【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致。含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物在不適宜生長的反季。節(jié)中，可獲得比室外生長更優(yōu)的環(huán)境條件，從而使作物達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。氧化碳濃度的自動調(diào)控。系統(tǒng)的總體布置有四個組成部分，即：數(shù)據(jù)采集部分、信號處理部分、控。本系統(tǒng)可以實時檢測并顯示溫室內(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良好的環(huán)境。系統(tǒng)主要具有如下功能：對當(dāng)前的環(huán)境因子測量并記錄，采用了。腦串口相連進行通訊，可以在電腦上顯示當(dāng)前的采集值，并可隨時修改數(shù)據(jù)，設(shè)置高、低閥值。

　　

【正文】 ；電容與濕度變化 ；典型值 180pf@55%RH；長期穩(wěn)定性及可靠性；年漂移量 %RH/年。電容式濕敏元件，具有最突出的優(yōu)點是長期穩(wěn)定性極強，通過嚴(yán)格的工藝制作，制成的儀表和傳感器產(chǎn)品可以達到較高的精度。穩(wěn)定性強是產(chǎn)品具備良好的線性度、精密度、一致性、長期穩(wěn)定性的可靠保證。所以本設(shè)計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)用于辦公自動化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，工農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)等場合，在需要濕度補償?shù)钠渌麍龊弦部梢缘玫胶艽蟮膽?yīng)用。 畢業(yè)（設(shè)計）論文 溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 16 水利電力學(xué)院 HS1101的主要特性如下 : （ 1）全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正 （ 2）長時間飽和下快速脫濕； （ 3）可靠性高，長時間穩(wěn) 定性； （ 4）可用于線性電壓或頻率輸出； （ 5）反應(yīng)時間快； （ 6）專用的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)。 由于氣體分子運動很快，溫室內(nèi)部各處濕度相差不大，故溫室中只采用一個濕度傳感器。濕度測量電路采用現(xiàn)有的設(shè)計電路。 HS1101 的一些常用參數(shù)如下表 31： 表 31： HS1101 常用參數(shù) 參數(shù) 符號 參數(shù)值 單位 工作溫度 Ta 40～ 100 ℃ 儲存溫度 Tstg 40～ 125 ℃ 供電電壓 Vs 10 Vac 濕度范圍 RH 0～ 100 %RH 焊接時間 @=260℃ t 10 S 相對濕度在 0%～ 100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 162pF 變到 200pF,其誤差不大于 士 2%RH；響應(yīng)時間小于 5s；溫度系統(tǒng)為 ℃?？梢娖渚仁禽^高的。其濕度－電容響應(yīng)曲線如下圖 35： 圖 35 HS1101 濕度－電容響應(yīng)曲線 濕度監(jiān)測電路 下圖 36 為一種經(jīng)典 HS1101 濕度測量電路。如圖所示，將 HS1101 接入 555 定時器組成的振蕩 200 190 180 170 電容F 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 水利電力學(xué)院 17 器電路，輸出一定頻率的方波信號。信號輸出端接 AT89S52 的定時計數(shù)器 T0，通過檢測信號頻率可以計算出 HS1101 的電容值，進而可求得濕度值，通過程序設(shè)計可對濕度進行溫度補償，用來抵消溫度變化帶來絕對濕度的誤差，得到更加精確的相對濕度數(shù)值，從而使控制更加精確。 N E 5 5 6 C 10 . 2 2 uR 31 M H S 1 1 0 1C 20 . 1 uC 31 uC 41 u12345671 41 31 21 1981 0 + 5 V O U T 1 0 0 KR 1 1 5 K R 2 R 4 1 0 K 圖 36 濕度監(jiān)測電路 集成定時器 NE555 芯片一方面可以形成單穩(wěn)態(tài)電路，另一方面可以形成多諧振蕩電路。本設(shè)計選用的是 NE556 芯片，它內(nèi)部含有兩個 NE555 定時器，其中 R R C C2和 NE556 構(gòu)成多諧振蕩器，外部電阻 R R2與濕敏電容 C1構(gòu)成了對電容 C2的充電回路， 7 端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對 C1 的放電回路，并將引腳 6 端相連引入到片內(nèi)比較器，該振蕩電路的兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源 UCC 通過 R R2向 C1充電，經(jīng) t1充電時間后， UC2充至芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平約 2/3UCC，此時輸出引腳 3 端由高電平突降為低電平，然后通過 R2放電，經(jīng) t2放電時間后， UC2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 1/3UCC，此時輸出引腳 3 端又由低電平躍升為高電平。如此反復(fù)，形成方波輸出，其中充電時間為： t1=C1(R1+R2)ln2 （ ） t2=R2C1ln2 （ ） 因而，輸出方波的頻率為： f=1/(t1+t2)=1/C1(R1+2R2)ln2=50 （ ） 只要定時元件 R1或 R2即可改變脈沖的 f。從多諧振蕩器出來的信號又接入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器它有兩個輸出狀態(tài)：一是穩(wěn)定狀態(tài)，另一是暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，在外來觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)態(tài)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，而暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)維持一段時間后，再自動地返回到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，且暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)持續(xù)的時間長短完全取決于電路本身的參數(shù)。圖中， R C3和傳感器 HS1101 是外接地定時元畢業(yè)（設(shè)計）論文 溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 18 水利電力學(xué)院 件，觸發(fā)脈沖 Ui由 5 端輸出，由 8 端輸入，下降沿有效，從 9 端輸出一個幅度、寬度都一定的矩形波信號，輸出的脈沖寬度為： tp=R3(C2+CX)ln3 （ ） 濕度信號的溫度補償 在實際工作環(huán)境中，濕度不是一個恒指，隨著環(huán)境的變化而變化，變化的范圍很寬。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)。環(huán)境的溫度變化越大，由感濕特征量表示的環(huán)境相對濕度與實際的相對濕度之間的誤差就越大。另外，濕敏元件檢測濕度時，所加的激勵電壓不能用直流電壓，而要用交流電壓。原因在于直流電壓會引起濕敏元件吸收的水分子產(chǎn)生電解，導(dǎo)致感濕特征量改變。但加交流電壓后會產(chǎn)生一定得熱量，所以，交流電壓值不能過高，要有一定的限度，而且，感濕特征值與所加的交流電壓頻率有關(guān)，既有一定的頻率上限和下限。除此之外，響應(yīng)時間、濕滯曲線、濕滯回差等也不容忽略。響應(yīng)時間越短，表明濕敏元件的吸濕過程和脫濕過程越快，濕滯回差越小，濕敏元件性能越好。 由于濕度傳感器受溫度的影響其輸出值相對于 25℃的測量值會產(chǎn)生一定的偏離，因此要消除溫度的影響需要對濕度傳感器進行溫度補償。根據(jù)技術(shù)手冊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為真實的濕度值； RHm為當(dāng)前溫度下的濕度測量值； T為當(dāng)前溫度值； tx為溫度系數(shù)。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 ，此時濕度為 RHr=RHm+(T25)；而當(dāng)溫度位于 00C— 100C 之間時，溫度系數(shù)滿足關(guān)系式： tx=+；而溫度大于 600C 小于 800C 時，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 水利電力學(xué)院 19 度補償后的濕度值。 二氧化碳數(shù)據(jù)的采集與處理模塊設(shè)計 二氧化碳是植物進行光合作用的重要原料之一。二氧化碳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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的需要。在溫室大棚中，應(yīng)該利用現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)設(shè)備，控制農(nóng)業(yè)大棚中的二氧化碳濃度，使植物在整個生長過程中都處于最佳狀態(tài)。因此，對于大棚內(nèi)二氧化碳濃度的測量與控制變得十分重要。現(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，本課題針對此問題設(shè)計一種能夠應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的二氧化碳測量儀。 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，以下簡單概述各種傳感器的原理及特點。半導(dǎo)體式傳感器 :以半導(dǎo)體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢側(cè)這些物理特性的變化，即可反映被測參數(shù)值。電解式氣體傳感器 :電解式傳感器是目前測毒類現(xiàn)場最廣泛使用的一種技術(shù)，在此方面國 外技術(shù)領(lǐng)先，因此此類傳感器大都依賴進口。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)。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)，在對電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)時，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。紅外式傳感器 :紅外式傳感器利用各種元素對某個特定波長的吸收原理，具有抗中毒性好，反應(yīng)靈敏，線性度比較好。 二氧化碳傳感器的選擇 本課題所選用的二氧化碳傳感器是美國 telaier 公司生產(chǎn)的紅外二氧化碳傳感器 6004，此傳感器基于氣體對紅外光吸收的郎伯一比爾吸收定律，采用國際上最新的電調(diào)制紅外光源、高靈敏度濾光傳感一體化紅外傳感器、高精度前置放大電路、可拆卸式鍍膜氣室等，實現(xiàn)不同濃度、氣體的高精度連續(xù)檢測。 當(dāng)紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收作用，其吸收關(guān)系服從朗伯一比爾吸收定律。設(shè)入射光是平行光，其強度為 I0，出射光的強度為 I，氣體介質(zhì)的厚度為 L。當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù) dN的吸收所造成的光強減弱為 dl時，根據(jù)朗伯－比爾吸收定律： KdNIdI ?? （ ） 式中 K為比例常數(shù)。 畢業(yè)（設(shè)計）論文 溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 20 水利電力學(xué)院 經(jīng)積分得： aKNLnI ??? （ ） 式中： N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù)； a為積分常數(shù)。 顯然，有： N正比于 cL 其中 c為氣體濃度。 則式 ()可寫成： )e xp(0)e xp()e xp()e xp()e xp( uc LIuc LaKNaI ?????? （ ） 式 ()表明：光強在氣體介質(zhì)中隨濃度 c及厚度 L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù) u互不相同。對同一氣體， u隨入射波長而變。若吸收介質(zhì)中含 i種吸收氣體，則式 ()應(yīng)改為 )e x p (0 ??? i uic iuLII （ ） 因此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。 下圖 38為 NDIR紅外氣體分析原理圖。分析 C02氣體時，紅外光源發(fā)射出 1～ 20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經(jīng)過一個 ，由紅外傳感器監(jiān)測透過 紅外光的強度，以此表示 C02氣體的濃度。 圖 38 NDIR紅外氣體分析示意圖 2. 6004二氧化碳?xì)怏w傳感器原理 紅外二氧化碳傳感器 6004（內(nèi)部含有溫度補償模塊）是電調(diào)制 NDIR紅外氣體傳感器，為了減少紅外傳感器微弱信號的衰減以及外界信號干擾，將前置放大電路放在光學(xué)部件上，并采取了一定的電磁屏蔽措施。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上將紅外光源、氣室、紅外探測器設(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 水利電力學(xué)院 21 氣體紅外吸收信號具有較好的分辨率。紅外光源由穩(wěn)流供電，工作時傳感器根據(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量氣室，被測氣體通過自然擴散通入測量氣室，二氧化碳?xì)怏w吸收特定波長的紅外光，透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測。紅外傳感器輸出 的電信號，通過其后的前置放大電路放大并經(jīng)過高精密放大整流電路，得到一個與被測氣體濃度對應(yīng)的直流信號送入測控系統(tǒng)處理。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測其工作環(huán)境溫度，并在其外殼上有微型加熱裝置，