溫室大棚設(shè)計和實現(xiàn)

目錄第1章緒論 11.1選題的背景及其研究意義 11.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 21.3課題的主要內(nèi)容及研究意義 31.3.1本論文的主要內(nèi)容 31.3.2本論文研究的意義 3第2章研究方案的設(shè)計 52.1溫室大棚內(nèi)重要參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制 52.1.1溫濕度的調(diào)節(jié)與控制 52.1.2二氧化碳含量的調(diào)節(jié)與控制 62.1.3光照度的調(diào)節(jié)與控制 72.1.4土壤濕度的調(diào)節(jié)和控制 72.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 82.2.1總體方案設(shè)計 82.3本章小結(jié) 9第3章硬件設(shè)計 103.1微控制器概述 103.2空氣溫濕度的處理與采集 123.2.1溫濕度傳感器 123.2.2空氣的溫濕度設(shè)計 133.3土壤濕度模塊 143.4二氧化碳濃度測控模塊 163.5光照度測控模塊 173.6通信模塊 183.7報警模塊 193.8本章小結(jié) 20第4章測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 214.1PID控制算法 214.2系統(tǒng)下位機主程序流程圖的設(shè)計 224.3基于LabVIEW的上位機界面設(shè)計 23致謝 26參考文獻(xiàn) 27附錄 28附錄1程序清單 28附錄2原理圖 34第1章緒論1.1選題的背景及其研究意義中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。例如:空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測控是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(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。以蔬菜大棚為代表的現(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。大棚內(nèi)的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設(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)，但是價格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點相適應(yīng)的測控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及由于測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實現(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，推動我國農(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)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜，水果生長的環(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)。目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。由于單片機及各種電子器件性價比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡?。本文提出了一種以AT89S52單片機為控制核心的測控儀，主要是為了對蔬菜大棚內(nèi)溫度、濕度，以及二氧化碳含量進(jìn)行有效、可靠地檢測與控制而設(shè)計的。該測控儀具有檢測精度高、使用簡單、成本較低和工作穩(wěn)定可靠等特點，不僅可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)蔬菜大棚，也可以應(yīng)用在恒溫濕的機械加工廠、室內(nèi)環(huán)境等方面，所以具有一定的應(yīng)用前景。

1.2.1國外研究現(xiàn)狀西方發(fā)達(dá)國家在現(xiàn)代溫室測控技術(shù)上起步比較早。1949年，借助于工程技術(shù)的發(fā)展，美國建成了第一個植物人工氣候室，開展了植物對自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)型的高級溫室開始應(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，07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)。隨著計算機技術(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，其自動控制和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長足的發(fā)展.特別是二十世紀(jì)70年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計算機的出現(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。80年代，隨著微型計算機日新月異的進(jìn)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(luò)化，智能化階段。目前，國外現(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)。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(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。計算機對這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡單的、獨立的、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，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(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(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，從1997年至1949年，從歐美、日本等國家引進(jìn)了一系列現(xiàn)代化溫室(包括加溫系統(tǒng)、濕簾降溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、監(jiān)測與集中控制系統(tǒng)及其它附屬設(shè)施)進(jìn)行實驗研究。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。但這些溫室也存在著許多不足之處，主要表現(xiàn)在:1.價格昂貴，國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前難以接受；2.缺乏與我國氣候特點相適應(yīng)的溫室測控軟件。目前我國引進(jìn)溫室的測控系統(tǒng)大多投資大、運行費用過高，并且測控系統(tǒng)中所側(cè)重考慮的環(huán)境參數(shù)與我國的氣候特點存在矛盾；3.控制方式比較簡單，軟件實現(xiàn)模式固定，不能進(jìn)行功能擴(kuò)展。隨后在我國出現(xiàn)了一些國外的仿造產(chǎn)品，如江蘇工學(xué)院研制的“溫室環(huán)境測控系統(tǒng)”，主要用于無土栽培實驗溫室，造價仍較高，且處于實驗階段;吉林工業(yè)大學(xué)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。以上產(chǎn)品均沒有面向我國廣大農(nóng)村現(xiàn)有的100萬畝傳統(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、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(fēng)和降溫來控制溫濕度。因此，以上產(chǎn)品的推廣使用價值仍然不大?？傮w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(dá)國家還有一定的差距。而我國綜合環(huán)境測控技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單個或少量環(huán)境因子調(diào)控技術(shù)的階段，而實際上，溫室內(nèi)的光照度、溫度、濕度、C02濃度等環(huán)境因素，都是在相互影響、相互制約的狀態(tài)中對作物的生長產(chǎn)生影響的，環(huán)境要素的空間變化、時間變化都很復(fù)雜。因此，我們應(yīng)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(shè)施中廣泛推廣。1.3課題的主要內(nèi)容及研究意義1.3.1本論文的主要內(nèi)容為適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，根據(jù)以上分析存在的問題，本文研制和設(shè)計了基于單片機的溫濕度、二氧化碳測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計過程中充分考慮到性價比，選用價格低、性能穩(wěn)定的元器件，可實現(xiàn)對大棚內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度的在線實時檢測。同時，本課題還設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，單片機實時監(jiān)測大棚內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度，當(dāng)溫濕度、二氧化碳濃度超過設(shè)定的上、下限時，單片機驅(qū)動固態(tài)繼電器打開相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對溫濕度、二氧化碳濃度的補償，從而使得大棚內(nèi)的參數(shù)在適合作物生長的范圍內(nèi)。本課題主要研究內(nèi)容包含以下幾個方面:1.空氣溫濕度、土壤濕度濕度、光照度以及CO2濃度傳感器的選型及相應(yīng)信號處理電路的設(shè)計;2.實現(xiàn)溫室內(nèi)空氣溫濕度、濕度、光照度、CO2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;1.3.2本論文研究的意義傳統(tǒng)的方法，人們主要采用溫度計、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(fēng)和降溫設(shè)備來控制溫濕度。但是由于溫度計、濕度計精度比較低，以及人工讀數(shù)的人為因素等原因，溫濕度檢測不僅速度慢，精度低，實時性差，而且操作人員的勞動強度大。隨著科技的發(fā)展，采用各種傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、報警器等組成的大棚內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，可對大棚內(nèi)的各個測點進(jìn)行巡回檢測，檢測速度、精度有了一定的提高，降低了勞動強度，但由于所采用的傳感器靈敏度比較低、穩(wěn)定性比較差，致使檢測精度、系統(tǒng)可靠性還不夠理想，并且很少有能夠廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，對二氧化碳含量進(jìn)行測控的裝置。同時，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科研過程中的很多場合需要對上面提到的物理量進(jìn)行精確的檢測和控制。由于現(xiàn)在農(nóng)業(yè)上基本沿用人工的測控方法，這就不可避免的存在著勞動強度大、繁瑣、測量精度低，并且由于檢測報警不及時，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研工作造成了一定的損失。近年來，隨著單片機功能的日益強大和計算機的廣泛應(yīng)用，人們對大棚內(nèi)參數(shù)檢測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性要求也越來越高。本課題就是針對此問題，設(shè)計相對精度高、性能穩(wěn)定、價格便宜的溫濕度以及二氧化碳的測控裝置。該儀器可廣泛地應(yīng)用于諸如溫室大棚、畜牧業(yè)中的孵化和飼養(yǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)、糧食儲藏以及其它農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域，并且由于系統(tǒng)的靈活性和模塊化，也可以方便地滿足其它領(lǐng)域的需要。

第2章研究方案的設(shè)計隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。因此，為了實現(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，推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，迫切需要一種價格適中，自動化程度高的農(nóng)業(yè)設(shè)施多點測控系統(tǒng)。溫室多功能智能系統(tǒng)是在國家提出的倡導(dǎo)“科技農(nóng)業(yè)”“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的大背景下和新疆蔬菜溫室大棚的智能化建設(shè)的迫切需求下,為提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量水平而設(shè)計研制的。本系統(tǒng)是本著在不影響功能實現(xiàn)的前提條件下盡可能降低生產(chǎn)成本的宗旨,以AT89S52為核心,以PID控制為主要控制方式,以檢測并調(diào)節(jié)空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照度為主要目的的測控系統(tǒng)。2.1溫室大棚內(nèi)重要參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制2.1.1溫濕度的調(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：加溫有熱風(fēng)采暖系統(tǒng)、熱水采暖系統(tǒng)、土壤加溫三種形式。熱風(fēng)采暖系統(tǒng)由熱風(fēng)爐直接加熱空氣及蒸汽熱交換空氣兩種，前者適用于塑料大棚，后者適用于有集中供暖設(shè)備的溫室;熱水采暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，溫度分布均勻，北方溫室大都采用此種方式;土壤加溫有釀熱物加溫、電熱加溫和水暖加溫。2.降溫：降溫最簡單的途徑是通風(fēng)，但在溫度過高，依靠自然通風(fēng)不能滿足作物的要求時，必須進(jìn)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(fēng)法。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，對溫室降溫很有效。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(dá)到降溫目的。蒸發(fā)冷卻法有濕簾—風(fēng)機降溫法、細(xì)霧降溫法、屋頂噴霧法。3.保溫保溫包括減少貫流放熱和通風(fēng)換氣量、增大保溫比、增大地表熱流量。減少貫流放熱和通風(fēng)換氣量包括減少向溫室內(nèi)表表面的對流傳熱核輻射傳熱、減少覆蓋材料自身的熱傳導(dǎo)散熱、減少溫室外表面向大氣的對流和輻射傳熱、減少覆蓋面的漏風(fēng)而引起的換氣傳熱;增大保溫比是適當(dāng)?shù)臏p低溫室的高度，縮小夜間保護(hù)設(shè)施的散熱面積，有利提高溫室內(nèi)晝夜的氣溫和低溫:增大地表熱流量可以采用增大保護(hù)設(shè)施的透光率，且經(jīng)常保持覆蓋材料干潔，及設(shè)置防寒溝，防止地中熱量橫向流出。大棚內(nèi)空氣濕度的調(diào)節(jié)與控制，從環(huán)境調(diào)控的觀點來說，空氣濕度的調(diào)控，主要是防止作物沾濕和降低空氣濕度兩個直接目的。而防止作物沾濕主要是為了抑制病害。除濕的方法有通風(fēng)換氣、加溫除濕、覆蓋地膜、適當(dāng)?shù)乜刂乒嗨?、使用除濕機、除濕型熱交換通風(fēng)裝置。一般采用在不加溫的溫室里自然通風(fēng)，達(dá)到降低溫室內(nèi)濕度的目的，其效果顯著;在有條件的情況下，可采用強制通風(fēng)，可由風(fēng)機功率和通風(fēng)時間計算出通風(fēng)量，而且便于控制;其他的方法如覆蓋地膜、熱泵除濕等也能達(dá)到除濕的目的。加濕的方法包括噴霧加濕、濕簾加濕、溫室內(nèi)頂部安裝噴霧系統(tǒng)。噴霧加濕時可根據(jù)溫室面積選擇合適的噴霧器，此法效果明顯，常與降溫結(jié)合使用:濕簾加濕主要用來降溫，同時也可達(dá)到增加室內(nèi)濕度的目的:溫室內(nèi)頂部安裝噴霧系統(tǒng)，降溫的同時也可以加濕。其次，溫度與濕度之間有一定的禍合關(guān)系，對一個因子的控制常會帶來另一個因子的變化.在冬季溫室環(huán)境控制中，默認(rèn)為溫度控制優(yōu)先的原則，在溫度條件滿足后，再來滿足濕度條件。如溫度過低、濕度過大的情況下，以加溫為主導(dǎo)，只有當(dāng)溫度上升到一定值后，才能通風(fēng)降濕，另一方面，溫度提高本身可以使相對濕度降低。在夏季降溫加濕的過程中，采用以濕度優(yōu)先的原則。當(dāng)濕度過小時，開啟蒸發(fā)降溫加濕裝置。而當(dāng)溫度過高需要啟動蒸發(fā)降溫執(zhí)行機構(gòu)時，必須先檢測室內(nèi)的相對濕度，只有濕度低于某一設(shè)定范圍時，才能啟動蒸發(fā)裝置。2.1.2二氧化碳含量的調(diào)節(jié)與控制大氣中二氧化碳平均濃度一般為0.30%，變幅較小。在冬春設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，為了保溫，設(shè)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(shè)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(yīng)當(dāng)及時的補充二氧化碳。補充二氧化碳的方法很多，常用的主要有三種:1.燃燒法:通過二氧化碳發(fā)生器嫩燒液化石油氣、丙烷氣、天然氣、白煤油等產(chǎn)生二氧化碳。當(dāng)前歐美國家的設(shè)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。2.化學(xué)反應(yīng)法:即用酸和碳酸鹽類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳。目前較多采用稀硫酸和碳酸氫按，在簡易的氣肥發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，通過管道將其施放于設(shè)施內(nèi)。該法成本較低，二氧化碳濃度容易控制，目前在我國的設(shè)施栽培中運用較多。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c3m，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。該法無需二氧化碳發(fā)生裝置，使用較為簡便。2.1.3光照度的調(diào)節(jié)與控制光照是作物進(jìn)行光合作用的必備要素之一，光照條件的好壞直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。自然界中，太陽的光照度隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而變化。溫室內(nèi)的光照度除與上述因素有關(guān)外，還與溫室結(jié)構(gòu)、管理措施以及材料的透光性能等密切相關(guān)。由于溫室覆蓋材料、灰塵以及結(jié)構(gòu)遮光等因素影響，溫室內(nèi)的光照狀況要比露地差得多，一般僅為露地的30%~70%，尤其是在冬季和旱春季節(jié)，太陽高度角低，日照時間短，溫室內(nèi)光照度往往不能滿足作物生長的需求，人工補光成為眾多可控環(huán)境溫室管理的必然選擇。目前，溫室人工補光主要考慮三個方面的要素：一是對光照度的要求，因為作物的光補償點都不同，以至于光飽和點也有區(qū)別；二是對光質(zhì)的要求，作物光合作用主要利用400nm~500nm的藍(lán)紫光、600nm~700nm的紅橙光以及少量700nm~800nm的遠(yuǎn)紅外光，溫室補光一般根據(jù)作物不同，對紅、藍(lán)光和紅、遠(yuǎn)紅有特定要求；三是對光周期的要求，自然界晝夜交替、周而復(fù)始的現(xiàn)象形成了光周期，作物在漫長的進(jìn)化過程中適應(yīng)了這種明暗變化。但是，在冬至前后或連陰天時，光照時間往往不能滿足作物生長發(fā)育需求，需要人工補光來增加光照時間。近年來，溫室人工補光已經(jīng)成為設(shè)施園藝生產(chǎn)的重要手段，各種人工光源也得到了快速發(fā)展。2.1.4土壤濕度的調(diào)節(jié)和控制土壤濕度決定農(nóng)作物的水分供應(yīng)狀況。土壤濕度過低，形成土壤干旱，作物光合作用不能正常進(jìn)行，降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)；嚴(yán)重缺水導(dǎo)致作物凋萎和死亡。土壤濕度過高，惡化土壤通氣性，影響土壤微生物的活動，會使作物根系的呼吸、生長等生命活動受到阻礙，從而影響作物地上部分的正常生長，造成徒長、倒伏、病害滋生等。土壤水分的多少還影響田間耕作措施和播種質(zhì)量，并影響土壤溫度的高低。土壤縫隙中水分的保持和運動，受土壤吸水力的制約。土壤吸水力是土粒吸附力、毛管力和重力等相互作用的結(jié)果。土壤水分對植物的有效性，決定于植物吸水力、土壤吸水力、植物根系的分布和生長速度以及土壤水分的移動性。所以控制土壤濕度是保持作物高效生長和產(chǎn)量的必要因素。

2.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計2.2.1總體方案設(shè)計本文設(shè)計和研制上、下位機溫室大棚測控系統(tǒng)，以滿足不同的需求。其中，上位機采用PC機，下位機采用單片機.下位機控制器應(yīng)能完成以下工作:脫離監(jiān)控主機獨立地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制，通過人機接口(鍵盤和顯示器)實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、顯示和人工干預(yù)控制輸出等功能(可以滿足普通大棚的基本需要)。下位機控制器是以單片機為核心的，整個系統(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)溫度、濕度和二氧化碳濃度的模擬量的采集和處理，結(jié)果送數(shù)據(jù)存儲器或傳輸給監(jiān)控服務(wù)器，由監(jiān)控服務(wù)器存儲和管理，輸出控制模塊主要負(fù)責(zé)溫室執(zhí)行機構(gòu)的控制;通信模塊則是基于RS一223總線，由雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)單片機和上位機的通信。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。原理框圖如圖2-1所示。溫度傳感器溫度傳感器濕度傳感器CO2濃度傳感器光照傳感器土壤濕度傳感器溫度測量模塊濕度測量模塊CO2測量模塊光照測量模塊水分測量模塊加熱系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)滴灌系統(tǒng)補光系統(tǒng)CO2氣肥發(fā)生器報警系統(tǒng)MAX485單片機AT89C52上位機圖2-1溫室智能測控系統(tǒng)原理圖（1）溫室內(nèi)外環(huán)境自動測試系統(tǒng)主要測試溫室外空氣溫度、濕度，溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、C20濃度等環(huán)境參數(shù)。（2）溫室內(nèi)環(huán)境自動控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境自動測試系統(tǒng)得到的結(jié)果控制相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行，為作物提供良好的生長環(huán)境。（3）通訊接口用來實現(xiàn)與PC機的通訊，將存儲的測試數(shù)據(jù)傳送給CP機，可以方便的實現(xiàn)集中式管理。2.3本章小結(jié)本章綜述了溫室大棚內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度、光照飽和度常用的調(diào)節(jié)與控制方法，并針對溫室大棚的環(huán)境，提出了溫濕度、土壤濕度、光照度和二氧化碳濃度測控系統(tǒng)的方案設(shè)計，為下文硬件設(shè)計的展開做了前期準(zhǔn)備。

第3章硬件設(shè)計大棚內(nèi)溫濕度、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(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，使監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。因此，溫濕度、二氧化碳含量檢測技術(shù)的研究在軟、硬件等方面都有了一定的進(jìn)展。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。本章將針對溫室大棚中的溫度、濕度，以及二氧化碳含量的檢測與控制進(jìn)行深入的研究。3.1微控制器概述計算機的產(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(單片機)就是在這種情況下誕生的。微控制器，亦稱單片機或者單片微型計算機。它是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(1/0)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計的，在智能控制系統(tǒng)中，微控制器得到了廣泛的應(yīng)用。單片機目前己被廣泛地應(yīng)用于家電、醫(yī)療、儀器儀表、工業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域。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8015系列單片機，Motorola公司的M6800系列單片機，Intel公司的訛596系列單片機以及Microchip公司的PCI系列單片機等。各個系列的單片機各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、1/0能力、功耗、功能、價格等方面各有優(yōu)劣。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。本文選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89552作為CUP。AT89525是一種低功耗、低價格，高性能8位微處理器。AT89S52單片機的特點AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8KBISP(In一systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫100次的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)訛5一15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ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S52單片機具有如下特點:40個引腳，8KFlash片內(nèi)程序存儲器，256位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個外部雙向輸入/輸出口，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，3個可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為OHz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(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R胡的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDPI、TQPF和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89S52的PDIP封裝管腳如圖3-1所示。圖3-1AT89S52管腳圖AT89S52單片機的主要功能特性如下:兼容5-51指令系統(tǒng)sk可反復(fù)擦寫(>1000次)ISPFlashR服32個雙向1/0口4.-55.SV工作電壓3個61位可編程定時/計數(shù)器時鐘頻率0一3HMz全雙工以TR串行中斷口線256x8位內(nèi)部R八M2個外部中斷源低功耗空閑和省電模式中斷喚醒省電模式3級加密位看門狗(和T)電路軟件設(shè)置空閑和省電功能靈活的SIP字節(jié)和分頁編程雙數(shù)據(jù)寄存器指針AT89S系列單片機相對于AT89C系列單片機新增加以下功能:①工SP在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，這是一個強大易用的功能。②最高工作頻率為3MHz，而89c系列單片機的極限工作頻率是42M，就是說895系列單片機具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。③具有全雙工以TR串行通道。④內(nèi)部集成看門狗計時器，不再需要像89c系列單片機那樣外接看門狗計時器單元電路。⑤雙數(shù)據(jù)指示器。⑥電源關(guān)閉標(biāo)識。⑦全新的加密算法，這使得對于859系列單片機的解密變?yōu)椴豢赡埽绦虻谋Ｃ苄源蟠蠹訌?，這樣就可以有效的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。⑧兼容性方面:向下完全兼容15全部字系列產(chǎn)品.比如8051、89C51等等早期MCS一15兼容產(chǎn)品。綜上所述，859系列相對于89C系列新增加了許多功能，并且性能也有了較大的提升，價格基本不變，甚至比89C系列更低。所以本設(shè)計選用AT89S系列的AT89552單片機。3.2空氣溫濕度的處理與采集3.2.1溫濕度傳感器溫度是表征物體或系統(tǒng)冷熱程度的物理量，溫度單位是國際單位制中七個基本單位之一。溫度是一個很重要的物理量，自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在國民經(jīng)濟(jì)各部門，如電力、化工、機械、冶金、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等以及人們地日常生活中，溫度的檢測與控制是十分必要的。在國防現(xiàn)代化及科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中，溫度的精確檢測及控制更是必不可少的。由于溫度是非電量，因此，對溫度的檢測與控制需使用傳感器或溫度敏感元件。根據(jù)各類蔬菜在各自生長階段最適宜的溫濕度范圍和本系統(tǒng)的設(shè)計要求,選擇SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度。SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器是由Sensirion公司推出的一種可以同時測量濕度、溫度的傳感器,不需外圍元件直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對濕度、溫度的數(shù)字信號,可以有效地解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。其特點:溫濕度傳感器、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一個芯片上(CMOSens技術(shù));全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出;具有露點值計算輸出功能;免外圍元件;卓越的長期穩(wěn)定性;測量精度高,濕度的精度為正負(fù)3.5，溫度的精度為0.5oC(在20oC時);可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能;片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù),保證100%的互換性;電源電壓為2.4~5.5V。SHT10管腳圖如圖3-2所示。圖3-2SHT10管腳圖3.2.2空氣的溫濕度設(shè)計 為了將SHT10輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實際物理量需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,可進(jìn)行如下轉(zhuǎn)換,即Tc=d1+d2xCoutRHLinear=C1+C2xHout+C3xH2outRHTrue=（Tc-25）x（t1+t2xHout）+RHLinear其中,TC表示攝氏溫度;RHTrue表示相對濕度;d1,d2與溫度分辨率有關(guān);C1,C2,C3,t1,t2與濕度的分辨率有關(guān),其對應(yīng)關(guān)系如表1和表2所示表1溫度系數(shù)校正d1d214b(5V)-400.0112b(5V)-400.01表2濕度系數(shù)校正C1C2C3I1I212b-40.0405-2x10-60.010.000088b-40.6480-7.2x10-40.010.00128SHT10與單片機連接的電路,如圖3-3所示圖3-3SHT10與單片機AT89S52的連接電路本系統(tǒng)是通過加熱爐給空氣加溫,利用風(fēng)機均勻散熱,從而達(dá)到給溫室均勻加熱的目的。當(dāng)檢測到溫度超過作物的適宜生長溫度范圍時加熱爐停止加熱,在秋季當(dāng)溫室內(nèi)溫度在沒有加熱爐加熱的情況下仍然很高,這時須打開通氣窗通風(fēng)降溫。當(dāng)系統(tǒng)檢測到空氣濕度低于作物的設(shè)定范圍時,用于噴灌的水泵開始工作給空氣增濕,高于設(shè)定范圍時,停止噴灌。3.3土壤濕度模塊土壤濕度傳感器水分是決定土壤介電常數(shù)的主要因素。測量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反應(yīng)各種土壤的真實水分含量。TDR-3土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機理無關(guān)，是目前國際上最流行的土壤水分測量方法。TDR-3型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。本系統(tǒng)采用TDR-3型土壤水分傳感器檢測土壤中水分的含量。它能直接穩(wěn)定地反應(yīng)各種土壤的真實水分含量,是目前國際上最流行的土壤水分測量方法。TDR-3具有高穩(wěn)定性、安裝維護(hù)操作簡便、強度高、壽命長、密封性好,可長期埋入土壤中使用,且不受腐蝕。TRD-3的參數(shù)指標(biāo)：測量參數(shù)：土壤容積含水量單位：%（m3/m3）量程：0～100%（m3/m3）精度：0～50%（m3/m3）范圍內(nèi)為±2%（m3/m3）測量區(qū)域：90%的影響在圍繞中央探針的直徑3cm、長為6cm的圓柱體內(nèi)穩(wěn)定時間：通電后約1秒響應(yīng)時間：響應(yīng)在1秒內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程工作電壓：電流輸出為12V—24VDC，電壓輸出為5VDC工作電流：50～70mA，典型值50mA遙測距離：小于1000米輸出信號：電流輸出為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)，壓輸出為0~2.5VDC密封材料：ABS工程塑料探針材料：不銹鋼或銅電纜長度：標(biāo)準(zhǔn)長度5mTDR測定土壤濕度的原理TDR測定土壤水分是通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間來確定土壤的介電常數(shù),進(jìn)而計算出土壤含水量。土壤的介電常數(shù)(Ka)的公式為Ka=(CΔt/2L)2式中C—電磁波在自由空間的傳播速度(3x108);L—插入土壤中的金屬導(dǎo)波棒的長度;Δt—電磁脈沖插入土壤中的金屬導(dǎo)波棒中的傳輸時間。土壤介電常數(shù)的大小主要取決于土壤中水分含量(Q)的高低。土壤含水量與介電常數(shù)間的關(guān)系可用一個三次多項的經(jīng)驗公式表示為Q=-5.3X102+2.92X10-2Ka-5.5X10-4Ka2+4.3X10-6Ka3TDR-3型土壤水分傳感器工作電壓為12VDC,輸出為0~5V的電壓信號,量程是0~100%。它與單片機連接的電路如圖3.4所示。圖3.4TDR-3與單片機的連接電路當(dāng)土壤含水量低于設(shè)定范圍的下限時,單片機發(fā)出信號啟動滲灌系統(tǒng)進(jìn)行澆灌;當(dāng)檢測到土壤含水量的值高于設(shè)定范圍的上限時,單片機給滲灌系統(tǒng)發(fā)出信號停止工作。

3.4二氧化碳濃度測控模塊二氧化碳是植物進(jìn)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0.30%，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?，F(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(dá)，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。所以，本課題在二氧化碳濃度測量上采用響應(yīng)速度快、測量精度高、技術(shù)成熟的二氧化碳傳感器MS4100，并配合了一系列有效的補償措施。為了增加系統(tǒng)的通用性、靈活性，本系統(tǒng)硬、軟件都采用了模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用場合不同而選用不同的配置。該系統(tǒng)可廣泛地應(yīng)用于諸如溫室大棚、蔬菜儲藏以及其它農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域，并且由于系統(tǒng)的靈活性和模塊化，可以方便地滿足其它場合的需要。MS4100二氧化碳變送器這種設(shè)備是以MS4100二氧化碳傳感器為基礎(chǔ),內(nèi)部包含了信號放大電路。它具有對CO2靈敏度高、受溫濕度環(huán)境影響小、穩(wěn)定性好、使用方便、成本低、壽命長等特點，是一款適合大量應(yīng)用的二氧化碳濃度檢測和監(jiān)控的傳感器。MS4100的主要參數(shù)工作溫度為-10oC~60oC量程為0~5000ｘ10-6供電電壓為12VDC輸出電壓為0~4VDC工作濕度為飽和點以下測量范圍為0~30,000ppm規(guī)格尺寸為25WX35H功率小于700mW其中,MS4100的內(nèi)部檢測電路如圖3-5所示。圖3-5MS4100內(nèi)部檢測電路當(dāng)檢測到空氣中CO2的濃度低于作物的適宜生長范圍時,單片機控制二氧化碳發(fā)生器開始工作,提高溫室內(nèi)CO2濃度;當(dāng)濃度高于某個值后,二氧化碳發(fā)生器停止工作。3.5光照度測控模塊萬物生長靠太陽，這是眾所周知的事情，而植物生長自然也離不開陽光，然后月有陰晴圓缺，太陽也不可能天天都在，為了保持溫室大棚的光照飽和度，我們只有依靠人工補光來讓農(nóng)作物得到足夠的光照從而達(dá)到光照飽和。BYT20YSCGJ光照度傳感器變送器是以(紫藍(lán)硅光電池)為光照度傳感器對溫室大棚內(nèi)的光照強度進(jìn)行檢測,它采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器,用于實現(xiàn)對環(huán)境光照度的測量,輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓及電流信號。它具有體積小、安裝方便、線性度好、傳輸距離長、抗干擾能力強等特點。選用此變送器的0~3000lux量程,供電電壓12VDC,輸出信號0~5V。BYT20YSCGJ光照度傳感器變送器與單片機電路連接,如圖3-6所示。當(dāng)在夜間或陰天光照不足時,單片機根據(jù)光照度傳感器檢測到的光照值調(diào)節(jié)補光光源的亮度,以滿足作物光合作用的需要。圖3-6BYT20YSCGJ與單片機的連接電路3.6通信模塊本系統(tǒng)的單片機與上位機之間的串口通訊采用符合RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)的MAX485芯片。R2232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)正式公布的，在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。適用于終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口。最高數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)19.2kbps，最長傳送電纜可達(dá)到15米。RS232標(biāo)準(zhǔn)定義了25根引線，對于一般的雙向通信，只需使用串行輸入RXD，串行輸出TXD和地線GND，RS232標(biāo)準(zhǔn)的電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3V~+15V之間的任意電平為邏輯0電平，-3~-15之間的任意電平為邏輯1電平，與TTL和CMOS電平是不同的。在接口電路和計算機接口芯片中大都是TTL/CMOS電平，所以在通信時，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS232標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配。MAX485芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換這一工作。MAX485芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗，單電源雙RS232發(fā)送/接受器.MAX485芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源變換為RS232輸出電平所需要的士10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源即可。MAX485外圍需要4個電解電容Cl，C2，C3，C4，它們是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為luF/16V，選用擔(dān)電容并且應(yīng)盡量靠近芯片:C5為0.luF的去耦電容。MAX485的引腳TlIN，N2IN，R10UT，R20UT為接TTL/CMOS電平的引腳，引腳T10UT，T2OUT，RlIN，R2IN為接RS232電平的引腳，因此TTL/CMOS電平的T1IN，T2INI引腳應(yīng)接MCS51的串行發(fā)送引腳0UT應(yīng)接協(xié)51的串行接收引腳RXD。與之對應(yīng)的RS232電平的T10UT，T2OUT應(yīng)接PC機的接收端RD:RlIN，R2IN應(yīng)接PC機的發(fā)送端TDRS-485標(biāo)準(zhǔn)的特點:采用差動發(fā)送/接收,共模抑制比高,抗干擾能力強;傳輸速率高,它允許的最大傳輸速率可達(dá)10Mb/s(傳送15m);傳送距離遠(yuǎn),采用雙絞線,在不用MODEM的情況下,當(dāng)以100kb/s的傳輸速率時,可傳送的距離為1.2km;能實現(xiàn)多點對多點的通信,RS-485允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器。它非常適合溫室大棚規(guī)模擴(kuò)大時的測控系統(tǒng)的擴(kuò)展。單片機和上位機之間的通信必須用RS232/RS485轉(zhuǎn)換器EM485B將電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MAX-485與單片機連接電路,如圖3-7所示圖3-7單片機與上位機的通信電路3.7報警模塊若溫濕度、二氧化碳濃度、光照飽和度、土壤濕度這五個變量中有一個參數(shù)超標(biāo)時，則啟動蜂鳴器報警，然后單片機控制紅色LED發(fā)光二極管在指定的區(qū)域附近閃爍，同時單片機通過控制固態(tài)繼電器來打開相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，工作人員也可以根據(jù)此情況來查看相應(yīng)的區(qū)域或者采取相應(yīng)的措施。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。1壓電式蜂鳴器壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器以及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器是由晶體管或者集成電路組成。當(dāng)接通電源后（1.5-15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5-2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電式蜂鳴片發(fā)聲。2電磁式蜂鳴器電磁式蜂鳴器是由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，是電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發(fā)聲。本系統(tǒng)專門設(shè)計的報警系統(tǒng),由晶體管和蜂鳴器組成，選用XY系列壓電式蜂鳴器，XY系列壓電式蜂鳴器具有耐高溫、低潮、防濕、防污染、聲音動聽悅耳、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。由單片機I/O口輸出信號控制晶體管的導(dǎo)通或截止,晶體管導(dǎo)通,則蜂鳴器報警。當(dāng)某個監(jiān)控參數(shù)長時間(具體時間由程序設(shè)定)超出其合理的上下限范圍時,報警系統(tǒng)啟動。它與單片機的連接電路如圖3-8所示。圖3-8報警模塊連接電路3.8本章小結(jié)本章較為詳細(xì)地介紹了溫度、濕度、土壤濕度、光照飽和度和二氧化碳濃度檢測所選用的傳感器，以及給出了各個不同傳感器的優(yōu)缺點，為課題的可靠性提供依據(jù)。同時研究了溫濕度、二氧化碳濃度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要從各個不同的模塊入手，詳細(xì)的介紹了各個不同模塊的工作原理并設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路。

第4章測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1PID控制算法在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、…）。在PID增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機械或物理的積分儲存單元，如果給定值發(fā)生突變時，由算法的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么實際上執(zhí)行的控制增量將時受到限制時的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動態(tài)過程變長，因此，需要采取一定的措施改善這種情況。糾正這種缺陷的方法是采用積累補償法，當(dāng)超出執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行能力時，將其多余部分積累起來，而一旦可能時，再補充執(zhí)行。根據(jù)空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照度等數(shù)據(jù)的特點和農(nóng)作物的生長特點,本系統(tǒng)對溫室的空氣溫度、光照度進(jìn)行PID算法控制。兩者的數(shù)據(jù)先被傳感器采集,經(jīng)過信號處理,A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,存入AT89S52的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器,與設(shè)定值進(jìn)行比較,經(jīng)過PID算法得到控制量并由單片機輸出去控制加熱爐、補光光源。PID控制方法的實質(zhì)就是數(shù)據(jù)輸入的偏差值,按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運算,其運算結(jié)果用以輸出控制。在PID調(diào)節(jié)器中,設(shè)定值與測量值進(jìn)行比較,并計算出偏差,即e(k)=設(shè)定值-測量值,依據(jù)偏差,給出控制作用。本系統(tǒng)采用了增量數(shù)字化PID算法。增量數(shù)字化PID算法是要計算相鄰兩次采樣時刻所計算的位置之差,即Δp(k)=p(k)-p(k-1)=kp[e(k)-e(k-1)]+kｉe(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]其中,kp,kｉ,kd分別為比例,積分和微分系數(shù),e(k)為第k次采樣的偏差值。在實際中,由于所測控的對象大多具有響應(yīng)緩慢、滯后性大等特點,僅采取PID算法系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的振蕩,因此要對PID算法進(jìn)行調(diào)整。首先設(shè)定一個參數(shù)閥值E>0,當(dāng)|e(k)|>E時,說明偏差大,測量值遠(yuǎn)離設(shè)定值,被測量參數(shù)可快速增加,采用PD控制,公式為Δp(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]當(dāng)|e(k)|<E時,偏差小,說明系統(tǒng)測量值已接近設(shè)定值,此時加入積分作用,可保證系統(tǒng)控制精度。4.2系統(tǒng)下位機主程序流程圖的設(shè)計主程序是控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運轉(zhuǎn)的程序，若說一個系統(tǒng)是一個人的話，那主程序就是人的大腦，所有的動作都要經(jīng)由它來判斷進(jìn)行或者否決，它負(fù)責(zé)組織調(diào)用各子程序模塊，完成系統(tǒng)初始化、接受數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)等功能。溫濕度、二氧化碳濃度、光照飽和度、土壤濕度測控儀智能化的核心是單片機，其監(jiān)控程序和應(yīng)用軟件全部固化在EPROM中。它的工作過程是：系統(tǒng)上電后，單片機AT89S52進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，同時完成各個端口的初始化工作。正如《設(shè)施農(nóng)業(yè)分析》[7]所說鍵按下時，產(chǎn)生中斷申請，并進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序，完成按鍵處理功能；在沒有外部控制信息輸入的情況下，系統(tǒng)通過模擬開關(guān)分時、自動采集溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照度傳感器的電壓值，并通過轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，最后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)顯示出來。首先，顯示其溫濕度、二氧化碳濃度值、土壤濕度、光照飽和度，如果越限，則啟動報警裝置。本系統(tǒng)軟件下位機程序主要由下位機各數(shù)據(jù)測控、上位機與下位機通訊、報警等程序組成。下位機主程序流程圖,如圖4-1所示，系統(tǒng)初始化后，人工設(shè)定好所有環(huán)境因素的參數(shù)。接下來，系統(tǒng)開始依次檢測空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度以及光照飽和度，每一個測量值若與設(shè)定參數(shù)不符合，則跳至相應(yīng)的控制子程序。如光照度低于設(shè)定飽和點，則跳至光照子程序，系統(tǒng)根據(jù)與設(shè)定參數(shù)的差值進(jìn)行補光，直到光照測量值達(dá)到飽和點。開始開始系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)定空氣溫濕度測量范圍內(nèi)土壤濕度測量空氣溫濕度子程序范圍內(nèi)ＣＯ２測量范圍內(nèi)光照度測量范圍內(nèi)土壤濕度子程序ＣＯ２子程序光照子程序ＮＮＮＮ圖4-1下位機主程序流程圖4.3基于LabVIEW的上位機界面設(shè)計LabVIEW是一種圖形化的程序語言，使用這種語言編程時，基本上不用寫程序編碼，取而代之的是程序流程圖，盡可能的利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，對于中國新農(nóng)業(yè)革命，讓農(nóng)民自主掌握這種技術(shù)，LabVIEW也是最好的程序語言的選擇。本系統(tǒng)的上位機軟件用LabVIEW設(shè)計，它主要包括主菜單，串口通信按鈕，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)備狀況，圖像顯示以及報警顯示等幾部分組成。它不僅可以根據(jù)不同的農(nóng)作物種類和作物所處的生長期設(shè)定參數(shù)，而且可以在一些特殊情況下對系統(tǒng)的調(diào)控設(shè)備進(jìn)行手工開啟和關(guān)閉，具有靈活方便，切實可行的特點。上位機的操作界面，如圖4-2所示。圖4-2上位機操作界面

結(jié)論（1）全文工作總結(jié)通過大量文獻(xiàn)解讀與系統(tǒng)分析、研究、設(shè)計和參與課題的實踐，在導(dǎo)師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，終于基本完成了開題報告中確定的任務(wù)。本課題針對溫室大棚測控系統(tǒng)的研究，是對單片機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和自動化等專業(yè)知識的綜合運用。在設(shè)計和開發(fā)的過程中，緊密結(jié)合溫室大棚的實際情況，綜合目前一些先進(jìn)的測控理念。本文遵循系統(tǒng)的需求，進(jìn)行總體分析與設(shè)計、模塊化設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計，并對系統(tǒng)的可靠性和抗干擾進(jìn)行了設(shè)計。本課題圍繞溫室大棚測控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，完成的主要工作總結(jié)如下:１)溫度、濕度、二氧化碳含量、光照飽和度以及土壤濕度檢測功能。將硬、軟件按實現(xiàn)的功能劃分成不同的模塊，可巡回檢測大棚內(nèi)的溫濕度、土壤濕度、光照度及二氧化碳含量并具有顯示功能。２)分析功能。對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析處理，可以根據(jù)不同農(nóng)作物的不同需要，通過鍵盤設(shè)定溫濕度、土壤濕度、光照度、二氧化碳含量的上下限值3)報警功能.根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫濕度、土壤濕度、光照度、二氧化碳含量的上下限值，如果檢測的結(jié)果超過了設(shè)定范圍，則啟動報警設(shè)置。最后，由于條件的限制，本系統(tǒng)只能在實驗室環(huán)境下模擬進(jìn)行，但整體方案確實是可行的。（2）工作展望任何一個系統(tǒng)都有一個不斷改進(jìn)和完善的過程，只有在調(diào)試和使用的過程中，才能知道系統(tǒng)實際存在的問題。本課題所研制的溫室大棚植物生長環(huán)境測控系統(tǒng)由于時間和經(jīng)驗的不足，以及技術(shù)水平的限制，尚有不足的地方，有待進(jìn)一步完善。如現(xiàn)有的智能化還完全不夠，在軟件編譯上還需加強，進(jìn)一步完善控制策略，并逐步引進(jìn)專家策略，提高系統(tǒng)的智能化，抗干擾系統(tǒng)的設(shè)計，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供高精度的控制。正如《溫度傳感器的應(yīng)用技術(shù)》[3]所說國家對于農(nóng)業(yè)的幫助其實不能止步于經(jīng)濟(jì)上的援助，授人以魚不如授人以漁，若能夠普及普通農(nóng)民新農(nóng)業(yè)知識，讓他們能夠自力更生去發(fā)展新型的溫室農(nóng)作物肯定比給他們創(chuàng)新的儀器要有用，所以，提高農(nóng)民的知識素養(yǎng)，也是中國發(fā)展新型農(nóng)業(yè)的一個重要前提！溫室環(huán)境的測量和控制技術(shù)是實現(xiàn)大棚高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要保障，通過分布式微機測控系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的計算和檢測，并提供最佳控制方案，能極大的提高測量和控制的自動化程度。我過的地理氣候差異較大，同時不同的農(nóng)作物對環(huán)境要求又很不一樣，因此，開發(fā)適合我國國情的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)將是一個長期的過程。

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附錄附錄1程序清單#include<reg51.h>#include<math.h>#include<intrins.h>SbitDATA=P1^1;//定義通訊數(shù)據(jù)端口//#defineDATA_IOTRISC7//用于設(shè)置IO狀態(tài)SbitSCK=P1^0;//定義通訊時鐘端口#definenoACK0//繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，用于判斷是否結(jié)束通訊#defineACK1//結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸；//地址命令#defineMEASURE_TEMP0x03//00000011#defineMEASURE_HUMI0x05//00000101//voidinit_uart(void);//初始化voids_connectionreset(void);voids_transstart(void);chars_measure(unsignedchar*p_value,unsignedchar*p_checksum,unsignedcharmode);chars_write_byte(unsignedcharvalue);chars_read_byte(unsignedcharack);voidcalc_sth11(float*p_humidity,float*p_temperature);floatcalc_dewpoint(floath,floatt);voiddelay(unsignedinttime);union{unsignedinti;floatf;}humi_val,temp_val;//定義兩個共同體，一個用于濕度，一個用于溫度/*******************************************************************************延時1MS帶參數(shù)(int)子程序*******************************************************************************/voiddelay(unsignedinttime){unsignedinta,b;for(a=0;a<time;a++){for(b=0;b<88;b++);}}////voidinit_uart(void)////端口初始化//{//TRISC7=0;//TRISC6=0;//}//voids_connectionreset(void)////連接復(fù)位;//_____________________________________________________________//DATA:|_______|//_______________//SCK:__||__||__||__||__||__||__||__||__||______||___||______{unsignedchari;DATA=1;SCK=0;//準(zhǔn)備for(i=0;i<9;i++)//DATA保持高，SCK時鐘觸發(fā)9次，發(fā)送啟動傳輸，通迅即復(fù)位{SCK=1;SCK=0;}s_transstart();//啟動傳輸}//voids_transstart(void)////啟動傳輸//_____________//DATA:|_______|//______//SCK:___||___||______{DATA=1;SCK=0;_nop_();SCK=1;_nop_();DATA=0;_nop_();SCK=0;_nop_();_nop_();_nop_();SCK=1;_nop_();DATA=1;_nop_();SCK=0;}//chars_measure(unsignedchar*p_value,unsignedchar*p_checksum,unsignedcharmode)////進(jìn)行溫度或者濕度轉(zhuǎn)換，由參數(shù)mode決定轉(zhuǎn)換內(nèi)容；{unsignederror=0;unsignedchari;s_transstart();//啟動傳輸switch(mode){case02:error+=s_write_byte(MEASURE_TEMP);break;case01:error+=s_write_byte(MEASURE_HUMI);break;default:break;}for(i=0;i<110;i++){delay(2);if(DATA==0)break;//等待測量結(jié)束；}if(DATA)error+=1;//如果長時間數(shù)據(jù)線沒有拉低，說明測量錯誤*(p_value)=s_read_byte(ACK);//讀第一個字節(jié)，高字節(jié)(MSB)*(p_value+1)=s_read_byte(ACK);//讀第二個字節(jié)，低字節(jié)(LSB)*p_checksum=s_read_byte(noACK);//readCRC校驗碼ret