温室中光照度的实时检测及自动控制系统之欧阳治创编Word文档下载推荐.docx

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TitleTheilluminanceofthereal-timedetectionandautomatic

Controlsystemingreenhouse

Abstract

Greenhousestechnologyisakindofresourcesavingefficientfacilitiesagriculturetechnologydevelopedgraduallyinrecentyears,whichhasbeenwidelyusedinmodernagriculturalproductionandplaysanimportantroleinmodernagriculturalproduction.Itbreaksthroughthelimitoftraditionalfarminginregion,season,climate,naturalenvironmentandsoon,andprovidestheappropriategrowthenvironmentforcrops.Lightingasoneofthreemainfactorsforplantgrowth,isthenecessaryconditionforcropstoproducefood,andisthedominantfactorofformationofgreenhousemicroclimate.Therefore,theuseoflightmetertomeasurethelightinthegreenhousesisveryimportant.

Inordertosolvethisproblem，thispapercompletedthedesignofthehardwarecircuitandsoftwareprogramaboutthelightreal-timedetectionandcontrolsystemingreenhousebyadoptingthePWMdimmingtechnology,hadrunthesimulationwithProteus,andmadeaphysicalmodel.Bytestingthissystem,thetestresultsshowthatthesystemrunsstablyandhighmeasuringaccuracy.Itnotonlyhasrealizedtherequirementsofmeasuringlightingreenhouses,butalsocanprocesstheeffectivemonitoringoflightinsidethegreenhouse.

Keywordsgreenhouse；

illuminancedetection；

illuminancecontrol；

STC89C52；

PWM

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

农业是国家重要的支柱产业之一，我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国经济建设和社会发展中占有举足轻重的地位。

良好的气候与生态环境条件是农业发展的重要保障，而我国幅员辽阔，气候和生态环境条件相对恶劣，制约了农业的发展。

温室技术的出现为农作物的生长提供了适宜的生长环境，提高了农作物的产量，促进了农业的高效持续发展。

温室是一种可以为植物的生长创造最佳条件的场所，它可以改变植物的生长环境，使植物免受外界恶劣气候的干扰。

它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜农作物生长的季节栽培作物。

建造温室的目的就是为了创造出一个人工气象环境。

在这个环境中，我们可以模拟出适于作物生长的气候条件，消除那些对作物生长不利的影响。

没有了外界气候的制约，作物便能快速生长，这样就能缩短生长周期，提高产量，以此来获得可观的经济效益。

温室技术是利用温度、湿度、光照度、CO2等传感器来获取各项环境信息，并通过微控制器对数据进行分析、处理，同时根据作物生长的规律和特点，对温室的温度管理系统、光照管理系统等设施实施控制，来改善作物生长的环境条件，创造出适合其生长的环境条件，从而达到提高产量和质量，进行大规模生产的目的。

相比于国内，国外的温室生产要早很多，在作物产量、生产技术和管理水平上都比国内要高很多。

但国外的温室构架和控制管理，适应当地的地理环境，不能完全适应我国的情况。

我国地域广阔，南北气候差异大，导致各地温室构架和控制也不一致。

由于起步较晚，发展时间短的原因，我国温室技术的现代化管理水平不高，而且在温室环境监测和控制技术方面也急需改进。

如何将先进的测控技术和温室环境因子测控有机结合起来，是温室研究的一个重要方面。

本课题就是在这样的大背景下提出来的。

光照是农作物生长发育的关键条件之一，也是温室环境因子中的一个重要因素，直接影响农作物的产量和品质。

对温室作物来讲，光照主要有两个方面的作用：

一是利用光合作用为作物提供能量，二是为温室的微型气候环境来提供能量。

但是如果光照过强，会促进水分的蒸发，严重的话将会灼伤叶面，而光照过弱的话，将不利于植物的光合作用，不能使作物有效的生长。

因而，对光照进行实时的检测和监控就变得非常的重要。

近几年，随着我国从传统农业向高产、高效、优质的现代化农业不断迈进，对温室大棚中光照度的检测要求也越来越高，其应用领域也在不断扩大。

但是，目前绝大多数用于温室大棚的光照检测仪器十分简易，在使用时却需要操作人员根据具体的光照情况手动操作。

这不仅给检测带来了很多不便，而且不能很好地适应现代化、数字化测量控制系统对传感器的需求。

因此，将研究新型自动化光照检测及控制技术作为现代温室研究项目的核心之一，运用于现代农业生产之中，具有其独特的学术和实用意义。

1.2国外研究现状

国外对温室大棚光照测控技术研究较早，始于20世纪50年代。

最早出现的是使用模拟式的组合仪表在现场进行环境信息的采集，然后进行指示、记录和控制。

到了80年代末，分布式控制系统开始出现。

现如今，利用计算机进行多线路多因子综合采集和控制的系统也在进行开发和研制。

如今，温室测控技术在世界各国都在快速发展，并且一些国家已经实现自动化，并朝着全自动化的方向迈进。

以园艺著称的荷兰，依靠先进的鲜花生产技术闻名于世，安放在玻璃温室中的测控系统全部交由计算机操作。

由英国伦敦大学农学院研制出的温室计算机遥控技术，可检测50km以外的温室大棚内的温度、湿度、光照度和二氧化碳等环境状况，并进行遥控。

采用差温管理技术的美国，对果蔬、花卉等作物的开花和成熟期进行控制，从而来满足市场的需求。

韩国在温室内设置了光照控制等自动化装置，希望以此来扩大生产规模并降低生产成本，但由于部分自动化装置依然需要工作人员根据经验进行手动控制，因而没能充分地发挥出它们的作用。

目前，走在现代温室高产农业发展前列的是以色列，其先进的一体化智能光照控制温室、配套的监控系统软件平台以及相关设备均处在世界先进水平，这在极大程度上弥补了他们在农业资源、气候环境方面的先天不足。

1.3国内研究现状

早在2000多年前，我国就已经开始用恰当的保护措施（温室的雏形）来栽培作物，可以说我国是温室栽培起源最早的国家。

但至20世纪60年代，我国的温室生产一直徘徊在小规模、低水平、发展速度缓慢的状态。

1979年至1994年，我国引入了一系列国外现代化温室系统来进行实验研究，如灌溉系统、加温系统、监测与集中控制系统等，揭开了国内现代化温室的生产、研究和普及的帷幕。

但是由于在引入时仅仅注重了温室设备的引进，却忽略了温室的栽培技术和管理技术。

并且引入的温室能耗过高，最终导致了企业的亏损和停产。

到了90年代初，我国大型温室跌入谷底。

“九五”期间，北京中以示范农场建立，它采用进口自以色列的温室技术，这有力地推动了我国现代化温室的快速发展。

到了90年代后期，研究了国外温室设备的配置和温室栽培技术后，我国开始自主研发一些温室环境控制系统。

1995年，“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”由北京农业大学成功研制出。

此系统属于小型分布式数据采集控制系统，包含了温湿度、光照、灌溉等子系统。

1996年，江苏理工大学研制出了基于工控机的温室自动控制系统。

该系统可以利用传感器来对温室中的温度、湿度、光照度、和二氧化碳等进行测量，并分别进行控制，是一个多变量输入输出系统。

2009年河北农业大学阎昭、刘淑霞等设计了适用于温室大棚的一种基于USB接口的光照度记录仪，发表了相关论文并申请了专利。

在该系统中，USB接口芯片与单片机相连，通过USB接口实现单片机与PC机之间的数据通讯。

该光照度记录仪不但能够实时测量温室内光照度，而且能够插入U盘记录数据实现与PC机之间的数据通信。

此外还有很多高等院校和科研院都在进行温室测控系统的相关研究。

这些都预示着温室测控技术在我国的强劲发展势头。

自上世纪70年代以来，我国加强了对温室中光照、温度、湿度等环境因子的测控技术进行了研究，提高了研究水平，取得了一定的成就。

由于温室是一个非线性、多变量的动态系统，为了给作物提供适宜的环境，这就需要更高的温室环境检测和控制技术。

国内农业现代化水平较低，温室的一次性投资大，可使用的相关技术较少，以及对操作人员的技术要求比较高等因素，限制了温室测控技术在我国现代化农业中的发展。

1.4本设计主要内容

本设计以温室中光照度的实时检测及控制为研究方向，分析了数据采集方式和调光方式的各项方案，最终确定了合适的方案，设计了一套以STC89C52单片机为基础的控制电路，用光敏电阻进行光照度信息的采集，通过A/D转换器进行数模转换，将数字信号传递给单片机，经由单片机处理后，使用数码管进行实时显示，并根据采集的光照度数据，采用PWM技术进行调光来控制灯的亮度，从而实现自动调光。

此外，可利用按键进行手动设置光照度参考值来实现目标光照度。

本文主要内容如下：

第1章主要介绍温室中光照度检测及控制技术的研究背景，其在国内外的发展状况等，为本设计的实现提供了理论依据。

第2章主要介绍了光照度传感器的选择及调光方案的选择，分析了各种方案的优缺点，并最终确定了本设计所采用的方案。

第3章主要介绍了本设计中系统的硬件电路设计，从元件选型到原理图的绘制，完成了本系统的硬件电路图。

第4章主要介绍了程序的编写编译和系统仿真，并对仿真结果进行了详细分析。

2方案分析

2.1光照传感器的方案分析

本系统要利用光照度传感器来进行光照度信号的采集，只有在此信号的基础上才能进行后续的进一步处理，因此有必要对光照度传感器的选择进行讨论。

方案一：

光敏电阻器

光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成。

当特定波长的光照射到其表面时，晶体内载流子增加，电导率增加。

光敏电阻器即是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。

入射光强时，电阻减小，入射光弱时，电阻增大。

光敏电阻器的优点在于：

其内部的光电效应和电极无关，可以使用直流电源。

光敏电阻器一般用于测光、光控和光电转换。

光敏电阻器广泛应用于自动照明灯控制电路、LED亮度自动调节电路及各种测量仪器中。

方案二：

光敏二极管

光敏二极管利用了半导体的光生伏特效应原理，将光能转换为电能。

光敏二极管的种类很多，不同种类的光敏二极管，其特性也不尽相同。

光敏二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低；

缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路。

适用于通讯及光电控制等电路。

方案三：

光敏晶体管

光敏晶体管的优点是测光范围最广、响应特性良好、利用价值高。

其缺点是输出电压较小，几乎不单个使用，一般要与放大器组合使用。

综上所述，在满足需求的情况下，方案一中的光敏电阻器将是合理的选择。

故本设计中采用光敏电阻器作为光照度传感器。

2.2调光方式的方案分析

对于调光方案来说，目前流行的有模拟调光、可控硅（TRAIC）调光和脉冲宽度调制（PWM）调光三种方案。

每种调光方案都有不同的应用场合及优缺点，那么选择一种合理的、高效的调光方式进行环境调光对于该系统来说是非常重要的。

下面将对这三种调光方案进行展开讨论：

模拟调光

模拟调光是通过改变流过灯的电流大小，从而改变灯的发光亮度。

通常有两种方法实现模拟调光：

一种是通过改变与灯串联的限流电阻Rs的大小，来达到改变电流的目的；

还有一种方法是利用控制芯片自带的模拟调光引脚。

通过改变引脚上的电压值，来改变输出电流的大小，从而来调节灯的亮度。

模拟调光的缺点是驱动器的转换效率会随着输出电流的减小而降低，这将会导致整个系统功耗的增大。

并且采用模拟调光时，色温与电流有着一定的函数关系，会随着电流的改变而改变。

如果需要使灯的颜色不产生偏差的话，就不能采用模拟调光方式。

可控硅调光

按照目前业界的设计标准，三端双向可控硅（TRIAC）调光器连接的都是电阻负载，如果利用传统三端双向可控硅调光器控制灯的亮度，调控效果将无法达到最佳状态。

而采用可控硅调光会主要产生问题有：

灯会产生100Hz/120Hz的闪烁，无法达到0-100%调光，如果要去除闪烁需加额外的虚拟负载电路，这将使驱动器整体效率降低。

PWM调光

PWM调光是基于人眼对于亮度闪烁不够敏感的特性，使灯时亮时暗。

如果亮暗的频率超过100Hz，则人眼看到的是平均亮度，而不再是灯的闪烁。

PWM调光通过调整负载亮暗的时间比例来调整亮度，即通过改变PWM信号的占空比来实现调光。

PWM调光原理是通过控制灯的工作与不工作，从而控制流过灯的电流，使电流在设定的最大直流电流Imax与零电流之间工作。

当PWM信号的占空比为D时，流过灯的平均电流为：

Iled=DImax。

由此可知，当Imax一定时，流过灯的平均电流与PWM信号的占空比D成正比。

同时，灯的亮度与流过灯的电流成比例，因此，调节PWM信号的占空比，即可调节灯的亮度。

从以上分析可以看出，最好的调光方案应该是PWM调光。

选择PWM调光的主要依据如下：

（1）PWM调光的调光范围能够从零到最大亮度，并且不会出现闪烁现象；

（2）PWM调光效率更高；

（3）在整个调光范围内，LED的颜色能够保持一致。

3硬件设计

3.1硬件选型及电路设计

本设计采用光敏电阻来采集光照度信号，采集到的信号经A/D转换电路后送到STC89C52单片机中进行处理。

经过处理后的信号会送给数码管显示出来，此即为当前光照度信息。

另外单片机会将该光照度信息与系统设定值进行比较，根据比较结果来控制LED灯进行补光或减光操作。

硬件电路框图如图3.1所示。

图3.1系统硬件电路框图

3.1.1单片机

本设计采用STC89C52单片机作为主控芯片。

它拥有8K可编程Flash存储器，512Byte的RAM，4组8位的I/O接口和三个定时器，完全满足本设计的需求。

并且功耗低、价格便宜也是其作为产品的一大优势。

P0口是八位双向I/O口，可被作为低8位地址/数据复用端口。

P1口是八位双向I/O口，主要作为通用I/O使用。

P2口是八位双向I/O口，可被作为高8位地址端口来访问外部数据存储器。

P3口是八位双向I/O口，除了作为通用I/O口使用外，主要是使用其第二功能。

图3.2是该单片机硬件原理图。

图3.2单片机硬件原理图

3.1.2晶振电路

晶振对系统的运行时不可或缺的，由它来提供时钟信号来使单片机正常工作。

由于石英晶振具有非常好的频率稳定性和抗干扰能力，所以常用其来产生基准频率。

通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。

同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。

如图3.3是单片机的晶振电路。

片内电路与片外器件构成一个时钟产生电路，片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，常在1.2MHz～24MHz之间选取。

C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。

本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。

图3.3晶振电路硬件原理图

3.1.3复位电路

复位电路的主要功能是使单片机进行初始化。

在复位引脚加上大于2个机器周期的高电平即可对单片机进行复位。

复位按键按下后，需要经一定的延时后才能撤销复位信号。

因此，为了防止在按键过程中产生抖动而影响复位，利用RC复位电路即可解决此问题。

原理图如图3.4所示。

图3.4复位电路硬件原理图

3.1.4光照度传感器电路

光照度传感器电路的功能是对外界的光照度进行感知，采集到当前环境中光照度值。

该值为模拟量，可以经A/D转换电路处理成数字量后被单片机读取，单片机将以此作为下一步动作的依据。

其本质是光照度传感器在接受不同光照度照射时，其电阻值会发生变化，，外围电路可以把其电阻值的变化转变为电压信号，供后续电路来使用。

如图3.5所示，在此原理图中，将用滑动变阻器代替光照度传感器。

图3.5光照传感器硬件原理图

3.1.5A/D转换电路

A/D转换电路是采用A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号。

由光照度传感器获得的信号为模拟量，而单片机是采用布尔变量进行工作的，不能识别模拟量，因此，只能将模拟量转换为单片机能够识别的数字量，单片机才能处理，A/D转换电路正是起着这一关键作用。

在本设计中采用ADC0809芯片作为A/D转换器。

ADC0809是一个8位逐次逼近式模数转换器，其原理图如图3.6所示。

图3.6A/D转换电路硬件原理图

3.1.6按键电路

按键电路是人机交互中的输入端，用户可以通过按键设定所需参数。

在本设计中，共有四个按键，分别为复位、设置、加、减。

复位键使得在按键被按下后单片机可以进行复位。

设置键可以让用户对光照度预设值进行设置，正常模式下，数码管显示当前环境的实时光照度，按下设置键后，则进入到设置预设值状态，此时可以对预设值进行设置。

加、减键可以在设置预设值状态时增加或减少预设值的数值来设定参数。

原理图如图3.7所示

图3.7按键电路硬件原理图

3.1.7显示电路

显示电路是人机交互中的输出端，用户可以从这里获得所需参数。

本设计采用的显示电路为四个8段LED数码管。

LED数码管相比于LCD液晶屏来说，其显示效果更直观，并且受反光的影响较小，在较强光下LCD可能看不清显示内容，而在这种情况下LED数码管的显示效果则好得多。

在本设计中，LED数码管负责显示经单片机处理后的环境实时光照度以及手动设置的预设值。

原理图如图3.8所示

图3.8数码管硬件原理图

3.1.8调光电路

调光电路是本系统中的被控部分。

当单片机判断当前环境光照度低于预设值时，增加调光电路中灯的亮度；

当单片机判断当前环境光照度高于预设值时，减小调光电路中灯的亮度。

在这里用LED来模拟实际的调光灯，采用三极管来驱动LED。

原理图如图3.9所示。

图3.9调光电路硬件原理图

3.2版图设计

本设计采用AltiumDesigner这款软件来进行硬件原理图的绘制。

该软件内置大量元件模型，使用时只需找到所需元件即可进行调用。

还可对元件各项参数进行更改，使其满足所需。

根据上述的电路设计思路，用Altiumdesigner绘制出了完整的电路图。

总体硬件原理图如图3.10所示。

图3.10总体硬件原理图

4软件设计

4.1软件流程图

系统软件流程图如图4.1所示。

程序进入主函数后，进行各项参数的初始化，其中会设定一个默认的光照度参考值，如果之后不用设置按键进行修改，则程序将会以此设定值进行比较。

模数转换器将不停的采集光照传感器的数据，程序会将此采集的数据与设定值进行比较。

如果该采集值大于系统设定的阈值，说明外界环境的光照强度过大，此时将直接关闭PWM输出，使灯熄灭。

如果采集值在阈值以下，则将其与设定值进行比较，如果大于设定值，说明外界光照强度大于所需，这时PWM将减小占空比输出，使得灯的亮度变暗；

如果小于设定值，说明外界光照强度小于所需，这时PWM将增大占空比输出，使得灯的亮度变亮。

图4.1系统软件流程图

4.2程序调试

STC89C52单片机采用C语言作为编程语言，方便编写。

我使用Keil软件来对程序进行编写和编译。

Keil里面针对C语言具有对不同部分和关键词用不同颜色来区分的功能，因此在视觉方面对代码的编写很方便。

并且代码编写完成后，可以直接进行编译，生成hex文件来下载到单片机中。

如图4.2，打开Keil程序后，需要新建工程，之后要选择所使用的单片机型号。

这里我们直接选择STC89C52即可，确定后就新建了一个工程了。

在左侧的工程里添加C语言文件，并保存，之后就可以在这个文件中编写源程序了。

图4.2Keil新建工程时选择单片机型号

程序编写完成后，先及时保存，防止丢失。

点击编译按钮，Keil将对源程序进行编译，并会在下边显示出编译结果。

如果程序有错误，下面就会显示出错误类型和位置，双击报错的那一行即可定位到源程序出现错误的位置。

对源程序进行修改后，再次编译，直至编译后不再报错为止。

当源程序没有问题后，点击目标工具选项按钮，找到输出选项卡，把“生成HEX文件”的前面勾上，确定后再次进行编译，则在工程文件夹里就生成了一个以hex为后缀名的文件。

单片机不能识别C语言程序本身，只能通过编译器编译成hex文件，把hex文件载入单片机才能使单片机正常运行。

如图4.3，程序编译完成后显示错误数为0。

图4.3编译程序

4.3仿真分析

确定了方案、画出了电路图、写出了程序之后，就需要来验证本设计方案是否可行。

因此，我用Proteus软件来进行仿真。

Proteus软件是一个专业的电路设计仿真软件。

利用此软件可以搭建电路系统，丰富的元件库足够满足本设计所需，使用时只需要选定需要的元件，在绘图区域点击鼠标，元件便能出现在绘图区域。

在该软件中，我们不仅可以对元件进行参数的调整，还可以更改其文字标识，方便我们识别。

如图4.4所示，根据硬件原理图，搭建出本系统的电路仿真图。

其中光敏电阻用滑动变阻器代替。

由于Proteus元件库里没有STC89C52芯片，在此选用和其功能一样的另一公司生产的同类型单片机AT89C52，这并不会对仿真的结果造成任何影响。

为了更直观地显示调光结果，在输出端接上示波器，这样就可以