【正文】 氣候惡劣的各種地區(qū)。因此，自動控制溫室己在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的、迅速的應用和發(fā)展。本課題就是產(chǎn)生于這樣的背景之下，將重點探討如何建立能適合我國國情的溫室控制系統(tǒng)，具有一定研究價值。 20世紀 60年代，生產(chǎn)型的高級溫室開始應用于農(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)。 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)絡化，智能化階段。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。 2. 國內(nèi)研究現(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。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。 第一章 緒論 水利電力學院 3 （ 2）缺乏與我國氣候特點相適應的溫室測控軟件。 （ 3）控 制方式比較簡單，軟件實現(xiàn)模式固定，不能進行功能擴展。吉林工業(yè)大學研制的“溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng)”，僅實現(xiàn)了溫濕度的自動測試，“智能型溫室環(huán)境控制器”僅實現(xiàn)了溫室內(nèi)的噴水自動控制等。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。 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。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)設施中廣泛推廣。總結(jié)溫室大棚的控制系統(tǒng)在應用、維護中應注意的問題。從而設計出一種基于單片機，低成本，適合在國內(nèi)推廣的溫室大棚控制系統(tǒng)。 本課題主要研究內(nèi)容包含以下幾個方面： 1. 空氣溫度、濕 度、二氧化碳濃度傳感器的選型及相應信號處理電路的設計； 2. 實現(xiàn)溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)的自動測試； 3. 通過人機對話接口實現(xiàn)參數(shù)顯示和在線參數(shù)修改； 4. 系統(tǒng)的可靠性及抗干擾設計。不同種類觀賞花卉對溫度及濕度等生長所需條件的要求也不盡相同，為它們提供一個更適宜其生長的封閉的、良好的生存環(huán)境，以提早或延遲成熟期，最終將會給我們帶來巨大的經(jīng)濟效益。遺傳決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛勢，而環(huán)境則決定這種潛勢可以發(fā)揮兌現(xiàn)的程度。溫室內(nèi)影響作物生長的環(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。溫室環(huán)境控制是一項綜合性的技術(shù)，因此要為溫室 作物營造一個適合作物生長的最佳的環(huán)境條件，首先要熟悉溫室環(huán)境的特點和要求，然后制定溫室控制系統(tǒng)的總體設計方案、控制策略并付諸實施。溫室結(jié)構(gòu)的半封閉性又決定了溫室與外界的物質(zhì)與能量交換，又會引起溫室小氣候環(huán)境的變化，這種變化在一定程度上又會影響作物的生長。 溫度的調(diào)節(jié)與控制 目前，溫室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)和控制包括加溫、降溫和保溫三個方面，具體表現(xiàn)在： 1. 加溫 加溫的形式有熱風采暖系統(tǒng)、熱水采暖系統(tǒng)、土壤加溫三種形式。 2. 降溫 降溫最簡單的途徑是通風，但在溫度過高，依靠自然通風不能滿足作物的要求時，必須進行人工強制降溫，降溫包括遮光降溫法、屋面流水降溫法、蒸發(fā)冷卻法及強制通風法。另一種在室內(nèi)掛遮光幕，降溫效果比掛在室外差；屋面流水降溫法采用時須考慮安裝成本，清除玻璃表面的水垢污染問題；蒸發(fā)冷卻法使空氣先經(jīng)過水的蒸發(fā)冷卻降溫后再送入室內(nèi)，達到降溫目的。 第二章 研究方案的設計 水利電力學院 5 3. 保溫 保溫包括減少貫流放熱量和通風換氣量、增大溫 保比、增大地表熱流量。 4. 本系統(tǒng)的控制方案 本系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器檢測溫室內(nèi)溫度，根據(jù)室外天氣狀況和室內(nèi)溫度，并與設定值比較，決定升、降 溫措施和啟動控制裝置。 夏季降溫控制采用有級控制，即保證實施了第一級的控制措施仍達不到調(diào)控要求時才啟動高一級的控制措施。 濕度的調(diào)解與控制 1．溫室濕度環(huán)境條件 溫室空氣濕度較大，絕對濕度與相對濕度一般均大于露地。此外，濕度過高還易促成病蟲害的發(fā)生，并可能發(fā)生某些生理障礙：而過低的濕度將使作物受到水分脅迫而使生長受阻。溫室內(nèi)空氣濕度受天氣、通風換氣、采暖及作物蒸騰作用的影響。晴天，夜間溫室處于密閉狀態(tài)，濕度較高，甚至會發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象；而到了白天，由于溫度升高，結(jié)霧消散，空氣相對濕度下降。 2．溫室濕度特點 溫室濕度的特點有：室內(nèi)濕度通常較高，受季節(jié)和晝夜影響大；不同的作物對濕度的要求不同；相同作物在不同的生長期對濕度也有不同的要求；反過來，作物的生長對濕度也有很大影響，作物通過蒸騰作用可以釋放大量的水蒸氣。 4．加濕控制 在高溫晴朗的天氣，達不到作物的生長需求的濕度條件時要求增加室內(nèi)空氣的濕度，加濕常用畢業(yè)（設計）論文 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 6 水利電力學院 的方法有：噴霧加濕與濕簾風機降溫系統(tǒng)加濕等。 因為濕度控制與溫度控制具有一定的耦合性，如加熱措施可能會引起濕度的下降，而增濕措施可能會引起溫度的下降，因而在溫室控制中要綜合考慮這些耦合性，也就是當出現(xiàn)一個環(huán)境因子需要調(diào)控時盡量使用那些對該環(huán)境參數(shù)影響最大而對其他環(huán)境參數(shù)影響較小的調(diào)控方案，例如夏季光照較強，而濕度滿足要求時候，因為遮陽網(wǎng)的張開對濕度的影響相對較小，故只需張開內(nèi)或外遮陽網(wǎng)遮陽；或者當兩個環(huán)境因子同時需要調(diào)控時，盡可能地選用能同時調(diào)節(jié)這些環(huán)境參數(shù)的調(diào)控方案，例如在冬季溫室環(huán)境控制中，在溫度過低、濕度過大的情況下，可以采用熱風機加溫，一方面溫 度上升，另一方面濕度下降，由于冬季保溫是最重要的，因而不考慮采用強制通風這類除濕手段；再如在夏季高溫和濕度較低的情況下，通常啟動內(nèi)噴淋及其組合措施，這樣既能降低溫度也能提高濕度。充足的二氧化碳對于溫室內(nèi)作物的影響為：提高幼苗素質(zhì)；促進生長發(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。在冬春設施蔬菜生產(chǎn)中，為了保溫，設施經(jīng)常處于密閉狀 態(tài)，缺少內(nèi)外氣體交換，二氧化碳濃度變幅較大，中午設施內(nèi)由于光合作用，二氧化碳濃度下降，接近甚至低于補償點，二氧化碳處于虧缺狀態(tài)應當及時的補充二氧化碳。當前歐美國家的設施栽培以采用燃燒天然氣增施二氧化碳較普遍，而日本較多地采用燃燒白煤油增施二氧化碳。目前較多采用稀硫酸和碳酸氫銨，在簡易的氣肥發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生二氧化碳氣體，通過管道將其施 放于設施內(nèi)。 3. 施用顆粒有機生物氣肥法 將顆粒有機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，使其相對濕度在 80%左右，利用土壤微生物發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳。 4. 本系統(tǒng)二氧化碳控制方案 本系統(tǒng)施肥控制方案：出于控制的需要，本系統(tǒng)采用的是鋼瓶裝的液態(tài)二氧化碳氣源，用繼電第二章 研究方案的設計 水利電力學院 7 器的啟閉和控制時間來實現(xiàn)對二氧化碳釋放量的控制。從單個的簡易日光溫室，發(fā)展到大型連棟溫室，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，特別是近年來一些地方大規(guī)模興建日光溫室生產(chǎn)基地，實現(xiàn)了溫室生產(chǎn)的集約化、工廠化。溫室結(jié)構(gòu)的半封閉性又決定了溫室與外界的物質(zhì)與能量交換，又會引起溫室小氣候環(huán)境的變化，這種變化在一定程度上又會影響作物的生長。 系統(tǒng)組成框圖 本設計是以 AT89S52基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括 A/D轉(zhuǎn)換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設計 本系統(tǒng)主要由溫室內(nèi)外環(huán)境自動測試系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)，人機對話接口和通訊接口四個部分組成。 圖 21 溫室大棚控制系統(tǒng)主框圖 本文通過以上對大棚蔬菜中的參量及其相互關系的分析研究，筆者對系統(tǒng)總體方案進行了詳細設計，采用 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89552單片機、 AD公司生產(chǎn)的 AD590集成溫度傳感器、電容式濕度傳感器 HS1101，美國生產(chǎn)的紅外 CO2傳感器 6004。而對濕度傳感器 HS1101的信號處理完之后的信號為脈沖信號，針對濕度的變化，脈沖的寬度會發(fā)生變化，所以可以直接把 HS1101處理完之后的信號送到單片機的溫度傳感器 CO2 傳感器 調(diào)節(jié)放大電 路 單片機 AT89S52 鍵盤 顯示模塊 報警器 功率放大 電熱絲 風扇 電磁閥 濕度傳感器 調(diào)節(jié)放大電 路 二氧化碳容器 A/D 轉(zhuǎn)換 畢業(yè)（設計）論文 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 8 水利電力學院 外部中斷口 0(INTO)，來實現(xiàn)脈沖信號寬度的測量。 當溫濕度，或者二氧化碳中任何一個量低于或者高于期望的范圍時，系統(tǒng)會控制自動報警。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不高，所以用常規(guī)的乒乓控制方法即可滿足控制要求。當溫度高于期望的上限或濕度高于期望值上限時，單片機控制風扇進行排風；當溫度低于期望 值下限時，單片機驅(qū)動加熱器進行加熱；當二氧化碳的濃度低于要求的下限時，單片機控制二氧化碳容器排放適量的二氧化碳；當二氧化碳的濃度高于指定的上限時，單片機控制電磁閥打開天窗或者側(cè)窗。具體的系統(tǒng)框圖如圖 22所示： 33PF 33PF 圖 22 溫濕度、二氧化碳測控原理圖 RXT TXT T0 INTO AT89S52 RST XTAL2 XTAL1 P2 溫度傳感器 多路開關 采樣保持器 A/D轉(zhuǎn)換電路 CO2 傳感器 濕度傳感器 多路開關 采樣保持器 復位電路 RS232 上位計算機 光耦 驅(qū)動 風扇 光耦 驅(qū)動 加熱器 光耦 電磁閥 噴水 光耦 電磁閥 CO2 容器 鍵盤顯示 聲光報警 第三章 系統(tǒng)硬件設計 水利電力學院 9 第三章 系統(tǒng)硬件設計 大棚內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳含量檢測屬監(jiān)控系統(tǒng)范疇，近年來，由于傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展，使監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域。 本部分是大棚檢測和控制系統(tǒng)的核心部分，主要涉及微控制器及其外圍接口電路，包括信號的輸入，輸出通道及系統(tǒng)鍵盤顯示電路，執(zhí)行機構(gòu)電路等。 微控制器概述及其最小系統(tǒng)設計 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，亦稱單片機或者單片微型計算機。它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制的要求設計的，在智能控制系統(tǒng)中，微控制器得到了廣泛的應用。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。這些種類繁多的單片機家族，給我們單片機的選擇也提供了很大的余地。 AT89S52是一種低功耗、低價格，高性能 8位微控制器。片上 Flash允許 ROM在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 主要特點有： （ 1）與 MCS51 單片機兼容； （ 2） 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； （ 3） 1000 次擦寫周期； （ 4）全靜態(tài)操作： 0Hz— 33MHz； 畢業(yè)（設計）論文 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 10 水利電力學院 （ 5）三級加密程序存儲器； （ 6） 32 個可編程 I/O 口線； （ 7）三個 16 位定時器 /計數(shù)器； （ 8）六個中斷源 （ 9）全雙工 UART 串行通道； （ 10）低功耗空閑和掉電模式； （ 11）掉電后中斷可喚