温室大棚自动控温系统设计.docx
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温室大棚自动控温系统设计
1前言
1.1课题背景及研究目的
温室大棚就是一种室内温室栽培装置，包括栽种槽、供水系统、温控系统、辅助照明系统和湿度控制系统；栽种槽是设于窗底或做成隔屏状，用来栽种植物；供水系统自动适时适量的供给水分；温控系统包括排风扇、热风扇、温度感应器和恒温系统控制箱，以适时的调节温度；辅助照明系统也包含植物灯和反射镜，装于栽种槽周边，在无日光时提供照明，让植物进行光合作用，并经光线的折射作用，呈现出美丽景观；湿度控制系统来配合排风扇而调节湿度和降低室内温度。
温室是以采光覆盖材料来作为全部或部分围护结构材料，我们可在冬季或其它不适宜露地植物生长季节供栽培植物的建筑。
温室就是采光建筑，因而透光率就是评价温室透光性能的一项最基本指标。
透光率是透进温室内的光照量和室外光照量的百分比。
温室透光率是受温室透光覆盖材料透光性能与温室骨架阴影率的影响，随着不同季节太阳辐射角度的不同而不同，温室的透光率也随时变化。
温室透光率高低就成为作物生长与选择种植作物品种的直接影响因素。
通常连栋塑料温室在50%~60%，玻璃温室的透光率在60%~70%，而日光温室可达到70%以上。
加温耗能也是温室冬季运行的主要障碍。
提高温室保温性能，能降低能耗，提高温室生产效益的最直接手段。
温室的保温比就是衡量温室保温性能的一项基本指标。
温室保温比就是指热阻较小的温室透光材料覆盖面积和热阻较大的温室围护结构覆盖面积同地面积之和的比。
如果保温比越大，说明温室的保温性能就越好。
温室建设必须要考虑到其耐久性。
温室的耐久性受温室材料耐老化性能、温室的主体结构的承载能力等其他因素的影响。
透光材料本身的耐久性除了自身的强度外，还表现在其材料透光率随着时间延长而不断衰减，透光率的衰减程度也是影响透光材料使用寿命决定性因素。
通常钢结构温室使用寿命在15年以上。
这就要求设计风、雪荷载用25年一遇的最大荷载；竹木结构简易温室的使用寿命5~10年，设计的风、雪荷载用15年一遇最大荷载。
由于温室的运行长期处于高温、高湿的环境下，构件表面防腐就是影响温室使用寿命的重要因素之一。
钢结构的温室，受力主体的结构一般采用薄壁型钢，自身抗腐蚀能力也较差，在温室中采用用热浸镀锌表面防腐处理，它的镀层厚度达到150~200微米以上，就可保证15年的使用寿命。
在我国，温室大棚得发展迅速，应用广泛，特别是中国寿光的蔬菜大棚，成为人民发家致富的一大法宝，它的前途一片光明。
1.2国内外研究状况
温室控制技术随着温室农业发展应运而生，目前，荷兰、以色列、美国等发达国家可以根据不同温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、空气、水、肥等诸多因子进行自动调控;美国和荷兰利用温室管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期来进行控制，以满足生产和市场需要，提高了劳动效率。
另外，奥地利、美国、日本等国家建造了世界上最为先进的植物工厂，采取了完全封闭生产、人工补充光照，全部采用电脑来控制和采用机器人或机械手进行播种、采收、移动作业等植物工厂摆脱了自然条件的束缚，但投资成本过高，能源消耗太大，从经济效益上来说不可行，因此现阶段只为宇航等超前研究提供技术储备。
国内温室控制技术开始于七十年代末期，到了八十年代后期，计算机开始应用于温室管理和控制领域，具中主要应用方向用来实现温室环境控制的自动化。
到九十年代中后期，出现了温室环境的自动控制系统，能实现对营养液系统、温度、光照等综合控制，是目前国产化的温室环境控制系统典型的研究成果。
在此期间，中国科学院的石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院的上海植物生理研究所等单位也都在不同领域开展了温室设施计算机控制和管理技术方面的研究。
总的来说，我国温室环境的控制技术在总体上，正在从消化吸收、简单应用的阶段向实用化、综合性应用的阶段过渡和发展，但所研制的控制系统，很大一部分需要人工手动控制辅助，因此控制效果、自动化程度、可靠性与可操作性比较差。
1.3课题研究方法
本课题控制部分的硬件的设计主要采用Protel99se作为设计工具，软件设计主要采用的C语言编程，用Keil软件调试完成。
信号的采集是利用温度传感器AD59来采集温度值，通过单片机89S52来进行处理，来完成相关操作。
机械部分以控温天窗为执行机构。
1.4系统功能及工艺要求
1.4.1系统功能
（1）对温室大棚内温度来进行连续检测，可根据需要来进行定时检测、选点检测、和巡回检测。
（2）机械通风的升降温功能：
根据采集到温度值与设定温度值进行比较，经过分析和处理，控温天窗在指定单片机相应控制信号的作用下来进行开启升降温。
（3）实时报警的功能：
根据温度实测值和人工设定的超限值或相关数学模型来进行对比分析，若实测值真的超过设定的范围，则语音报警。
1.4.2工艺要求
（1）控制的芯片：
8位MCU
（2）测温的精度：
±1℃（温度范围：
-10～100℃）
（3）设计使用的语言：
C语言
2降温方案的比较与选择
2.1前言
根据作物的生长规律与要求，在作物生长的过程中，需要通过喷洒农药和点燃剂对作物进行防病治病，因所以温室内的空气变得不够纯净，因此有必要对温室内的空气进行交换，来把温室内含杂质较多的空气以及温室外相对纯净的空气来进行交换，给作物提供了更为良好的气体环境。
如果仅以降温作为目的，可以采用空调来降温或通风降温。
在温室大棚里，如果用空调制冷来降温的话，温室大棚内的气体就得不到交换，虽然温室大棚里的温度下降了，但确实还是原来温室内的空气。
如果用通风降温方案，降低温度的同时，还可以对温室内的原有气体进行交换，这样既保证了作物生长所需的适宜温度，同时向温室注入了新鲜空气，这对提高作物的产量和质量有重要意义。
综合上述的分析，采用通风降温的方案。
2.2通风降温方案
机械部分是机电控制的系统的执行机构，它不仅要求按照控制要求来完成通风降温功能，而且还要能和温室大棚里的薄膜实现很好的密封结合。
方案一：
此方案中主要是以换气扇作为主要的执行机构。
温室大棚每隔15米安装一个换气扇，主要完成温室内和温室外空气的交换。
当温室内的温度达到32摄氏度时，单片机控制的换气扇开始工作，温室内较热的空气和温室外的冷空气交换，进行降温；当温度降到了28摄氏度时，单片机控制换气扇就停止工作，温室内空气与温室外空气的交换就停止，温室内温度就停止下降，待温度上升到了32摄氏度时，单片机就又开始控制换气扇工作，等温室内温度降到28摄氏度时，单片机就又控制换气扇停止工作，通过如此循环，通过换气扇的停转就能保持温室内温度的恒定。
方案二：
此方案中以控温天窗作为其主要的执行机构，在温室大棚上每隔15米安装了一个控温天窗。
控温天窗是由压膜箍、一个静窗叶和一个动窗叶组成的。
棚膜的开口边缘便夹在压膜箍与静窗叶的配合面间，动窗叶是由铝合金边框及镶嵌在中间的保温玻璃构成。
在动窗叶边框的周围添加一层软的保温材料，使动窗叶和静窗叶之间实现了良好的密封，增加了温室大棚保温的性能。
动窗叶的两端都有轴，动窗叶通过轴承和静窗叶连接在一起，并且动窗叶的轴和步进电动机输出轴连接在一起，当温室内温度达到了32摄氏度时，由单片机来控制的步进电动机开始转动，从而带动了动天窗的动窗叶转动，动天窗和静天窗之间错开一定的角度，因此温室外的空气开始与温室空气交换，温室温度开始降低，待降到了28摄氏度时，动窗叶就又转回初始位置，温室内空气停止和温室外空气的交换，温室温度停止下降，等再次升高到32摄氏度时，动天窗就又开始重复以前的动作，通过如此循环，使温室内空气和温室外空气交换，确保温室内温度的恒定。
2.3两种方案的比较与选择
方案一在结构上简单，但是换气扇叶和换气扇基体之间很难实现的良好密封，所以即使电机处于了停止状态，换气扇叶就不转动，也可以实现温室大棚得内外气体的缓慢交换，使温室大棚的温度低于作物生长的最佳温度。
方案二在结构上肯定要比方案一复杂，但是保温玻璃和窗体之间可以实现很好的密封，在电机停转后也可以阻止温室内外的气体进行交换，因此比较容易实现作物生长所需最佳温度。
综合分析后，我选择方案二作为降温的方案。
3控温天窗机械结构设计
3.1控温天窗总体机械结构设计
控温天窗是温室大棚的自动控温系统的机械执行部分，根据气体交换需求，确定窗体的整体尺寸是700×400（mm），气体交换窗口大小是400×320（mm）。
窗体采用的是铝合金材料[1]，主要由轴、轴承、带轮和保温玻璃板等组成。
控温天窗通过控制动窗叶的开合实现与温室内外气体的交换，从而来完成控温功能。
控温天窗是由步进电机提供动力。
步进电机通过带轮实现和转轴之间的动力传递。
转轴与其上的套扣是通过紧固螺钉连接在一块，因此转轴上共安装三个套扣，在每个套扣两边通过螺栓连接有一个悬臂梁，玻璃支架就通过螺栓连接在悬臂梁上，保温玻璃也安装在玻璃支架上，保温玻璃能实现和转轴的同步转动，即和步进电动机实现；了同步转动，从而通过步进电动机来带动窗叶，实现窗叶的开合。
图3.1转轴、轴套及支架
为了使动窗叶也能够自由转动，动窗叶和窗体之间留有一定的间隙，间隙的存在也导致了温室内外时时刻刻进行气体交换，所以使温室大棚的保温性能下降，这对作物的生长是不利的。
为克服上述缺点，就在动窗叶的四周添加一层柔软的保温材料，由于质地比较柔软，所以并不会影响动窗叶的转动，但使动窗叶与窗体的密封性能大大增加。
温室大棚上覆盖了保温薄膜，控温天窗基体是铝合金材质。
为了能使两者得到很好的密封在一起，不影响温室大棚保温的性能，在窗体的四周都留有专门的压膜箍，把保温膜通过压膜箍连接在一起，实现有效地连接。
图3.2窗体及压膜箍
3.2同步传送带设计
同步带传动方式是一种新型的带传动，它由一根内表面设有等间距齿的环行的胶带与在圆周上具有对应尺的带轮组成。
同步带的工作面是齿的侧面，在工作时通过带的凸齿来传递运动和动力，因此属于啮合传动。
由于带的工作拉力是通过数根不产生伸长的强力层传递，因此能保持带齿节距不变，使带和带轮间无相对滑动，从而保证了主、从动轮传动达到同步[2]。
图3.3同步带传动
图3.4带轮
3.2.1同步带传动特点介绍
与其它机械传动相比较，同步传动带具有的以下特点：
（1）传动准确，工作时没有滑动，具有恒定传动比；
（2）传动很平稳，具有缓冲、减振的能力，噪声低；
（3）传动效率很高，可达到98%，节能效果很明显；
（4）维护保养很方便，不需润滑，不但节省了我们的维护费用，而且可在不允许有污染与工作环境较为恶劣的场所正常工作；
（5）速度范围大，一般可达10m/s，线速度有时可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；
（6）可用于长距离的传动，中心距可达10m以上；
（7）结构很紧凑，适宜于多轴传动。
正是基于了上述优点，同步带传动在纺织、机床、烟草、轻工、化工、冶金、食品、仪表仪器、矿山、石油、汽车、通讯电缆等各行业各种类型的机械传动中能得到广泛应用。
在控温天窗的设计中就采用同步齿形带完成传动要求。
3.2.2同步带传动的选择计算
已知条件
（1）传动名义功率Pm=0.5kW;
（2）主动轮转速n1=750r/min，从动轮n2=550r/min;
（3）中心距a=60mm左右;
（4）工作情况，12小时非连续运转．
具体计算过程如下：
a）．求设计功率Pd
Pd=K0Pm=1.3×0.5=0.65Kw
式中K0为载荷修正系数
b）．确定带的型号和节距
由设计功率Pd=0.9Kw和n1=750r／min，查表得带的型号为XL型，对应节
距Pb=11.6mm。
c）．选择小带轮齿数
由小带轮转速n1=750r／min和XL型带，查表得小带轮最小许用齿数
Z1=11，则大带轮齿数Z2=Z1i,其中i=n1／n2=750／500=1.50，
Z2=1.50×11=16.5,取标准带齿数Z2=15。
d）．确定带轮节圆直径
d1=Pbz1／π=17.79mm
d2=Pbz2／π=24.26mm
e）．确定同步带的节线长度Lp，
Lp=2acosφ+π（d1d+d2）／2+φ（d2－d1）／180式中：
φ=sin-1（d2－d1／2a）
=17.8。
（以a=60mm代入）则Lp=160.8mm选择最接近计算值的标准,节线
长查表Lp=158.7mm
f）．计算同步带齿数z
Zb=Lp/Pb=150.8mm/11.6mm=13
g）．传动中心距n的计算
a=Pb（Z2一Z1）/2πcosθ
式中invθ=π（zb－z1）／（z2－z1）=3.1416invθ=tgθ－θ用逐步逼近法计算
θ=1.3518（弧度）代入上式a=Pb（Z2一Z1）/2πcosθ=60.95mm
若按近似公式计算：
式中M=Pb（2Zb－Zl－Z2）／8
则a=61.3mm与精确计算结果较为一致。
h）．确定同步带设计功率为Pd时所需带宽
（1）计算所选型号同步带的基准额定功率P0
P0=（To一mv2）v／l000（KW）
式中T0—许用工作拉力，查表得T。
=50.17N
m一单位长度质量，查表得m=0.022kg/m
v—线速度（m／s）
v=ωPbZl×10-3/2π=3.26（m/s）
代入上式得P0=2.61kW
（2）计算小带轮啮合齿数
Zm=Z1/2一PbZ1（Z2一Z1）/2π2a=6.23＞6
（3）确定实际所需带宽b．
P≈KZKWP0=6.32kW
式中P—带所能传递功率kW
KZ—啮合系数，因Zm>6，故KZ=1
KW=（bs／bs0）1.14，查表XL型带bs0=6.4mm
将P式代入P≥Pd
bs≥bs0（Pd/P0Ka|）1.14=6.67mm，取标准宽6.4mm
i）．验算
P=（KZKWTa一mv2bs／bs0）v×10-3=0.98>0.65（kW）
额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合格。
j）．结果整理
（1）带：
选用XL型同步带，节线长Lp=158.7mm，带宽bs=6.4mm
（2）带轮：
z1=18，d1=17.79mm；z2=15，d2=24.26mm
（3）传动中心距精确计算a=65.021mm
3.3轴承选型
3.3.1概述
将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密机械元件，叫滚动轴承。
滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成[4]。
内圈的作用是与轴相配合并和轴一起旋转；外圈作用是和轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀来将滚动体分布在内圈和外圈之间，使其形状大小和数量直接影响着滚动轴承使用性能和寿命；保持架使滚动体均匀分布，来防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起到润滑作用。
图3.5滚动轴承的组成
滚动轴承与滑动轴承相比较有以下主要特点：
1）摩擦阻力很小、起动很灵活、效率高；
2）由专业厂家来批量生产，类型尺寸很齐全，标准化程度很高；
基于滚动轴承以上特点，在控温天窗的设计中就采用滚动轴承。
3.3.2滚动轴承寿命的计算公式
具有基本额定动载荷C（Ca或Cr）的轴承，当它所受的载荷P恰好是C时，其基本额定的寿命就是106r[5]。
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图3.6轴承的载荷—寿命曲线
图3.6所示为在大量的实验研究基础上得出的轴承载荷—寿命曲线。
该曲线表示载荷P和基本额定寿命L10之间的关系。
曲线上相应寿命L10=1×106r的载荷（25.5kN），即为6207轴承的基本额定的动载荷C。
其它型号轴承，也有和上述曲线的函数规律完全一样的载荷—寿命曲线。
此曲线公式表示为
L10=
（3-1）
式中，L10的单位为106r，ε为指数。
对于球轴承，ε=3；对于滚子轴承，ε=
。
实际计算时，我们用小时数表示寿命方便。
这时可将式（3-1）改写。
如令n代表转速（单位为r/min）,则以小时数表示轴承基本额定寿命L10为
L10=
（3-2）
如果载荷P与转速N已知，预期计算寿命L’h也已取定，则所需轴承应具有基本额定动载荷C（单位为N）就可根据3.2计算得出
C=P
（3-3）
3.3.3轴承的选用计算：
根据窗体的工作状况我们可以知道，它只有的径向载荷，在轴向上并不受力，无轴向载荷，故X=1,Y=0[3]。
（1）初步计算当量动载荷P
P=fp（XFr+YFa）,查表得fp=1.2
所以，P=1.2×1×1700N=2040N
（2）计算轴承应有的基本额定动载荷值：
C=P
=3600×
N=9142N
按照轴承样本或设计手册选择C=9380N的6004轴承。
此轴承的基本额定静载荷C0=5020N。
此轴承的当量动载荷P=1.2×1×1700N=2040N
（3）验算6004轴承的寿命：
L10=
=
h=
×
h=3037.5h>3000h
综上所述，我们所选择的轴承符合条件。
3.4电动机选型
步进电机是一种可以将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。
每输入进去一个脉冲电机转轴，步进一个步距角增量。
电机总的回转角和输入脉冲数成正比例，相应的转速就取决于输入脉冲频率。
步进电机的选择一定要遵循以下原则：
（1）保证步进电机的输出功率是大于负载所需的功率
（2）应使步距角和机械系统相匹配，即电机一定要有合适的脉冲当量
（3）电动机一定要有足够大的启动转矩，保证了在负载作用下能正常、能安全启动
机械部分控温天窗所需要的最大功率为0.5KW，最大启动转矩是1.8Nm，歩距角在0.80-1.50之间就符合要求，所以选用型号55BF009的步进电动机。
3.5保温玻璃选型
保温玻璃就是具有最大的日光透射率与最小的反射系数特种玻璃，分低辐射玻璃与多功能镀膜玻璃保。
可让80%以上可见光进入室内被物体吸收，同时又能将90%以上的室内物体所产生的辐射的长波保留在室内，因此大大提高了能量的利用率。
同时有选择地传递太阳能量，把大部分的热辐射能传递给室内。
目前，有些温室大棚上已经能应用中空玻璃板。
中空玻璃板适用于工厂化的温室养鱼、种植花卉蔬菜、高寒地区的畜牧温室及其他需要采光、用于保温用途的各种场合的温室大棚。
温室大棚中专用中空玻璃板有PE、PP、PC几种类型。
温室大棚专用中空板都是双层中空结构，中间有层隔离空气，既可隔热又可贮热，保温能力很强，同时极少出现挂水与滴水现象。
温室大棚专用中空玻璃板的低温耐热性好，零下40度也不裂，透光率很高，厚10mm板透光率能达70％以上，寿命在3年以上。
中空板的表面美观、色泽亮丽、无毒、无污染、无味、抗压能力强、质轻、防水防潮等特点。
另外，温室大棚专用的中空玻璃板的厚度范围为2-12mm。
基于温室大棚的专用中空玻璃的上述特点，选择8mm厚的中空玻璃板来安装在动窗叶上，作为温室的内外隔绝空气的保温材料。
4控温天窗控制部分硬件电路设计
4.1前言
本系统是通过单片机检测和控制温室大棚内的温度，温度传感器AD590输出的模拟量信号，单片机处理的是数字信号。
因此，我们得在采样与控制环节间加入A/D数模转换[6]，使其信号能进行交换与处理。
系统总体设计包括温度检测、键盘、A/D转换、复位、显示、外围控制电路、报警与预警和控制软件的设计。
系统总体框图，如图4.1所示。
图4.1系统总体框图
框图说明：
系统要求检测的信号为温室大棚的温度值，所以我们就采用AD590温度传感器采集温度值。
我们采集到的温度信号，通过CD4051多路开关进行通道选择，之后再经过ADC0804模数转换与单片机进行通讯。
所采集的信号在经过处理后进行显示，如超过我们设定的极限值则报警和预警，或者根据需要来驱动执行机构进行降温。
系统主要由信号采集、信号转换和分析、信号处理三部分组成。
（1）信号采集：
通过温度传感器AD590来完成。
（2）信号转换与分析：
由ADC0804模数转换、89S52单片机和程序组成。
（3）信号处理：
由LED显示、报警和执行机构组成。
4.2单片机选型
AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器[7]，具有8K系统可编程Flash存储器。
是用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令与引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在线系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU与在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统来提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52有以下标准功能：
8k字节Flash和256字节RAM32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构和全双工串行口片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态类来逻辑操作，支持2种软件选择节电模式。
在空闲模式下，CPU停止工作时，允许RAM、定时器/计数器、串口和中断继续工作。
在掉电保护方式下，RAM内容能被保存，振荡器能被冻结，单片机一切就工作停止，直到下一个中断或硬件复位时为止。
单片机8031或8051完成我们的需求，它们的编程也比较的简单，对它的指令我们也熟知，但8031/8051已经退出市场。
凌阳单片机也能完成这种温度检测及测控功能，但是它的价格要比AT89S52高，它适用于比较复杂的测控系统，在此设计中使用凌阳单片机的经济性不好。
综上所述，我们选择AT89S52单片机。
图4.2AT89S52引脚图
4.3温度信号采集模块设计
4.3.1信号采集方式的选择
方案一：
我们用多路并行模拟量输入方式[8]。
其结构特点如下图所示：
图4.3多路并行模拟量输入方式
方案二：
我们用多路分时的模拟量输入方式[8]。
其结构如下图所示：
图4.4多路分时的模拟量输入方式
通过对两方案的比较，我发现方案一结构复杂，很容易产生故障，但该故障只对该路信号采集来产生影响，而方案二在采样/保持和A/D转换环节出现故障的话将影响到整个系统的正常运行，这个环节主要是放在棚内，工作环境比较好，所有出现故障的可能性也低。
同时我们也能看到，在满足相同功能的同时方案二要比方案一造价低廉，因而节约了成本与能源，所以我们采用方案二来作为信号采集方式。
4.3.2温度传感器的选择
当我们将单片机用作测控系统时，系统总要有有被测信号输入通道，由单片机来拾取必要的输入信息。
就测量系统而言，如何准确获得被测信号才是其核心任务；而对测控系统来说，对被控对象状态的测试与对控制条件的监察，也是不可缺少的环节。
传感器是实现测量和控制的首要环节，是测控系统关键部件，但如果没有传感器对原始被测信号来进行准确可靠的捕捉和转换。
一切准确的测量与控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量与控制，几乎依靠各种传感器来进行检测和控制生产过程中各种参量，使设备和系统处于正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率与高质量。
温度传感器是用来检测温度的器件，其种类最多，应用也最广，发展也最快。
其主要分为热电阻式与热电偶式两大类[4]。
方案一：
采用热电阻温度传感器。
由于导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出的被测物体的温度，利用这个原理构成的传感器是电阻温度传感器，这种传感器主要就用于-200-50
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