植物生长环境测控系统的设计.doc

植物生长环境测控系统的设计.doc

《植物生长环境测控系统的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物生长环境测控系统的设计.doc（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

目录

第1章绪论1

1.1选题的背景及其研究意义1

1.2.1国外研究现状2

1.2.2国内发展现状2

1.3课题的主要内容及研究意义3

1.3.1本论文的主要内容3

1.3.2本论文研究的意义3

第2章研究方案的设计5

2.1温室大棚内重要参数的调节与控制5

2.1.1温湿度的调节与控制5

2.1.2二氧化碳含量的调节与控制6

2.1.3光照度的调节与控制7

2.1.4土壤湿度的调节和控制7

2.2系统总体方案的设计8

2.2.1总体方案设计8

2.3本章小结9

第3章硬件设计10

3.1微控制器概述10

3.2空气温湿度的处理与采集12

3.2.1温湿度传感器12

3.2.2空气的温湿度设计13

3.3土壤湿度模块14

3.4二氧化碳浓度测控模块16

3.5　光照度测控模块17

3.6通信模块18

3.7报警模块19

3.8本章小结20

第4章　测控系统的软件设计21

4.1PID控制算法21

4.2系统下位机主程序流程图的设计22

4.3基于LabVIEW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

29/30

第1章绪论

1.1选题的背景及其研究意义

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别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控制。

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、能量交换密切相关，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，控制环境条件，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，直接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，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，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控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及因为测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，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研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业项目，科学合理地调节大棚内温度、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，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别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。

因为单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。

本文提出了一种以AT89S52单片机为控制核心的测控仪，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、可靠地检测与控制而设计的。

该测控仪具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，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，所以具有一定的应用前景。

1.2.1国外研究现状

西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。

1949年，借助于项目技术的发展，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能力的基础及应用研究。

20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了西红柿生产工厂，07年代后荷兰、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控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控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.特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。

80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，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，并形成了一定的标准。

温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，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、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，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灌溉系统，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控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，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国内发展现状

我国现代温室技术起步较晚，70年代以来，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矛盾。

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、灌溉系统、监测与集中控制系统及其它附属设施）进行实验研究。

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，为我国温室的发展提供了借鉴作用。

但这些温室也存在着许多不足之处，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矛盾；

3.控制方式比较简单，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”，主要用于无土栽培实验温室，造价仍较高，且处于实验阶段;吉林工业大学研制的“温室环境自动检测系统”，仅实现了温湿度的自动测试，“智能型温室环境控制器”仅实现了温室内的喷水自动控制等。

以上产品均没有面向我国广大农村现有的100万亩传统温室的改造项目。

所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控制温湿度。

因此，以上产品的推广使用价值仍然不大。

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能力与发达国家还有一定的差距。

而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，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，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。

因此，我们应该根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课题的主要内容及研究意义

1.3.1本论文的主要内容

为适应农业发展的需要，根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控制系统，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。

本课题主要研究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CO2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本论文研究的意义

传统的方法，人们主要采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度。

但是因为温度计、湿度计精度比较低，以及人工读数的人为因素等原因，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，采用各种传感器、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、精度有了一定的提高，降低了劳动强度，但因为所采用的传感器灵敏度比较低、稳定性比较差，致使检测精度、系统可靠性还不够理想，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需要对上面提到的物理量进行精确的检测和控制。

因为现在农业上基本沿用人工的测控方法，这就不可避免的存

在着劳动强度大、繁琐、测量精度低，并且因为检测报警不及时，给农业生产和科研工作造成了一定的损失。

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准确性、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节、粮食储藏以及其它农业生产和科研领域，并且因为系统的灵活性和模块化，也可以方便地满足其它领域的需要。

第2章研究方案的设计

随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别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研究的准确性，推动我国农业的发展，迫切需要一种价格适中，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倡导“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PID控制为主要控制方式,以检测并调节空气温湿度、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节与控制

2.1.1温湿度的调节与控制

目前，温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面，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直接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，温度分布均匀，北方温室大都采用此种方式;土壤加温有酿热物加温、电热加温和水暖加温。

2.降温：

降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，必须进行人工强制降温。

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;屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，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—风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。

3.保温

保温包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。

减少贯流放热和通风换气量包括减少向温室内表表面的对流传热核辐射传热、减少覆盖材料自身的热传导散热、减少温室外表面向大气的对流和辐射传热、减少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，缩小夜间保护设施的散热面积，有利提高温室内昼夜的气温和低温:

增大地表热流量可以采用增大保护设施的透光率，且经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。

大棚内空气湿度的调节与控制，从环境调控的观点来说，空气湿度的调控，主要是防止