020941028 潘天佐 植物生长环境测控系统的设计.docx

第1章绪论11.1 选题的背景及其探讨意义11.1.1 国外探讨现状21.1.2 国内发呈现状21.3课题的主要内容及探讨意义31.3.1 本论文的主要内容31.3.2 本论文探讨的意义3第2章探讨方案的设计52.1 温室大棚内重要参数的调整与限制52.1.1 温湿度的调整与限制52.1.2 二氧化碳含量的调整与限制62.1.3 光照度的调整与限制72.1.4 土壤湿度的调整和限制72.2 系统总体方案的设计82.2.1 总体方案设计82.3 本章小结9第3章硬件设计103.1 微限制器概述103.2 空气温湿度的处理与采集123.2.1 温湿度传感器123.2.2 空气的温湿度设计133.3 土壤湿度模块143.4 二氧化碳浓度测控模块163.5 光照度测控模块173.6 通信模块183.7 报警模块193.8 本章小结20第4章测控系统的软件设计214.1 PlD限制算法214.2 系统下位机主程序流程图的设计224.3 基于1.abVIEW的上位机界面设计23致谢26参考文献27附录28附录1程序清单28附录2原理图34第1章绪论1.1选题的背景及其探讨意义中国农业的发展必需走现代化农业这条道路，随着国民经济的快速增长，农业的探讨和应用技术越来越受到重视，特殊是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和限制。例如:空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换亲密相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律,限制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，干脆关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了确定的标准，但是价格特别昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与限制都采纳人工管理，这样不行避开的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不刚好等弊端，简洁造成不行弥补的损失，结果不但大大增加了成本，奢侈了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业探讨的精确性，推动我国农业的发展，必需大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调整大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的快速增多，人们对其性能要求也越来越高，特殊是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的快速提高，使得这种要求变为可能。本文提出了一种以AT89S52单片机为限制核心的测控仪，主要是为了对蔬菜大棚内温度、湿度，以及二氧化碳含量进行有效、牢靠地检测与限制而设计的。该测控仪具有检测精度高、运用简洁、成本较低和工作稳定牢靠等特点，不仅可以应用在农业蔬菜大棚，也可以应用在恒温湿的机械加工厂、室内环境等方面，所以具有确定的应用前景。1.2.1 国外探讨现状西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御实力的基础及应用探讨。20世纪60年头，生产型的高级温室起先应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，07年头后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能限制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动限制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展.特殊是二十世纪70年头电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境限制技术产生了革命性的变更。80年头，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室限制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境限制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了确定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中限制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、养分液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动限制，如无级调整的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的浇灌系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的限制己经不是简洁的、独立的、静态的干脆数字限制，而是基于环境模型上的监督限制，以及基于专家系统上的人工智能限制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。1.2.2 国内发呈现状我国现代温室技术起步较晚，70年头以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺冲突。与此同时，从1997年至1949年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室（包括加温系统、湿帘降温系统、浇灌系统、监测与集中限制系统及其它附属设施）进行试验探讨。引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展供应了借鉴作用。但这些温室也存在着很多不足之处，主要表现在：1 .价格昂贵，国内农业生产目前难以接受；2 .缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在冲突；3 .限制方式比较简洁，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。随后在我国出现了一些国外的仿造产品，如江苏工学院研制的“温室环境测控系统”，主要用于无土栽培试验温室，造价仍较高，且处于试验阶段;吉林工业高校研制的“温室环境自动检测系统”,仅实现了温湿度的自动测试，“智能型温室环境限制器”仅实现了温室内的喷水自动限制等。以上产品均没有面对我国广阔农村现有的100万亩传统温室的改造工程。所以，传统的方法，人们主要还是采纳温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来限制温湿度。因此，以上产品的推广运用价值仍旧不大。总体上说，我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控实力与发达国家还有确定的差距。而我国综合环境测控技术的探讨刚刚起步，目前仍旧停留在探讨单个或少量环境因子调控技术的阶段，而事实上，温室内的光照度、温度、湿度、C02浓度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境要素的空间变更、时间变更都很困难。因此，我们应当依据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。1.3课题的主要内容及探讨意义1.3.1 本论文的主要内容为适应农业发展的须要，依据以上分析存在的问题，本文研制和设计了基于单片机的温湿度、二氧化碳测量系统。该系统在设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件，可实现对大棚内温湿度、二氧化碳浓度的在线实时检测。同时，本课题还设计了相应的限制系统，单片机实时监测大棚内的温湿度、二氧化碳浓度，当温湿度、二氧化碳浓度超过设定的上、下限时，单片机驱动固态继电器打开相应的执行机构，实现对温湿度、二氧化碳浓度的补偿，从而使得大棚内的参数在适合作物生长的范围内。本课题主要探讨内容包含以下几个方面：1 .空气温湿度、土壤湿度湿度、光照度以及CCh浓度传感器的选型及相应信号处理电路的设计；2 .实现温室内空气温湿度、湿度、光照度、CO2浓度等环境参数的自动测试；3 .通过人机对话接口实现参数显示和在线参数修改；1.3.2 本论文探讨的意义传统的方法，人们主要采纳温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来限制温湿度。但是由于温度计、湿度计精度比较低，以及人工读数的人为因素等缘由，温湿度检测不仅速度慢，精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度大。随着科技的发展，采纳各种传感器、模数转换器、报警器等组成的大棚内温湿度监测系统的出现，可对大棚内的各个测点进行巡回检测，检测速度、精度有了确定的提高，降低了劳动强度，但由于所采纳的传感器灵敏度比较低、稳定性比较差，致使检测精度、系统牢靠性还不够志向，并且很少有能够广泛应用在农业大棚内，对二氧化碳含量进行测控的装置。同时，在农业生产和农业科研过程中的很多场合须要对上面提到的物理量进行精确的检测和限制。由于现在农业上基本沿用人工的测控方法，这就不行避开的存在着劳动强度大、繁琐、测量精度低，并且由于检测报警不刚好，给农业生产和科研工作造成了确定的损失。近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，人们对大棚内参数检测的精确性、稳定性要求也越来越高。本课题就是针对此问题，设计相对精度高、性能稳定、价格便宜的温湿度以及二氧化碳的测控装置。该仪器可广泛地应用于诸如温室大棚、畜牧业中的孵化和饲养环境调整、粮食贮存以及其它农业生产和科研领域，并且由于系统的敏捷性和模块化，也可以便利地满意其它领域的须要。第2章探讨方案的设计随着国民经济的快速增长，农业的探讨和应用技术越来越受到重视，特殊是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业探讨的精确性，推动我国农业的发展，迫切须要一种价格适中，自动化程度高的农业设施多点测控系统。温室多功能智能系统是在国家提出的提倡“科技农业”“精准农业”的大背景下和新疆蔬菜温室大棚的智能化建设的迫切需求下,为提高当地居民的生活质量水平而设计研制的。本系统是本着在不影响功能实现的前提条件下尽可能降低生产成本的宗旨,以AT89S52为核心,以PlD限制为主要限制方式,以检测并调整空气温湿度、土壤湿度、CO2浓度和光照度为主要目的的测控系统。2.1 温室大棚内重要参数的调整与限制温湿度的调整与限制目前，温室内温度的调整和限制包括加温、降温柔保温三个方面，具体表现在：1 .加温：加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。热风采暖系统由热风炉干脆加热空气及蒸汽热交换空气两种，前者适用于塑料大棚，后者适用于有集中供暖设备的温室;热水采暖系统的稳定性好，温度分布匀称，北方温室大都采纳此种方式;土壤加温有酿热物加温、电热加温柔水暖加温。2 .降温：降温最简洁的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满意作物的要求时，必需进行人工强制降温。降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40Cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差;屋面流水降温法采纳时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题:蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内，达到降温目的。蒸发冷却法有湿帘一风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。3 .保温保温包括削减贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。削减贯流放热和通风换气量包括削减向温室内表表面的对流传热核辐射传热、削减覆盖材料自身的热传导散热、削减温室外表面对大气的对流和辐射传热、削减覆盖面的漏风而引起的换气传热;增大保温比是适当的减低温室的高度，缩小夜间爱护设施的散热面积，有利提高温室内昼夜的气温柔低温:增大地表热流量可以采纳增大爱护设施的透光率，且常常保持覆盖材料干洁，及设置防寒沟，防止地中热量横向流出。大棚内空气湿度的