大棚温度和湿度自动控制器

无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 1 大棚温度和湿度自动控制器 摘要： 现代对蔬菜大棚管理中，对大棚温度和湿度要求比较高。 本电路可以 根据温度和湿度的变化自动控制加热和通风器件工作，达到大棚温湿度稳定在某一范围， 而且成本又低。 关键词： 自动控制、大棚温湿度 1 引言 温室对现在的人们来说，已经算是个非常熟悉的名词了。温室技术最早产生于第二次世界大战期间，当时主要用来解决驻守荒岛士兵的蔬菜等食品的补给问题。那时人们还没意识到温室技术的重要性，拥有温室的国家和温室的面积还都很少。但慢慢地由于温室给这些国家带来的丰厚利润和经济收益，使他们看到了建 造更多温室的可行性，因而他们开始大力投入温室建造和温室技术的研发。在这方面荷兰做的是最好的，它的温室技术和温室建造面积方面，都可以说是数一数二的。而且荷兰是最早将计算机作为温室环境控制系统的核心部分出现在荷兰及世界市场上。 我国作为一个农业大国，温室技术的发展缺比较晚、与国外的技术相比有很大差距。这主要是我国温室技术兴起的比较晚的缘故，为了提高这方面的技术，在自 70 年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了不下 40 套的现代化温室成套设备，虽然引进的这些温室设备技术领先、设备先进，但在我国的使 用过程中还存在着较为严重问题，主要是由于我国自然气候的特点和引进的设备不能相符合，导致设备不能发挥起作用，加上设备的可改动性不大，因而很难达到设备对温室内温度、湿度、等的合理控制。经过多年来的研究和实验，我国的温室大棚技术发展到现在，已经形成了比较完整和全面的体系。但在某些方面还有欠缺和需要改进地方，譬如说对温室中温度因子采用的控制，控制水平、控制精度以及控制稳定性方面都有待于进一步的提高。 基于以上对我国温室大棚技术的分析，本课题针对当前温室大棚温度控制不稳定的状况，设计出一种集温度、 湿度 检测、控制、报 警于一体的适合广大温室的微型控制系统。 2 方案论证 2.1 方案一 如图 1 所示： 电源经分压后供给温度检测电路和湿度检测电路。温度检测电路：当大棚内温度大于正常温度，报警器报警， 通风设备 工 作 ；当温度小于正常温度，则进行加热。湿度检测电路：当湿度小于正常湿度时， 则喷灌装置工作 。温湿度正常，各检测电路不运作 。 2.2 方案二 传统的温度 湿度 控制是在温室大棚内部悬挂温度计 和湿度计 ，通过读取温度 和湿度值来知道大棚内的实际温度 和湿度 ，然后根据现有温度 和湿度 与额定 的 温度 和湿度 进行比较，看温度是否过高或过低，如果过高，就 对大棚进行降温处理，如果过低就对大棚进行升温 ；看湿度是否过高或过低， 若湿度低于 50%，则喷灌装置工作 ； 若湿度达到或超过 70%，喷灌装置停止工作。 这些操作都是在人工情况下进行的，这些都浪费了大量的人力物力，对于大棚数量很多来说，是面临的一个难题。现在，随着农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。 论证 :方案一采用了先进的技术能自动迅速准确的自动进行温湿度调节，而方案二需要人时时的观察，浪费了大量的人力，调节速度缓慢，精确度不高。所以 选取方案一。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 2 3 各电路设计和论证 3.1温度 检测 电路设计和论证 3.1.1 方案一 温度检测电路 由 电阻器 R7 R11、 Rl7 R21、温度传感器 (热敏电阻器 )RT1、 RT2、电位器 RP1、 RP2 和运算放大集成电路 IC3(N1 N4)组成。 详情见图 2。 该电路利用热敏电阻在不同的温度环境下有不同的阻值的特性。将热敏电阻放置在大棚的几个关键点，如四个角、中央、门旁。当外界温度变化超过规定范围时，电路动作，实现温控。 IC3(N1、 N2、 N3、 N4)为单电源工作的四电压比较器。 R7、 R8 分压后产生的 +25.8V 电压，作为温度异常报警电路上限温度的基准电压 ；R1O、 R11 和 RP1 分压后产生的 +2OV 电压，作为温度异常报警电路下限温度的基准电压。电源 温度检测电路 湿度检测电路 温度 正常温度 换气启动 加热启动 自动浇水 温度 U1时，运放 A1输出高电平；当 Ui U2，则当输入电压 Ui 越出 U2， U1区间范围时， LED 点亮，这便是一个电压双限指示器。 若选择 U2 U1，则当输入电压在 U2， U1区间范围时， LED 点亮，这是一个“窗口”电压指示器。 RP3 RP4 用来调节双向晶闸管的跳变电压。 R23 和 RP4 的选取遵循以下公式： R23-3RP4=0, R23和 RP4的取值范围为 1 20K,在这里我们 R23和 RP4分别选择 10K 和4K的电阻 。 R22 和 RP3 的选取和 R23和 RP4的选取是一样的。 3.2.2 方案二 在 图 14 的 B,C 点分别加入加 热，通风装置。由下图可知当温度过低时 非门 D4将输出低电平， B端加热装置启动， VL3点亮 。 由图 14 可知当温度过高时 非门 D6 将输出低电平， C 端通风装置启动， VL4 点亮 。 加热装置可用壁挂式电热毯或电炉子，换气装置可选用换气扇。 其原理和使用的设备和方案一一致。 论证：使用的装置一致。 3.3温度 异常 报警电路设计和论证 3.3.1 方案一 如图 15 所示： 温度异常报警电路由电阻器 Rl2 R16、 R37 R44、电容器 Cl5 C23、二极管 VD5、 VD6、稳压二极管 VS、时基集成电路 IC6、功率放大集成电路 IC7 和扬声器BL组成。 图 13 比较器 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 14 当大棚内温度超过 30 或低于 l5 时， VS 两端将产生 l2V 直流电压，使 IC6 与外围阻容元件组成的振荡器振荡工作， IC6 第 3 脚输出的振荡信号经 IC7 放大后，驱动 BL发出报警声。 R12 R16、 R37 R44选用 1/4W 碳膜电阻器或金属膜电阻器 ； C15 C18选用涤纶电容器或独石电容器 ； C19 C22 均选用耐压值为 16V 的铝电解电容器 ； C23 选用 CBB 电容器 ;VD5 VD6均选用 IN4007 型硅整流二极管 ； VS 选用 1/2W、 12V 的硅稳压二极管 ； IC6均选用 NE555时基集成电路 。 图 14 方案二的 电路图 图 15 温度异常报警电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 15 如图 16 所示： NE555 内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个 RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。 图 17是它的引脚图。 Pin 1 (接地 ) -地线 (或共同接地 ) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点 ) -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于 2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (输出 ) -当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比电源电压少 1.7伏的高电位。周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约 200 mA 。 Pin 4 (重置 ) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制 ) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下 ,这输入能用来改变或调整输出频率。 图 16 NE555 电路内部方框图 图 17 NE555 电路引脚图 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 16 Pin 6 (重置锁定 ) - Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电 压从1/3 VCC 电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电 ) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为 LOW，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是 555 个计时器 IC 的正电源电压端。供应电压的范围是 +4.5伏特 (最小值 )至 +16 伏特 (最大值 )。 IC7、 R42 和 R43 形成一个反相比例放大电路，更改 R42 和 R43 的值即可改变输出。根据 IC7 的功率放大要求，选取 R42 为 680 ， R43 为 22K。注意：电阻 的选取后的电压不能超过 20V，电流不能超过 4A。 IC7 选用 TDA2040 型音频功放集成电路 TDA2040 具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压 40V 的话，那么在 5 脚与电源之间必须插入 LC 滤波器，以保证 5 脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。 TDA2040是德律风根生产的音频功放电路，采用 V型 5 脚单列直插式塑料封装结构。如图 1所示，按引脚的形状引可分为 H 型和 V 型。该集成电路在 32V 电源电压下， RL=4时可获得 22W 的输出功率。广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率 大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利 SGS 公司、美国 RCA公司、日本日立公司、 NEC 公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。 图 18 是它的内部方框图。 图 18 TDA2040 的内部方框图 电路特点： 1.单列 5 脚直插塑料封装，仅 5 只 引脚。 2.外接元件非常少。 3.输出功率大， Po=22W(RL=4) 。 4.采用超小型封装（ TO-220） ,可提高组装密度。 5.开机冲击极小。 注意事项： TDA2040 具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压 40V 的话，那么在 5 脚与电源之间必须插入 LC 滤波器，以保证 5 脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。 热保护：限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 17 与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况， Po和 Io 就被减少。 印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。 装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过 260 ，12秒。 TDA2040 极限参数 详见表 3。 表 3 TDA2040 极限参数 参数名称 极限值 单位 电源电压 (Vs) 20 V 输入电压 (Vin) Vs V 差分输入电压 (V) 15 V 峰值输出电流 (Io) 4 A 耗散功率 (V) 25 V 工作结温 -40-+150 存储结温 -40-+150 BL 选用 4 、 2 5W 的电动式扬声器。 围绕着 IC6 构成了一个振荡电路。用来产生约 200Hz 的振荡波。基于公式 T=0.693（ RP8+2R37） C，假设我们电容采用 0.22uF， R37 和 RP8 的选取遵循以下公式： RP8+2R37=6.6,R37 和 RP8的选取范围为 0.1 5K。 3.3.2 方案二 如图 19 所示： 声音报警电路由电阻器 R5、 R6、电容器 C、晶体管 V1 V3 和扬声器BL组成。 温 度偏高，超过温度的上限值时，非门 D6 将输出低电平，使 VL4 点亮，声音报警电路工作， BL发出报警声。 当棚内温度偏低，低于温度的下限值时，非门 D4 将输出低电平，使 VL3 点亮，声音报警电路工作， BL 发出报警声。 R5 R6 选用 1/4W 金属膜电阻器或碳膜电阻器 ； C 选用瓷介电容器或玻璃釉电容器 ；V1 选用 S9012 或 3CG21 型硅 PNP 晶体管 ； V2 选用 S9011 或 3DG6 型硅 NPN 晶体管 ； V3选用 S8550 或 3CC8550 型硅 PNP 晶体管 ； BL选用 0.25W、 8 的电动式扬声器。 V1、 V2图 19 温度异常报警电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 18 和 V3 组成一个开关电路。 论证：方案二的电路比方案一简单，方案二考虑的详细，准确度上比方案二高。 3.4自 动浇水电路设计和论证 3.4.1 方案一 图 20是自动浇水电路的电路图，它 由两部分组成： 湿度检测 /喷灌控制电路 。它们由湿敏电阻器 RS1、 RS2、电阻器 R24 R36、 R45、 R46、电容器 C11 C14、电位器 RP5RP7、二极管 VD7、 VD8、晶体管 V1 V4、时基集成电路 IC4、运算放大集成电路 IC5(N5、N6、和继电器 K 等组成。 IC4 和外围阻容元件组成低频振荡器。该振荡器工作后，从 IC4 的 3 脚输出频率为2OOHz 左右的振荡信号，为湿敏电阻器 RS1、 RS2 和 lC5 提供工作条件 (湿敏电阻器通常工 作在频率低于 lkHz 的交流状态下 )。在大棚内湿度低于 50%时， N6 输出的振荡信号电压较高，该电压经 VD7 和 VD8 检波变成直流电压，使 V1导通， V2 和 V3截止， V4 导通，K吸合，其常开触头将电磁水阀 YV 的工作电源接通，喷灌设施开始喷灌。当大棚内湿度高于 70%时， N6 输出的振荡信号电压较低，使 V1截止， V2 和 V3导通， V4 截止， K释放，电磁水阀 YV 断电停止喷灌。 RS1 和 RS2 均用两块不锈钢片在中间夹一塑料板 (或玻璃片 )制成 ； 电阻器 R24R36、 R45、 R46 选用 1/4W 碳膜电阻器或金属膜电阻器 ； C11、 C14 选用耐压值为 l6V 的铝电解电容器 ； Cl2 和 C13 均选用低频瓷介电容器 ； 电位器 RP5 RP7 选用小型有机实心电位器 ； 二极管 VD7、 VD8 选用 IN4007 管 ； 晶体 管 V1 选用 SG001 或 3DG9O1 型硅 NPN 晶体管 ； V2 和 V3 选用 SG014 或 3DG6 型硅 NPN 晶体管 ； V4选用 SPO13 或 C8050、 S8050、3DGl2 型硅 NPN 晶体管。时基集成电路 IC4 选用 NE555 时基集成电路 。 运算放大集成电路 IC5(N5、 N6) 选用 LM324 型运放集成电路和继电器 K 等组成。 围绕着 IC4 的器件和 N4 构成了一 个振荡电路。由于湿敏电阻大都工作在交流状态图 20 湿测 +自动供水电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 19 下，而且要求频率不能超过 1kHz，所以用荡电路来产生约 200Hz 的振荡波。基于公式T=0.693（ RP5+2R45） C，假设我们电容采用 2.2u，我们可以算出 RP5 和 R37 的取值范围。R45 和 RP5 的选取遵循以下公式： RP5+2R45=6.6,R45 和 RP5的选取范围为 0.1 5K。 R45和 RP5我们选取阻值分别为 1K 和 2K的电阻。 围绕着 N6 的器件和 N6 构成了一个负反馈电路iio uuRRu 2724， R24 和 R25 的 关系是 1:1，它们的取值范围为 1K 50K,在这里我们选取它们的阻值都为 10K。 输出的振荡波在滑动变阻器 RP6 调制下，使 A 的有效输出保持在 2V左右。电容 C12、C13 、 C14 隔直流通交流。二极管 VD7、 VD8 隔断低于 1V 以下的振荡波，并防止电流倒灌。其他电阻起到限流的作用。 V3 和 V4 构成射极耦合双稳态电路 。 图 21 为射极耦合电路。它也是由两级反相器组成的正反馈电路，第一级到第二级采用集基耦合，第二级到第一级是通过射极电阻 Re 耦合。通常用射极耦合双稳态电路做整形电路，脉冲幅度甄别电路 ，示波器用它做闸门信号源等，它依靠输入幅度进行转态。 工作原理：设输入 ui如图 21（ b）示，当 ui=0 时，电路处于 BG1 截止， BG2 导通的稳定状态。这时输出电压为： uo=u2=Ec-(ue2/Re)Rc2 当 ui=up2=uc2+0.5 伏（硅管由截止进入放大的阀门电压），称 up2 为动作电压，则电路在 ui 作用下，产生下述正反馈过程： 这种雪崩式反应，瞬间使 BG1 导通， BG2 截止。因 ic1 ic2，所以当 ui 回到 Up2值时，电路仍不转变，只有当 ui=up1(释放电平）时，由于 BG1 退出饱和，又产生下述正反馈过程： 图 21 射极耦合双稳态电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 20 瞬间使 BG1 截止、 BG2 导通，以后就按上述过程周而复始进行，所以把幅度不规则的输入波形整形为等幅的矩形波。两次翻转电平不相等的现象，称为回差现象，回差量up2 -up1。回差量是否需要量多少？应由具全情况而定。 3.4.2 方案二 自动浇水电路由两部分组成： 湿度检测电路 ， 喷灌 器组成。 如图 22 所示。 湿度 检 测电路由电阻器 R1、电位器 RP1、 RP2、非门集成电路 IC(DI D6)内部的非门 D1 D3和发光二极管 VL1、 VL2 组成。 大棚内 湿度适宜 (湿度在 RP1设定的湿度上限值与 RP2设定的湿度下限值之间 )时，非门 D1 和 D3均输出高电平， VL1 和 VL2 不发光，声音报警电路不工作， BL 不发声。 当 棚内 的湿度过大 (湿度大于 RP1 设定的湿度上限值 )时，非门 D2 将输出高电平，使非门 D3 输出低电平， 喷头工作开始自动灌水， 发光二极管 VL2 点亮，指示土壤的湿度过大 ； 同时声音报警电路工作， BL发出报警声。 当 棚内 过干 (湿度小于 RP2 设定的湿度 下限值 )时，非门 D1 将输出低电平，使 VL1点亮，指示土壤的湿度过小 ； 同时声音报警电路工作， BL 发出报警声。 R1 选用 1/4W 金属膜电阻器或碳膜电阻器 ； RP1 RP2 均选用有机实心电位器 ； IC选用 CD4069 或 CC4069、 MCl4069 型六非门集成电路 。 VL1、 VL2均 选用 3mm 的高亮度发光二极管 ； VL1为绿色， VL2 为红色。 R1、 RP1 和 RP2 的选取遵循以下公式 :7R1=RP1=RP2, R1、 RP1 和 RP2 的选取范围为50 100K。 R1、 RP1 和 RP2 选取阻值分别为 68K、 470K 和 470K 的电 阻。 图 22 湿度检测电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 21 3.5电源电路设计和论证 3.5.1 方案一 图 23 是用三端式稳压器 7812 构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品 。 选择二极管： 变压器的二次电压有效值为： VUU 5.37)2.145(2.1 02 流过二极管电流的平均值为： AAII AVOAVV 2.0)2 4.0(2 )()( 二极管承受的最大反向电压为： VVUUR 53