yuǎn)。高分子電容式濕度傳感器的工作原理 :高分子材料吸水后，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境的相對(duì)濕度的改變而改變，元件的介電常數(shù)是水與高分子材料兩種介電常數(shù)的總和。所以本設(shè)計(jì)采用電容式濕度傳感器 HSll01， HSll01濕度傳感器可以大批量生產(chǎn) ， 可以廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，工農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)等場(chǎng)合，在需要濕度補(bǔ)償?shù)钠渌麍?chǎng)合也可以得到很大的應(yīng)用。信號(hào)輸出端接 AT89S52 的定時(shí)計(jì)數(shù)器 T0，通過檢測(cè)信號(hào)頻率可以計(jì)算出 HS1101 的電容值，進(jìn)而可求得濕度值，通過程序設(shè)計(jì)可對(duì)濕度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，用來抵消溫度變化帶來絕對(duì)濕度的誤差，得到更加精確的相對(duì)濕度數(shù)值，從而使控制更加精確。環(huán)境的溫度變化越大，由感濕特征量表示的環(huán)境相對(duì)濕度與實(shí)際的相對(duì)濕度之間的誤差就越大。溫度系數(shù)曲線圖如下圖 37所示： %RH/0C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 （溫度 0C） 圖 37 HS1101 溫度系數(shù)曲線圖 有圖可以看出在 100C— 600C 溫度系數(shù)為定值 ，此時(shí)濕度為 RHr=RHm+(T25)；而當(dāng)溫度位于 00C— 100C 之間時(shí)，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式： tx=+；而溫度大于 600C 小于 800C 時(shí)，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式： tx=，將得到的濕度系數(shù)代入 RHr=RHm+ tx (T25)中，即可得到溫 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 水利電力學(xué)院 19 度補(bǔ)償后的濕度值。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。氣體與電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在對(duì)電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)時(shí)，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度近似成正比。 則式 ()可寫成： )e xp(0)e xp()e xp()e xp()e xp( uc LIuc LaKNaI ?????? （ ） 式 ()表明：光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度 c及厚度 L按指數(shù)規(guī)律衰減。紅外光源由穩(wěn)流供電，工作時(shí)傳感器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的紅外光，紅外光源發(fā)出的紅外光通過窗口材料入射到測(cè)量氣室，被測(cè)氣體通過自然擴(kuò)散通入測(cè)量氣室，二氧化碳?xì)怏w吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，透過測(cè)量氣室的紅外光由紅外探測(cè)器探測(cè)。 圖 38 NDIR紅外氣體分析示意