兰州理工大学设计采集蔬菜大篷中的三点温度设计
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兰州理工大学设计采集蔬菜大篷中的三点温度设计,毕业设计论文
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兰州理工大学毕业设计说明书 1 目录 第一章 绪 论 -3 1.1 设计的任务、要求及参数 - 3 1.2 选题的目的和意义 - 3 1.3 选题背景和依据 - 3 1.3.1 国内外温室技术现状和发展趋势 - 4 1.3.2 国外温室及其环境测控的发展趋势 - 5 1.3.3 我国温室发展及其环境测控现状 - 5 1.4 课题意义 - 6 第二章 原理说明及方案选择 -8 2.1 自动控制理论的简要介绍 - 8 2.1.1 自动控制系统概述 - 8 2.1.2 PID控制原理及特点 - 8 2.2 温室环境多参数分析 - 10 2.2.1 温度参数 - 10 2.2.2 湿度参数 - 11 2.2.3 温室环境多参数综合分析 - 12 2.3方案选择 - 12 2.3.1 方案一 - 12 2.3.2 方案二 - 15 2.4 方案比较与方案确定 - 17 2.5 方案原理 - 17 第三章 硬件电路的设计 -18 3.1 单片机的选择 - 18 3.1.1 AT89C51 的介绍 - 18 3.1.2 8051单片机的工作原理 - 22 3.2 温度传感器的选择 - 22 3.2.1 AD590简介： - 22 3.2.2、 AD590的应用电路 - 22 3.2.3， AD590温度传感器的使用 - 23 3.3 光传感器的选择 - 24 3.3.1 光电传感器的介绍 - 24 3.3.2各种光电传感器的简要介绍 - 26 3.4 湿度传感器的 选择 - 28 3.4.1绝对湿度和相对湿度 - 28 3.4.2湿敏传感器 - 29 3.5 A/D 转换器的选择 - 30 3.5.1 ADS7864 芯片简介 - 30 3.5.2 芯片的工作原理 - 31 nts兰州理工大学毕业设计说明书 2 3.6 显示器的选择 - 33 3.7 继电器的选择 - 35 第四章 系统软件设计 -38 4.1 资 源分配 - 38 4.2 主程序流程图 - 38 4.3 中断子程序流程图 - 41 4.4 显示子程序流程图 - 41 第五章 设计总结 -43 5.1 系统功能实现方式 - 43 5.2 系统的优缺点 - 43 5.3 经验总结 - 43 参考文献 -44 外文资料及译文 -45 致 谢 -62 附 录 -63 附录 1 程序清单 - 63 附录 2 元件明细表 - 78 nts兰州理工大学毕业设计说明书 3 第一章 绪 论 1.1 设计的任务、要求及参数 生产中需要对温度进行实时采集，并且根据温度进行相应的控制工作，如热处理，本系统根据具体生产需要的温度曲线，选择合适的传感器，由单片机系统高精度地实现曲线的功能，并且进行相应的控制任务（如加热、加照明灯等）。 本次毕业设计采集蔬菜大 篷 中的三点温度，从而控制三处的加热器，根据所测量的温度启动或停止相应的加热器，根据所采集的湿 度数据控制喷淋设备，根据所采集的光强数据控制照明设备。温度范围为 0 100。 下面分析国内外温室测控系统的发展动态及现状，然后介绍目前我国发展具有自主产权温室测控系统的意义。 1.2 选题的目的和意义 基于单片机的 智能加热控制器 用于大篷种植，可以实现温篷种植的自动化，从而在提高产量和保证质量的同时还可以减少工作人员的劳动量，这套系统用于农业生产很好的推动了农业生产的发展。这套系统主要以单片机为中央控制系统，包括温度传感器和湿度传感器、终端设备和喷淋等执行机构。温度传感器和湿度传感器对温度和湿度进行采集，通 过温湿度处理电路处理后送到单片机，单片机对送来的温湿度参数进行分析，根据所种农作物需要的温度和湿度发出指令，控制通风设备和喷淋设备等执行机构动作（如加热、强冷等）。这个设计题目涵盖了检测与转换 、单片机等我们四年来所学专业知识，对我们专业是一个很好的毕业设计题目，是我们运用理论一次很好的锻炼。 1.3 选题背景和依据 目前农业发展十分快，特别是欧美地区，农业基本实现现代化，我国农业发展起步较晚，相对落后，同时也引起了社会各界的关注，对农业生产的研究越来越广泛。对农业的研究不光是对农作物防虫、防病的研究和品种的 改良，还要对农作物生长环境的研究，因为农作物的生长很受自然环境和季节的影响，特别是我国东北和西北的农业生产，这方面的限制更为明显。 温篷技术可以稳定农作物生长环境，为农作物生长提供最适应的温度和湿度，让农作物得到最好的生长。不仅如此，温篷还能种植反季节蔬菜，为广大农民带来极大的经济效益。这些年来的实践证明，温篷技术在提高农业产量和保证质量nts兰州理工大学毕业设计说明书 4 方面有着不可替代的作用。温篷技术主要是对大 篷 的温度和湿度进行测量和控制，这样无论是在恶劣的环境还是在不同的季节里都可以种植多种农作物，而且还能保证产量和质量。现在我国已有很 多生产厂家都投资开发了温篷种植设备，并且都投入到现实的农业生产中，都收到了很好的效果。 1.3.1 国内外温室技术现状和发展趋势 国外温室发展及其环境测控现状上世纪六十年代以来，用于研究植物栽培生理基础的人工气候室技术在一些发达国家的农业生产上得到应用。奥地利首先建成了番茄生产工厂，同时荷兰成功研制了大型玻璃采光温室，形成现代工厂化农业的雏形。七十年代，荷兰、日本、美国、英国、以色列等发达国家纷纷致力于工厂化设施农业的研究和开发，特别是进入 80 年代以后，随着计算机等高新技术在温室中的应用，温室制造业 逐渐发展成为一项新型产业。近二十年来，以温室工程为代表的世界工厂化农业取得了长足的发展，尤以荷兰和以色列两国最具特色：荷兰是一个典型的人多地少的欧洲小国，人均耕地面积仅相当于我国的 4 / 5 。由于缺乏土地资源，荷兰投入大量资金，建起了世界一流的设施农业，全国建成的玻璃温室占农业可耕地面积的 0 . 5 % ，占世界玻璃温室面积的 1 / 4 ，年产值近 80 亿美元，约占全国农业总产值的 20 % ，年出口额达 39 亿美元。而以色列是世界自然资源最贫瘠的沙漠国家，根据自身气候和资源特点，开发适合的温室 种植，充分利用各项现代技术武装温室设施，从农产品完全依赖进口发展成为农业出口大国，其中农业的科技贡献率达 95 。总之，现代温室工程产业己逐步发展成为高科技、高投入、高产出、高效益的科技和知识密集型产业。现代化温室是一个集生物、环境与设施工程为一体的综合系统工程。其重要特征之一就是温室内的环境可以根据植物生长、发育和产量的要求利用计算机进行调节控制，为植物创造最优化的环境条件，从而达到高产、优质、高效的目标。对于设施工程技术（主要有温室建筑结构技术、建筑材料技术和环境测控技术）中的温室环境测控系统来说，它 是所有室内测控系统中最为困难的，因为一般建筑物的测控几乎可以不受阳光的影响，温室则不然：一是由于温室外环境状况尤其是温度和湿度的情况，对温室内测控起着决定性的影响。二是温室测控的对象种类繁多，都是具有生命的会生长的生物，而且不同品种的生物乃至同一品种的生物的不同生长阶段对环境的需求也不同。所以这一切的复杂情况就决定了温室环境测控系统必须建立在以计算机工程为核心的，并与温室工程和栽培技术相结合的基础上。目前日本、荷兰、以色列、美国等发达国家，可以根据温室生物生长的特点和对环境的要求，对温室内温度、湿度、水、气 、肥等诸多因子进行控制。如美国和荷兰利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足市场的需要；日本、美国等国家建造了一些世界上最为先进的植物nts兰州理工大学毕业设计说明书 5 工厂，采取完全封闭式生产、人工补充光照，全部采用微电脑（计算机）控制，并采用机器人或机器手进行播种、移动作业、采收等；日本和美国近几年采用互联网技术，不仅能为用户提供各类信息服务，譬如作物品种和生长进程的管理、产品购销、市场信息、技术支持与服务、气象信息等，还通过互联网进行温室远程控制与管理诊断、实时环境监测等。日本的一些温室还安装了视频监测系统 ，管理者或消费者能通过网络实时监测果实的长势或状态，以便决定合适的采摘时间，有的甚至是为了消遣观赏。为了实现硬件生产的标准化和信息共享，日本还制订了相关的标准：如温室控制设备标准和网络通讯协议标准等等。这些农业发达国家经 30 多年的积累和发展，其温室控制己从单因子控制发展成计算机数据采集和控制系统，集测试技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术于一体；且将其先进的农艺技术融于控制软件中形成了先进的温室自控系统，不仅极快地提高了本国农业产品的出口，还将其温室产品推销到世界各地，形成了一个新的独特产业。 1.3.2 国外温室及其环境测控的发展趋势 随着科学技术的日益发展，温室研究不断向纵深方向发展，一方面温室硬件设施越来越高档，环境调控能力越来越强。另一方面，温室栽培技术越来越规范标准化，配套服务体系社会化、信息化、网络化。学科之间的相互渗透、相互促进作用日趋明显，温室产业涉及到生物学、园艺栽培学、植物营养和植物生理学、微气象与生态学、生物环境控制工程学、测试技术与自动控制学、计算机与信息科学及市场经济学等等，这些学科的综合研究和联合攻关的效应日益显著。作为高新技术成果在农业上的应用而发展起来的现代温室产业 是一项高度集约化和技术知识密集型产业，它的发展依赖于各项高新技术成果的进一步应用。温室的环境控制与自动化技术不断创新，传感器技术的快速进步、计算机控制技术的发展以及栽培技术的标准化，使得温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境预测分析模型和栽培专家系统的温室信息自动采集及智能控制方向发展。 1.3.3 我国温室发展及其环境测控现状 我国设施园艺的发展始于 20 世纪 70 年代，到 2000 年底，中国设施栽培面积己达 140 万亩，居世界首位，其中各类温室约 50 万亩，但绝大部分温室设施比 较简易、环境测控能力比较差，远远未达到工厂化农业的境界，现代化温室仅占 10 。 “九五”期间，国家科委组织实施了“工厂化高效农业示范工程” , 通过生物、环境、工程三大主干学科的有机结合，取得了丰硕的成果，促进工厂化农业nts兰州理工大学毕业设计说明书 6 技术的重大突破，带动了工厂化农业及其相关产业的发展。通过对以色列塑料温室和荷兰玻璃温室的结构、环境测控、施肥灌溉系统等硬件技术的消化吸收，并从我国的国情出发，结合各地的自然环境条件，研究设计出一系列适合不同气候生态型的温室设施大型玻璃温室和薄膜温室基本实现了国产化和自动化，如浙江大学生物环 境工程研究所研制并获 2000 年国家教育部科技进步二等奖的华东型连栋塑料温室得到大面积推广，以及北京、上海等全国其它地区自主生产的现代化温室的出现，一举扭转了我国温室长期依赖进口的被动局面。 虽然在“九五项目 工厂化高效农业示范工程”的带动和辐射下，我国温室产业近年来发展迅速，但我国的温室产业尚处起步阶段，由于基础薄弱，各行业的发展不平衡，与国外先进技术相比，我国的工厂化农业生产的总体水平依然有非常大的差距。在环境测控技术方面突出表现为：环境控制能力低，自动化程度比较落后，使得我国温室产业基本上还是属于粗 放型的设施农业。目前我国温室的测控系统使用现状为：国外高档的温室测控系统买不起，即使政府投资购买也用不起，设备发挥效率及其低下。而国内开发的系统仅仅只能检测和简单的控制且价格也不薄，对温室环境的调节能力有限，使得使用测控系统与没使用相比，温室经济效益没有明显的提高，甚至会出现投入产出的负增长（温室内种植作物产生的经济效益远低于购买和运行测控系统的费用）。具体的温室测控系统状况是；由于缺乏准确、实用的检测技术和测试设备，不能及时而精确获取温室环境多参数变化的信息，就谈不上对温室环境进行控制；低成本且具有较高性 能，适于温室环境的关键传感器的研制和开发有待加强；温室自控系统的研究刚起步，仅有一些单因子控制的产品，而且尚在试制阶段，先进性和可靠性无法得到保证；过程控制技术及现代通讯技术在温室环境控制中的应用研究较少，温室计算机现场总线控制系统的开发和温室群控中的接口技术、网络通讯技术研究及实现还有待进一步加强，同时如何将适合我国国情的农艺技术融于控制软件中将是今后努力的方向。 1.4 课题意义 当前我国农业正由传统农业向现代农业转变。农业的专业化、集约化是农业产业结构调整的必然趋势。近年来我国工厂化农业的发展速度超出 常规，发展势头非常迅猛。研究和开发现代大型温室环境国产化智能测控系统有着非常重要的意义。 国外的温室计算机测控系统虽然成熟，但价格不菲，而且其设计的控制模型和系统并不适合我国各地气候情况，使得一年之中很长一段时间温室不能正常使用，造成温室资源的极大浪费另一方面，国外温室为了其系统的通用性，控制nts兰州理工大学毕业设计说明书 7 软件模块繁多，但许多重要参数必须由安装者和操作者设定，使得安装者和操作者都必须是计算机和设施栽培方面的专家才能很好地使用这些系统。由于中国设施园艺基础比较薄弱，栽培者新技术培训较少的现状，用户普遍感觉进口控制系统操作 太复杂，售后服务无保障。故国内的广大用户迫切需要市场提供控制模型先进，具有部分专家系统功能、操作维护简单、特别是价格相对低廉的温室微机测控智能系统。 目前我国温室产业正从粗放型的设施农业迈向精细型的设施农业，对于温室内作物各个生长时期的温、湿、水等环境参数的控制提出了更高的要求，只有环境各参数的采集与控制达到较好的水平，才能真正地 提高温室产量，改善温室产品质量、使产品达到安全卫生标准，从而提高 工厂化农业效益，提高温室产品国际竞争力，从容面对 WTO 的挑战。显然，原来的简易测控设备及控制方法已明显不再适用， 研究和开发新的适合我国国情的温室智能测控系统已迫在眉睫。 到 2000 年底，我国已有各类温室约 50 万 亩，其中的 5 配上自控系统。目前国内现代化温室不断增多，新增控制系统在 200 套以上。因此研发具有我国自主产权的现代化温室环境测控系统的市场前景将是非常广阔。 这次设计的基于单片机的温度多参数测控仪有助于农业自动化的快速发展，对我国农业人口居多的农业大国有着非常重要的意义。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 8 第二章 原理说明及方案选择 2.1 自动控制理论的简要介绍 2.1.1 自动控制系统概 述 自动控制系统是一个集合体，它通常由被控对象、测量装置、控制器和执行机构等部件组成。这种系统在完成预定的任务时，可以不需要人的直接参与，同测量装置进行比较、综合和信息（模拟的或数字的）处理，并给出控制量，最后有执行机构来对被控对象诱施加某种设置或调整。这个过程在人工操作系统中，都是由操作人员通过“感觉器官的观测（获取信息） 人脑的思维、判断（存储和处理信息） 手动的调整（信息的实施）来完成的”。 经典控制理论和现代控制理论几十年的发展和应用，在空间技术、军事科学和工业控制等各个领域都获得了较为显著的成 效。 2.1.2 PID 控制原理及特点 1， 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为：比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年的历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控制对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最 适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 （ 1） 比例（ P）控制。 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当公有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steady-state error）。 （ 2） 积分（ I）控制。 在积分控制中，控制器具有输出与输入误差信号的积分成正 比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误码率差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项 会增大。这样，即便误差很小，积分nts兰州理工大学毕业设计说明书 9 项也会随着时间的增加而增加，它推动 控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分（ PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （ 3） 微分（ D）控制。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节） 或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近于零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值。而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后 的被控对象 ，比例 +微分（ PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 2， 实际应用中，可以 根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成：比例（ P）控制器 比例 +积分（ PI）控制器 比例 +积分 +微分（ PID）控制器 其中 Kp 比例放大系数； Ti 积分时间； Td 微分时间。 3，在 PID 的三个参数中，比例控制（ P）能迅速反映误差，从而减少误差，但比例控制不能消除稳态误差， Kp 的加大，会引起系统的不稳定。积分控制（ I）的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的累积，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统 超调过大，甚至使系统出现振荡。微分控制（ D）可以减少超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调节时间，从而改善系统的nts兰州理工大学毕业设计说明书 10 动态性能。 PID 控制属于常 规的控制 技术，在当今社会，随着计算机技术的广泛发展，许多复杂的控制技术正 在研究中。这些复杂的控制技术有纯滞后控制技术：施密斯（ Smith）预估控制，达林 (Dahlin)算法；串级控制技术；前馈 -后馈控制技术；解耦控制技术和模糊控制技术等。实际运行的经验和理论分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。 不过，用计算机实现 PID 控制，不是简单的把模拟 PID 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使 PID 控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。 4， PID 控制器的参数整定。 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整 和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，并且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。 三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式和 控制器参数进行整定。但无论采用的哪一种方法得到的控制器参数，都需要在实际运用中进行最后调整完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：（ 1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（ 2）仅加入比例控制环节，直到系统对 输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（ 3）在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 2.2 温室环境多参数分析 温室中影响环境的多因子参数很多，诸如有温度、湿度、光照、土壤水分、土壤营养、有害气体等等。但起主导参数只有温度、湿度等为数不多的几个参数，它们之间关系是相互混合、相互协调的。所以我们可以把温室设施内的环境看成是一个多因子相互关联，共同作用的综合动态环境系统。以下进行温室环境多参数的分析，将作为温室环境微机测控系统的设计基础。 2.2.1 温度参数 温度通过 影响作物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用和细胞的分裂与伸长等来影响作物的生长。同时，温度对作物生长还有间接影响，因为温度变化能引起作物生存环境中其它因子如湿度等的变化，而影响作物产量的病虫害与湿度高低有密切关系。因此，温度是环境控制中非常重要的控制指标。近年来，温室种植nts兰州理工大学毕业设计说明书 11 专家提出了温室最适温度管理这个新概念，从中可以进一步看出温室温度测控的重要性。 （ 1）温度与光合作用 作物的光合作用需要有一定温度范围及三基点（作物生命活动过程中的最适温度、最高温度和最低温度称为温度三基点）。如南瓜光合作用的最适温度为 22 34 ，温度下限为 610 ，温度上限为 36 40。 （ 2）温度与植物生长阶段 幼小的植株对温度的需求与长成的植株对温度的需求是不同的。植株生长前期叶面积小，土地利用率低，有许多光照投射到地面而未被植株利用幼小植株没有截获所有有效光，而如果能够获得更多的光，则其生长可加快。研究表明叶面积指数越大，群体光合作用也越大。因此，如何迅速提高叶面积指数是植株生长前期非常重要的管理措施。叶片的快速分化与生长需要相对较高的温度。但生长前期控制较高的温度可能导致植株徒长、抗逆性差等负面影响。在生长速率高的 情况下，植株细胞壁薄，茎细长，叶片也薄。而对于长成的植株来说，已经达到最适叶面积指数，可获得几乎所有的有效光，再增加叶面积对植株生长的贡献不大。相反，提高温度会导致呼吸消耗大量增加，因此，通常幼小植株要控制较高的温度水平以促进叶面积的迅速增加，而对于已结果的植株来说，应控制一个相对较低的温度平衡营养生长和生殖生长。 2.2.2 湿度参数 湿度也是温室环境控制中相当重要的一个指标。空气湿度对园艺作物是有影响的，饱和差（ VPD ）在 1 . 0 一 0 . 2 千帕范围的湿度对园艺作物的生理和发育的影响较小。 过低的湿度将使作物受到水分胁迫而使生长受阻，而过高的湿度将使病害发生危害的可能性增加（如黄瓜霜霉病、甜椒和番茄灰霉病、甜椒和番茄菌核病、番茄晚疫病等的发生均与高湿显著相关），并可能发生某些生理障碍。 对番茄产量与湿度的关系研究表明：高湿度导致番茄叶片变小，叶面积显著减小（最多时下降达 50 % ） ，并最终导致总产量的降低（高湿比低湿组合产量下降 5 24 % ）。而且由于产量下降的原因是平均单果重的下降，在本地市场需求大果型的情况下，经济效益下降更显著高湿还可导致番茄、黄瓜叶片缺钙和缺镁，使叶 片失绿，光合效率下降，从而导致产量下降因此必须足够关注湿度问题，并进行经济而有效的控制但也并不是湿度越低越好， Bakkeret 等 ( 1987 )对黄瓜的研究表明，在 24 小时平均饱和差为 0 . 43 一 0 . 75 千帕的范围内，湿度越高产量越高，高湿比低湿情况下提高产量 25 % 。高湿可以使黄瓜植株的叶面积增加，营养生长变旺，提高净光合效率。过低的湿度反而会引起黄nts兰州理工大学毕业设计说明书 12 瓜的生理障碍。 Bakker ( 1989 )对甜椒产量与湿度的关系研究也表明，在 24 小时平均饱和差 0.30 一 0 . 78 千帕的范围内，湿度对甜椒营养生长无有害影响，各种湿度条件下植株均生长良好，而且高的夜间湿度可以显著提高果重，使产量提高。 2.2.3 温室环境多参数综合分析 综上所述，温室内各环境因子之间是相互作用、相互协调的。适宜的环境因子是一个相对的概念。如各种因素都可能同时对光合作用发生影响，当各因子同时作用于光合作用时，光合速率往往受最低因子所限制。 研究表明在不同光照条件下增施二氧化碳，在低光照下，二氧化碳很快达到饱和点，补充二氧化碳的使用效率大大降低。据 Hand ( 1983 ）估计，晴天和阴天作物对 补充二氧化碳的使用效率分别为 69 和 39 。在高光强下，增施二氧化碳，光合速率提高很快，效果更好。因此在温室环境控制中，通常当植株截获的光合量子通量密度小于 100 微摩（秒 平方米 ) （自然光照下，温室外太阳总辐照度约 70 瓦平方米）时，就不再补充二氧化碳。同样，在补充二氧化碳的情况下，许多蔬菜作物的光合和生长适温也相应提高。据报道，对温室蔬菜作物（番茄、黄瓜、甜椒和结球葛茵等）增施二氧化碳，温室白天温度应相应提高 35 。总之，在较强光照条件下，应配合较高的温度与二氧化碳浓度以 提高光合效率；而在弱光条件下，则可适当降低温度与二氧化碳浓度。由于植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用，呼吸强度随温度的升高而增加（在 0 35 范围内，温度每升高 10 ，呼吸强度提高 23 倍），在弱光条件下，更宜降低温度以提高净光合速率。因此，对单因子的控制是不能达到良好效果的。所以设计微机控制的温室多参数测控系统进行温室环境因子的实时检测，作为温室环境多参数数值设定和控制的基础，同时辅以有关 的生理、物理和调控技术以及各环境因子的相互耦 合系数，使温室各参数因子控制在相对最佳组合的水平，这 样才能使温室种植者获得最佳的产量与经济效益。 2.3 方案选择 2.3.1 方案一 温篷测控系统的中央控制部分单片机采用 MCS-51 系列的 8031 。 8031 芯片内部没有程序存储器，所以采用 8031 芯片首先要对该芯片进行 ROM 和 RAM 扩展。扩展 ROM 部分采用芯片 2764（ 8k 8） ,2764 是紫外线擦除电可编程只读存储器，可作为 MCS-51 系列单片机的外部程序存储器，芯片上有一个玻璃窗口，在紫外光下照射 20 分钟左右，存储器的各位信息均变为 1，这样通过相应的编程nts兰州理工大学毕业设计说明书 13 器将工作程序固化到芯片中。 2764 芯片采用单一 5V 供电，工作电流 100mA，维持电流 50 mA，读出时间最大为 250us。 8031 芯片 ROM 扩展原理图如图 2-1 所示 : 图 2-1 8031 扩展 ROM 温度、光强和湿度采集是这次设计的一个重要部分。 目前测量外界多点温度的方法有很多种 ,但是由于传统的温度检测大多以热敏电阻为温度敏感元件 ,虽然热敏电阻成本低 ,但需要后续信号处理电路 ,而且热敏电阻的可靠性相对较差 ,测量温度的准确度低 ,检测系统的精度差。 在这个方案里温度传感器选用 DS18B20，DS18B20是一种单总线传输方式的数字化温度传感器，只用一根总 传输线就可以传送来自多个温度传感器送来的温度参数，而且在使用中不需要任何外围元件，因此十分适用于需要多点温度参数采集的测量系统。 DS18B20封装方式如 图 2-2。 图 2-2 湿度传感器可以选用智能温湿度传感系统。这种传感器基本上是一个电容器，在高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放。随着这种水分于吸附或释放，高分子薄膜的介电系数将发生相应的变化。因为介电系数随空气中的相对湿度变化而变化，所以只要测定电容 C 就可测得相对湿度 传感器的电容值可由下式确定，即 nts兰州理工大学毕业设计说明书 14 高分子电容式湿度传感器大多采用醋酸丁酸纤维素做为高分子薄膜的材料，这种材料制成的薄膜吸附水分子后，不会使水分子之间相互作用，尤其在采用多孔金电极时，可使传感器具有响应速度快、无迟滞等特点。本次设计的智能温湿度传感系统中使用的高分子湿度传感器是电容式相对湿度传感器。它广泛用于空气自动监测、办公自动化及工业程控系统。 湿度基本检测电路如图 2-3 所示。它由两个时基电路 IC1 , IC2 组成。由 IC1及外围元件组成多谐振荡器主要产生触发 IC2 的脉冲。 IC2 和电容式湿度传感 器及外围元件组成可调宽的脉冲发生器，其脉冲宽度将取决于湿度传感器的电容值大小。调宽脉冲从 IC2 输出，经 R4 、 C3 滤波后成为直流信号输出，它正比于空气的相对湿度。 图 2-3 湿度传感器电路 数模转换部分选用 A/D 转换器 TLC549。 TLC549 是 8 位串行 A/D 转换芯片，是以 8 位开关电容逐次逼近 A/D 转换器为基础而构成的 CMOS 模数转换器，可作为远程模拟传感器与微控制器连接的高性能接口器件。由于它能与模拟传感器靠近连接，可以使数字信号在那些对微控制器件有电气干扰的环境下进行传输，增强了抗干扰能力。 光强传感器的选择 TSL2561。 TSL2561 是 TAOS 公司 推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控，目的是在多变的光照条件下，使得显示屏提供最佳的显示亮度并尽可能降低电源功耗；还可以用于街道光照控制、安全照明等众多场合。该芯片的主要特点如下： 可编程设置许可的光强度上下阈值，当实际光照度超过该阈值时给出中断信号； 数字输出符 合标准的 SMBus(TSL2560)和 I2C(TSL2561)总线协议； nts兰州理工大学毕业设计说明书 15 模拟增益和数字输出时间可编程控制； 1.25 mm1.75 mm 超小封装，在低功耗模式下，功耗仅为 0.75 mW； 自动抑制 50 Hz/60 Hz 的光照波动。 TSL2561 的引脚功能 TSL2561 有 2 种封装形式： 6LEAD CHIPSCALE 和 6LEAD TMB。封装形式不同，相应的光照度计算公式也不同。图 2 4 为这两种封装形式的引脚分布图。 图 2 4 TSL2561 封装 2.3.2 方案二 系统的中央控制部分单片机还是选择 MCS 51 系列，在这个方案中选择8051 芯片。 8051 芯片与 8031 的结构基本相同，不同的是 8051 芯片有一个很明显的优势就是芯片内部设有 4KB 的掩模 ROM 程序存储器。对这次的设计内容完全够用，为了降低成本，所以无需在进行存储器的扩展。 温度采集可以选择 AD590 温度传感器。 AD590 可以很方便地和单片机构成温度测控系统。它是采用集成工艺制造的双端型温度传感器，在 -55 +150 范围内能按 1uA/k 的恒定比率输出一 个与温度成正比的电流，通过对这个电流的测量就可以得到所需的温度值 。 AD590 是一个电流源，流过的电流数值等于绝对温度（ K）的度数，激励电压可以从 +4V 到 +30V。 至于湿度传感器在这个方案里选用电阻型湿敏传感器，通过测量电阻的阻值变化来测量相对湿度。传感器电阻与湿度参数之间呈非线性关系，传感器的阻值同时又受温度参数的影响，所以要对二维参数修正后才能得到正确的湿度值。本次 设计采用 CSK-1 型陶瓷湿度传感器。利用 MgC12O8 粉末制造的多孔陶瓷，经过半导体处理后，具有明显的湿阻特性。 湿度传感器及其放大电路如 2-5 所示。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 16 LS 0 4LS 0 4CD 405 2至A/ D转 换器图 2-5 湿度传感器及其放大电路 光传感器可以选用 EL7900。 Intersil 公司的 EL7900 可见光传感器。这种微型 5 引脚、 2mm2 mm 无引线器件曾进入了 EDN 2005 年度创新奖的最终名单，它在 1 勒10000 勒范围内有近似人眼的响应。它工作在单 2.5V5.5V 电压下，产生的电流输出从全暗的 150 nA 直到 100 勒 荧光 灯下的 60mA。因此，它的耗电基本上是输出电流的映射，但当关闭时可低至 1.5mA。它的输出电压可以在正电压的 300 mV 以内，同时在整个有用范围内是线性响应，重要的是电阻值的选择不能造成输出饱和。电阻器选择也会影响到响应时间，但由于响应时间仍然是在 200ms 以下范围，还有很多空余带宽，使器件适合用于控制便携电子设备的显示背光应用。这些器件现有供应，每千片批量单价大约为 0.70 美元。 A/D 转换器选择了 ADS7864 。 ADS7864 是德州仪器（ TI）公司 Burr-Brown 产品部最新推出的快速 6 通道全差分输入的双 12 位 A/D 转换器。它能以 500kHz 的采样率同时进行六通道信号采样。特别适用于 多路信号的高精度的数据采集与转换。 方案二原理图如 2-6 所示。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 17 图 2 6 第二方案原理图 2.4 方案比较与方案确定 通过对以上两个方案的比较 ,第二方案的设计思想要优于第一方案 ,主要表现在：第二方案在器件选择上更加优于第一方案。第一方案选择的都是一些集成度高的价格也较高的芯片，虽然有很多优点，但本设计主要应用农业上，成本不能太高，要求实用。而第二方案能实现同样的功能但成本要比第一方案低很多，所以在设计中选用 了第二方案。 2.5 方案原理 本系统主要是为了控制大篷内的温度、光和湿度，以保证作 物能在自身最适宜的环境下生成。根据不同的作物对环境的要求不同，设定不同的标准值。当光值低于所设置的标准值，就要开启照明灯，而当光值高于这个标准值后就要关闭照明灯。湿度的设置同光值，当湿度低于标准值就要开启喷淋设备，而当湿度高于标准值时就要关闭它。而温度的标准值的设置上与前两个参数有所不同的是，设置了两个标准值，即最低标准值与最高标准值。当温度低于低标准值时开启加热器，一直加热到温度高于高标准值时停止加热。在设计中，设定了三个 点的温度采集和三个加热器，一个点的温度采集控制一个加热器，即哪点的温度低了就启动哪一台加热器，它们之间相互独立。 从而确保作物在所需的环境下生长。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 18 第三章 硬件电路的设计 这次设计的 智能温度加热控制器的设计 运用方向主要是温篷蔬菜种植，所以所设计的系统对温篷温度、光强和湿度参数的采集是非常重要的，因此这一章先从单片机、温度、光强和湿度传感器开始论述。 3.1 单片机的选择 3.1.1 AT89C51 的介绍 AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51管脚图如 3-1所示。 图 3-1 1主要特性： 与 MCS-51 兼容 nts兰州理工大学毕业设计说明书 19 4K字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000写 /擦循 环 数据保留时间： 10年 全静态工作： 0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部 RAM 32可编程 I/O线 两个 16位定时器 /计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2管脚说明 ： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口： P0 口为一个 8位漏级开路双向 I/O口，每脚可吸收 8个 TTL门电流。当P1口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时， P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。 P1口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O口， P1口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。 P1口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时， P1口作为第八位地址接收。 P2口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O口， P2口缓冲器可接收，输出 4个 TTL门电流，当 P2口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电 阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出
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