温室温度湿度控制

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综述

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时吃力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大,温室大棚的温度控制成为一个难题。现在，随着农业产业规模的提高，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。

为此，在现代化的蔬菜大棚管理中寻常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。它以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。该设计即是针对这一问题,设计出了能够实现温湿度自动检测,显示,上下限报警等多功能的温湿度监测控制系统。

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1.温度、湿度传感器的介绍

1.1温度传感器

温度传感器根据其工作原理、测温范围等可以分为大量种，主要有热电阻测温传感器和热电偶测温传感器。

寻常，在温度传感器的选择中应主要考虑以下因素：

(1)温度范围：具体点使用温度范围、确凿度及测量误差是否能达要求。

(2)使用场合：根据实际工作环境来选择也是重要条件，经常要考虑尺寸、保护套材料、结构、安装条件、耐垫、耐蚀、耐震，防爆等级等方面的问题。

(3)温度响应：响应速度主要由传感器的质量、材质和体积决定，接触式传感器时间常数愈小，温度响应速度就愈快。

(4)传输方式：温度信号输出模式、读取、显示、记录、控制、报警等方式的选择。

1.1.1热电阻测温传感器

热电阻温度传感器测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻温度传感器大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造。

热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类，用于测量-200-500C范围内的温度，少数状况下，低温可测至1K，高温达1000C。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。

1.1.2热电偶测温传感器

(1)热电偶温度传感器基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大

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小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。

(2)为了保证热电偶温度传感器可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：a.组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必需稳固；

b.两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

c.补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要便利可靠；

d.保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

(3)温度传感器热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶温度传感器的材料一般都比较宝贵(特别是采用贵金属时)，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，寻常采用补偿导线把热电偶温度传感器的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必需指出，热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶温度传感器的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t≠0℃时对测温的影响。

1.2湿度传感器

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

(1)湿敏电阻

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类好多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

(2)湿敏电容

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、简单实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

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2.各电路的设计和论证

2.1温度控制器

图2-1是采用555时基集成电路制作的温度控制器，它具有使用元件少、制作简单等特点，可用于热带鱼池及温室大棚等场所的温度检测与控制。

该温度控制器电路由电源电路和温度检测控制电路组成。

图2-1温度控制电路

电源电路由电源变压器T、整流二极管VDl-VD4、电阻器Rl、电源指示发光二极管VLl、滤波电容器Cl和稳压二极管VS等组成。

温度检测与控制电路由热敏电阻器RT、时基集成电路IC、电位器RPl-RP4、电阻器R2-R4、电容器C2-C4、继电器Kl、二极管VD5和发光二极管VL2组成。

交流220V电压经T降压、VDI-VD4整流、Cl滤波及VS稳压后，产生I2V(Vcc)直流电压，作为IC的工作电源。同时，将VLl点亮。

IC的6脚作为基准电压端，2脚作为温度检测控制端，3脚为控制输出端。RPl用来设定温度的下限值，RP2用来设定温度的上限值。RT的阻值随着温度的上升而下降。当监控场所的温度上升时，RT的阻值变小，使IC的2脚、6脚电压升高。当温度达到设定的上限值，IC的6脚电压将高于2Vcc/3时，3脚输出低电平，VL2熄灭，继电器K释放，其常开触头将加热器的工作电源切断，监控场所的温度又开始逐渐下降。同时亿的2脚、6脚电压也开始下降，当温度降至设定温度的下限值、IC的2脚电压低于Vcc/3时，IC的3脚又输出高电平，使VL2点亮，K吸合，其常开触头将加热器的工作电源接通。如此周而复始，使监控场所温度维持在设定的温度范围内。

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元器件选择

RPl和RP2均选用多圈高精度电位器。Rl-R4选用1/4W碳膜电阻器或金属膜电阻器,RP3和RP4均选用合成膜可变电阻器,RT选用负温度系数的热敏电阻器。C选用耐压值为25V的铝电解电容器，C2-C4选用独石电容器或涤纶电容器。VDl-VD4均选用1N4007型礁整流二极管，VD5选用1N4148型硅开关二极管，VS选用lW、l2V硅稳压二极管，VLl和VL2均选用φ5mm的发光二极管，VLI选红色，VL2选绿色。IC选用NE555时基集成电路。K选用l2V直流继电器，例如JZC-22F等型号。

2.2湿度控制器

在农业科学研究及生产过程中，均需要对湿度加以控制，例如禽蛋孵化、动物饲养、植物培植及恒温室内的湿度控制等。如图2-2介绍的湿度控制器，能在环境湿度较大时自动接通枯燥设备的工作电源，在环境湿度较小时自动接通加湿设备的工作电源，使受控场所的空气湿度稳定在设定的湿度范围。

该湿度控制器电路由电源电路、振荡器和湿度检测电路、控制电路组成。

图2-2湿度控制电路

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电源电路由电源开关S、电源变压器T、整流二极管VDl-VD4、滤波电容器Cl、C2、三端稳压集成电路ICl、限流电阻器R6和电源指示发光二极管VL3组成。

振荡器电路由电阻器Rl、R2、电容器C3和与非门集成电路IC2(Dl、D2)组成。

湿度检测电路由湿敏电阻器RS、电位器RPl、RP2、二极管VD5和电阻器R3组成。控制电路由晶体管Vl-V4、发光二极管VLl、VL2、电阻器R4、R5、电位器RP3和继电器Kl、m组成。

接通电源开关S，交流220V电压经T降压、VDl-VD4整流，Cl滤波、ICl稳压后，为振荡器、湿度检测电路和控制电路提供+9V电压。+9V电压还经R6限流后供给VL3，使

VL3点亮。振荡器通电工作后，产生频率为2.5kHz的振荡脉冲电压信号，此脉冲电压(4V左右)经RPl、RS分压及VD5整流后，经R3加至V3的基极。

RS的阻值随着湿度的变化而变化。当环境湿度变小时，RS的阻值增大，使V3基极电压上升。当V3的基极电压超过0.7V时，V3导通，使V2和Vl导通，V4截止，Kl通电吸合，其常开触头接通，加湿设备(加湿器等)通电工作;同时VLlA亮，指示加湿设备正在工作。湿度增大时，RS的阻值减小，使V3基极的电压降低。当V3基极电压低于0.7V时，V3截止，V4导通，K2通电吸合，其常开触头接通，枯燥设备(抽湿机或排风扇等)通电工作;同时VL2点亮，Vl和V2截止，Kl释放。

以上工作过程周而复始地进行，即可使受控场所的湿度达到RPl设定的湿度标准。调理RP2的阻值，可改变V3导通的灵敏度。

调理RP3的阻值，可改变VI和V2导通的灵敏度。

RS选用通用型湿敏电阻器，在湿度为30%时，其对应阻值大于或等于lOMn;湿度为50%时，其对应阻值应小于200kΩ;湿度为90%时，其对应阻值小于或等于10kΩ。

元件选择

RPl和R甩应选用小型有机实心电位器;RP3选用合成膜电位器或可变电阻器。VDl-VD4均选用1N4007型硅整流二极管，VD5选用2A凹或2APlO型锗普通二极管，VLl-VL3均选用φ3mm的高亮度发光二极管。Vl和V4选用S8050或3DGl2、C8050型硅NPN晶体管，V3选用3DG6或S9013型硅NPN晶体管，V2选用S9012或3CG2l型硅PNP晶体管。ICl选用

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LM7809或CW7809型三端稳压集成电路，IC2选用CD401l或MCl401l、CC4011型四与非门集成电路。Kl和K2均选用JRX-l3F型6V直流继电器。

2.3电源稳压电路

采用整流桥堆UR，及二极管正极和正极接在一起，负极和负极接在一起，其它的两个头接在一起，组成方形。在电源电路中我们首先通过变压器将220V降压，然后再利用整流桥堆UR对降压后的的交流电进行整流，得到一个稳定的脉冲电压，然后利用电容C1对得到的脉冲电压进行滤波，这里用到的电容滤波属于初步的滤波。

电容滤波的原理：滤波电容的作用是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压，其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放电的过程中，使输出电压基本稳定。滤波电容容量大，因此一般采用电解电容。

图2-3整流滤波电路

当U2为正半周并且数值大于电容两端电压UC时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电；当UCU2，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，UC按指数规律缓慢下降。

当U2为负半周幅值变化到恰好大于UC时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，U2再次对C充电，UC上升到U2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，UC数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。RL、C对充放电的影响电容充电时间常数为RDC，由于二极管的Rd很小，所以充电时间常数小，充电速度快；RLC为放电时间常数，由于RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，滤波效果取决于放电时间常数。电容C愈大，负载电阻RL愈大，滤波后输电压愈平滑，并且其平均值愈大。

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2.4温度、湿度超限报警器

该温度、湿度超限报警器电路由温度检测电路、湿度检测电路和报警电路组成。

图2-4温度、湿度超限报警器

温度检测电路由热敏电阻器RT（作为温度传感器）、电位器RP3、RP4和非门集成电路IC1（Dl～D6）内部的D4～D6组成。湿度检测电路由湿度检测电极a、b（作为湿度传感器）、电位器RP1、RP2、IC1内部的Dl～D3组成。报警电路由发光二极管VL1～VL4、电阻器RI～R3、晶体管V、音效集成电路IC2和扬声器BL组成。

RP1用来设定湿度下限值，RP2用来设定湿度上限值，RP3用来设定温度下限值，RP4用来设定温度上限值。当湿度在设定的湿度范围内时，Dl和D3均输出高电平，VL1和VL2均处于截止状态，V不导通，IC2不工作，BL不发声。当湿度超过设定湿度的上限值时，电极a、b之间的阻值变小，使RP2的中点电位低于2．7V，D2输出高电平，D3输出低电平，VL2发光，指示棚内湿度过大；同时V导通，IC2通电工作，BI，发出报警声。当棚内的土壤湿度低于设定湿度的下限值时，电极a、b之间的阻值变大，使RP1中点电位高于2.7V，Dl输出低电平，VL1点亮，指示棚内湿度偏小；同时V导通，IC2通电工作，BL发出报警声。

当温度在设定的温度范围内时，D4和D6均输出高电平，VL3和vu均处于截止状态，

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V不导通，IC2不工作，BL不发声。当温度超过设定温度的上限值时，RT的阻值减小，使RP4中点电位低于2.7V，D5输出高电平，D6输出低电平，VL3点亮，指示棚内温度偏高；同时V导通，IC2通电工作，BL发出报警声。当温度低于设定温度的下限值时，RT的阻值增大，使RP3中点电位高于2.7V，D4输出低电平，VL3点亮，指示棚内温度偏高：同时V导通，IC2通电工作，BL发出报警声。

元器件选择

R1～R3选用1/4W金属膜电阻器或碳膜电阻器，RT选用MF51型负温度系数热敏电阻器。RP1～RP4均选用有机实心电位器。C选用耐压值为10V的铝电解电容器。VL1～VL4均选用5mm的发光二极管。V选用S8550或C8550、3CG8550型硅PNP晶体管。ICl选用CD4069或CC4069、MC14069型六非门集成电路，IC2选用LC179型三声模拟音效集成电路。BI选用0.25W、8的电动式扬声器。S选用小型单极拨动式开关。CB使用3节5号干电池。电极a、b铜丝或不锈钢丝制作，两电极之间距为10～12cm。

3.方案的设计和比较

3.1整体方案

采用555时基集成电路制作的温度、湿度自动控制器,它能根据被监控场所内、外的温度和湿度变化，自动控制排风扇或通风扇或风机的运转与中止,从而保证被监控所的温度和湿度稳定在设定值范围内。

系统功能例如：

当测温电路测出适时温度超过25℃时，启动换气电路；且当温度达到30℃启动报警系统。同理，当测温电路测出适时温度低于20℃时，启动加热电路，且当温度低于15℃时，启动报警电路。当温度在20℃到25℃之间时，测湿系统测出适时湿度低于70%RH时，启动浇水系统。只有当温度在20℃到25℃之间，同时湿度在70%RH以上时，系统不工作。该电路可调理温度检测电路中的RP，即调理温度检测电路的基准温度值，同理，又可调理湿度检测电路中的基准湿度值，以适应在不同环境的需要。

该温度、湿度自动控制器电路由电源稳压电路、温度与湿度检测电路和控制执行电路组成，如图3-1。

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图3-1温度湿度自动控制电路

电源稳压电路由电源变压器T、整流桥堆UR、滤波电容器Cl-C3、三端稳压集成电路ICl和电源指示灯HLl等组成。

温度与湿度检测电路由热敏电阻器RTl、RT2、湿敏电阻器RSl、RS2、控制开关S、电位器RPl、RP2、二极管VD1、VD2和电阻器Rl-R6等组成。

控制执行电路由时基集成电路IC2、继电器K、电源输出插座XS、指示灯HL、二极管VD3、VD4、电位器RP3、电容器C4、C5和电阻器R7等组成。

交流220V电压经T降压、UR整流、Cl滤波及ICl稳压后为+l2V，供给温度、湿度检测电路和控制执行电路。

电路中，RTl为室外大气温度检测用热敏电阻器，Rm为室内温度检测用热敏电阻器，RSl为室外大气湿度检测用湿敏电阻器，RS2为室内湿度检测用湿敏电阻器。S为温度、湿度调理/室内外温度、湿度自动判别比较转换开关。

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lC2的5脚为基准电压(5.03V)端，6脚为触发控制端，3脚为输出端。当监控室内的温度和湿度在设定范围伪时，IC2的6脚电压高于5脚电压时，3脚输出低电平，继电器K不吸合。

当监控室内的温度和湿度超过设定值时，IC2的6脚电压将低于5脚电压，IC2的内电路翻转，3脚输出高电平，使K吸合，其常开触头Kl-l和Kl-2均接通，排风扇和通风机工作，直到监控室内的温度和湿度回到设定的范围内，

RPl用来设定监控室内的温度值;R陀用来设定监控室内的湿度值。调试时，应将S置于调理位置，然后分别调理RPl和RP2的阻值。使用时，将S置于自动位置即可。调整RP3的阻值，可改变K动作的灵敏度。

元器件选择

Rl-R6均选用1/4W缜密金属膜电阻器，RTl和Rm选用MF53系列或MF57系列的负温度系数热敏电阻器，RSl和RS2均选用MSOl系列的湿敏电阻器，RPl和RP2选用小型实心电位器或合成膜电位器;RP3选用密封式可变电阻器。Cl选用耐压值为25V的铝电解电容器，C5选用16V的铝电解电容器，CZ-C4选用独石电容器或涤纶电容器。

VDl-VD4均选用1N4148型硅开关二极管。UR选用lA、5OV的整流桥堆。I0选用LM7812或W7812型三端集成稳压器，IC2选用NE555时基集成电路，T选用5-8W、二次电压为18V的电源变压器，K选用带双组触头的l2V直流继电器。

3.2比较方案

如图3-2所示温度湿度自动控制电路

电源电路由电源变压器T、整流二极管VDl-VD4、熔断器FU、电阻器Rl-R6、电容器Cl-ClO和三端稳压集成电路ICl、IC2组成。

温度检测电路电阻器R7-Rll、Rl7-R2l、温度传感器(热敏电阻器)RTl、RT2、电位器RPl、RP2和运算放大集成电路IC3(Nl-N4)组成。

加热/通风控制电路(温度控制电路)由电阻器陀l、R23、电位器RP3、RP4和晶闸管VTl、VT2组成。

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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。

湿度检测/喷灌控制电路由湿敏电阻器RSl、RS2、电阻器R24-R36、R45、R46、电容器Cll-C14、电位器RP5-RP7、二极管VD7、VD8、晶体管Vl-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。

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;RlO、Rll和RPl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。当大棚内温度低于30℃时，运算放大器Nl输出低电平;温度高于30℃时，Nl输出高电平。当大栅内温度低于15℃时，N2输出高电平;温度高于l5T时，N2输出低电平。

在大棚内温度超过30C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。

R17、R18分压后产生的+24V电压，作为温度控制电路上限温度的基准电压;R2O、R2l和RP2分压后产生的+22.2V电压，作为温度控制电路下限温度的基准电压。当大棚内温度高于2O℃时，N3输出低电平;在温度低于2O℃时，N3输出高电平。当大棚内温度低于25℃时，N4输出低电平;在温度高于25℃时，N4输出高电平。

当大棚内温度在20-25℃范围内时，加热/通风电路均不工作。若温度低于20K时，则N3输出的高电平使VTl受触发而导通，加热器EH通电工作，使大棚内温度升高;若温度高于25℃时，则N4输出的高电平使VT2受触发而导通，换气扇电动机M通电工作，使大棚内温度降低。

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RSl、RS2和lC5提供工作条件(湿敏电阻器寻常工作在频率低于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Vl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