大棚溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊利春張文昭汪貽龍曉輝劉敏

( 湖南科技學(xué)院 電子工程系, 湖南永州 425100 )

0 引 言

我國(guó)人多地少，人均占有耕地面積不及世界平均水平的三分之一，在21世紀(jì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，中國(guó)的人口將持續(xù)增長(zhǎng)，而耕地面積卻在逐年減少，如何用較少的土地去養(yǎng)活更多的人口，解決這一尖銳矛盾具有戰(zhàn)略意義。作物受地域適應(yīng)性、季節(jié)性及自然災(zāi)害的影響比較大，在純自然的條件下，大部分時(shí)間不能進(jìn)行正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成人力、物力的大量浪費(fèi)，進(jìn)行溫室栽培后就可以極大的減弱對(duì)作物生長(zhǎng)不利的環(huán)境因素來(lái)促進(jìn)作物生長(zhǎng)，有利于緩解季節(jié)矛盾，提高作物產(chǎn)量?；诖耍驹O(shè)計(jì)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、生物技術(shù)以及環(huán)境科學(xué)等多種技術(shù)和學(xué)科融為一體，開(kāi)發(fā)出功能齊全的完全智能化的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收，推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化進(jìn)程具有極為重要的意義，同時(shí)也具有很大的市場(chǎng)商機(jī)。

1.統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1.統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)采用STC12C5410AD單片機(jī)為主控芯片，該單片機(jī)是一種單時(shí)鐘周期（機(jī)器周期為1T）、高速、低功耗、超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。分別采用相應(yīng)傳感器對(duì)溫度、濕度、光照和CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)，其方框圖如圖1所示。

1.2.統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.2.1.度檢測(cè)與控制模塊

溫度是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一，它影響作物體內(nèi)的一切生理變化。本系統(tǒng)根據(jù)作物生長(zhǎng)溫度條件，選用了美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源AD590作溫度傳感器，其測(cè)量精度為0.3℃，測(cè)量范圍為-40℃到+50℃，具有線性好、精度適中、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，將電壓信號(hào)經(jīng)A/D變換后傳送給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)出輸出控制信號(hào)對(duì)相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，控制裝置進(jìn)行升溫或者降溫。本系統(tǒng)在升溫上采用熱風(fēng)采暖的方式，該方式設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、預(yù)熱時(shí)間短，可通過(guò)管道均勻分配到溫室各個(gè)部位，溫室受熱均勻；在降溫上采用蒸發(fā)降溫裝置，根據(jù)溫差大小啟動(dòng)不同的降溫設(shè)備，降溫效果好。

在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓，由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1K，電流就增加1uA，當(dāng)AD590 的電流通過(guò)一個(gè)10K的電阻時(shí)，這個(gè)電阻上的壓降為10mV，即轉(zhuǎn)換為了10mV/K，為了使此電阻精確，可用一個(gè)9.6K的電阻與一個(gè)1K電位器串聯(lián)，然后通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)獲得精確的10K,具體電路如圖2所示：

圖2.流/電壓及絕對(duì)/攝氏溫標(biāo)轉(zhuǎn)換電路

1.2.2.度檢測(cè)與控制模塊

濕度是指溫室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度，它是表示空氣潮濕程度的物理量，用%RH表示。針對(duì)溫室具體環(huán)境，本系統(tǒng)采用的是HUMIREL公司的高分子電容式傳感器HS1101，它具有不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)等特點(diǎn)。HS1100濕度傳感器是一種基于電容原理的濕度傳感器，相對(duì)濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，電容值隨著空氣濕度的變化而變化，因此將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓或頻率的變化，才能進(jìn)行有效地?cái)?shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用了由555集成電路組成振蕩電路, HS1100濕度傳感器充當(dāng)振蕩電容的測(cè)量電路，從而完成濕度到頻率的轉(zhuǎn)換，電路圖如圖3所示：

常用的濕度調(diào)節(jié)方式是加濕和去濕。微處理器完成對(duì)濕度的測(cè)量并進(jìn)行相應(yīng)的處理后，發(fā)出輸出控制信號(hào)對(duì)相應(yīng)的濕度調(diào)節(jié)器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用水噴霧法的方法，按照作物需水要求，通過(guò)控制管道與安裝在末級(jí)管道上特制的噴頭，從而控制水和作物生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)分成一定比例的混合物，使其均勻、準(zhǔn)確的輸送到根部和葉片，實(shí)現(xiàn)局部變量灌溉。但大棚內(nèi)部的濕度大于作物生長(zhǎng)的生理要求時(shí)，根據(jù)具體變化值的差異，通過(guò)控制鼓風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)力度和開(kāi)啟時(shí)間達(dá)到快速調(diào)節(jié)。

圖3.度測(cè)量電路圖

1.2.3.照檢測(cè)與控制模塊

光照是作物生長(zhǎng)發(fā)育的能量源泉，又是某些作物完成生活周期的重要信息。根據(jù)溫室內(nèi)作物對(duì)光照強(qiáng)度的要求，本設(shè)計(jì)采用了利用光電子產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量光照強(qiáng)度的光照傳感器-光敏三極管3DU33作為感光元件。通過(guò)光敏三極管產(chǎn)生的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)A/D變換后送給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)微處理器輸出控制信號(hào)對(duì)相應(yīng)的光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)器進(jìn)行相應(yīng)的措施，改善光照環(huán)境。

本系統(tǒng)采用微處理器對(duì)光照傳感器所采集的參數(shù)進(jìn)行分析，若光線強(qiáng)度小于根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的作物需要光強(qiáng)，則點(diǎn)亮鍺燈來(lái)補(bǔ)充光強(qiáng)；若光線強(qiáng)度大于根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的作物需要的光強(qiáng)，則微處理器發(fā)出信號(hào)，控制大棚的遮陽(yáng)網(wǎng)的面向太陽(yáng)的傾斜程度，從而降低大棚內(nèi)部的光強(qiáng)。

1.2.4.O2濃度檢測(cè)與控制模塊

CO2是植物光合作用的主要原料，直接影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育。本系統(tǒng)選用美國(guó)FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160對(duì)CO2濃度進(jìn)行測(cè)量，TGS4160 二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式CO2 敏感元件。傳感器的6個(gè)引腳通過(guò)0. 1mm的箔導(dǎo)線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4 所示，圖中陽(yáng)極與傳感器的第3 腳S( + ) 相連, 陰極與傳感器的第4 腳S( - ) 相連，Pt 加熱器與傳感器的第1、6腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第2 、5腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過(guò)該電阻探測(cè)環(huán)境溫度，以便對(duì)該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測(cè)量值更加準(zhǔn)確。采集到的信號(hào)通過(guò)高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)放進(jìn)行放大，再一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算處理，就可以在CO2 濃度為300～5000ppm的范圍內(nèi)測(cè)得信號(hào), 該信號(hào)為零至幾百毫伏的電壓信號(hào)，可以供高精度A/ D 采樣使用，微處理器接收后輸出控制信號(hào)對(duì)溫室內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本系統(tǒng)采用的是控制鋼瓶裝的液態(tài)CO2氣源，用繼電器的啟閉和控制開(kāi)啟時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)CO2的釋放量。

圖4.GS4160 等效內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2.5.行顯示電路單元

采用LCD液晶屏顯示,利用74LS161移位寄存器功能(分頻)，對(duì)單片機(jī)輸出的串行數(shù)據(jù)逐級(jí)分頻，從第一級(jí)到最后一級(jí)共分頻8次，這樣就把單片機(jī)輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù), 送給液晶屏進(jìn)行顯示。

1.3.統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的是STC12C5410AD單片機(jī)為微處理器，內(nèi)含8路高速10位A/D，可以直接編程實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。程序設(shè)計(jì)的好壞影響著本系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)和控制的精度和準(zhǔn)確度，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的溫度、濕度、光照、CO2濃度進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)和根據(jù)設(shè)定的上下限值對(duì)這些參量的調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制，各項(xiàng)參數(shù)的上下限值可在應(yīng)用中根據(jù)際情況實(shí)時(shí)修改。主要含A/D轉(zhuǎn)換程序、針對(duì)HS1101的頻率測(cè)量程序、數(shù)據(jù)處理程序、鍵盤(pán)和顯示程序。具體程序流程圖如圖5所示。

2. 論

本裝置已在永州苗圃農(nóng)場(chǎng)對(duì)4號(hào)溫室的溫度、濕度、光照和CO2濃度進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)（ 此溫室種植黃瓜）。按農(nóng)業(yè)作物生長(zhǎng)規(guī)律的要求每隔1h 測(cè)量1 次數(shù)據(jù)，并每15 天從溫室取回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置能夠在溫室高溫、高濕的條件下良好地運(yùn)行，傳感器精度基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的檢測(cè)、采集及控制，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5.要程序流程圖

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