温室大棚研制报告

1、基于太阳能供电的温室环境智能监控系统研制报告1. 系统概述随着能源的日益短缺， 利用太阳能供电系统的温室大棚智能控制系统越来越受欢迎。温室大棚又称暖房，具有透光、保温的作用，是栽培农作物的设施。多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。温室的种类多，依不同的屋架材料、 采光材料、 外形及加温条件等又可分为很多种类。温室结构应密封保温，但又需要通风降温。 现代化温室中用电脑自动控制技术来创造植物所需的最佳环境条件，使其具有控制温度、湿度、CO2 浓度等条件的功能。本装置采用太阳能光伏系统进行供电，使用转换效率较高的多晶硅太阳能电池板进行能源转化， 所转化的电能储存在蓄电池中，并为整个

2、温室环境检测装置提供电能。装置主要针对温室大棚环境中的温度、湿度、以及CO2 浓度这些对农作物的生长起着重要作用的环境参数进行实时测量， 并将采集的数据进行存储和显示，通过控制输出启动各种设备制造出适宜农作物生长的温室环境。 硬件电路核心部分采用STC 公司生产的具有高速，低功耗的、自带A/D转换的STC12C5A60S2 单片机，传感器选择成本较低、有一定集成度、应用比较广泛、精度较高、可靠性良好的产品。本次课题主要设计利用实现温度、湿度以及 CO2 浓度实时自动监测，实现，最大程度地提高农作物的产量与质量。2. 系统总体组成及总体设计方案温室环境智能监控系统由检测系统、 集中控制系统和太阳

3、能供电系统共同组成。采用太阳能供电技术，利用 MPPT 方法进行太阳最大功率点跟踪，从而实先太阳能最大化利用。 通过太阳能电池板将太阳能转化为所需的电能， 通过稳压电源模块将输出电源转化为各个负载所需的电源电压， 从而给各个电路供电。 集中控制系统电路部分包括：电源模块、通讯模块、时钟电路模块、人机对话接口模块以及 CPU 接口电路模块。检测系统电路部分包括：电源模块、传感器电路模块、单片机最小系统模块、 输出控制电路模块。 检测系统将采集到的数据传输到单片机中之后将信息发送给控制系统， 控制系统读取各种数据， 进行处理并作出适当的应答。 其核心是利用单片机进行控制， 利用太阳能光伏系统供电、

4、 对温室大棚内温度、湿度、 CO2 浓度的实时监测以及采集数据的人机交互，具有实时检测、自动监控功能，实现的温室大棚技术的自动化、智能化、无线化。其原理框图如图 2.1 所示。1在设计总体方案时， 首先设计太阳能供电系统， 其主要包括太阳能电池板选择、 MPPT 的实现、蓄电池充放电监控以及电压转换4 个部分。利用BUCK 变换器来实现 MPPT，通过调节 BUCK 变换器的 PWM 占空比输出，使负载等效阻抗跟随太阳能光伏组件阵列的输出阻抗，从而使光伏阵列在任何条件下均可获得最大功率输出。检测部分主要是传感器的选择，测温度、湿度设备选择DHT11温湿度数字传感器， CO2 浓度的测定可采用M

5、G811CO2 浓度传感器。升温设备，白天可采用太阳能加热器加热，在太阳不足时，采取电加热器，由蓄电池组供电。降温设备采用湿帘 / 风机，当实际湿度低于所需要湿度时，通过控制安装在大棚顶端的喷嘴来实现。 CO2 浓度的控制，可通过控制 CO2 发生器的开关来提高；当浓度过高时，通过打开通风机即可。太阳能电池板控制器蓄电池电池电量检测逆变器DCAC12220V稳压输出DC 12V稳压输出DC 6V湿帘CO2室内室内风机发生加湿加温设备器设备设备电磁继电器文本显示器报警电路单键盘输入片RS485计稳压输出通讯适算DC5V机配器机CO2湿度温度传感传感传感器器器图 2.1 系统结构图23. 检测系统

6、硬件电路设计3.1 传感器的选择在设计该温室大棚环境自动监控系统时，其检测系统中要采用传感器的特点要具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等特点。所以本设计中检测温湿度传感器使用是DHT11 数字式温度传感器； 而检测 CO2 气体传感器使用 MG811CO2 气体传感器。3.1.1DHT11 数字式温湿度传感器DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓

7、越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。 单线制串行接口， 使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。其实物图如图3.1 所示。图 3.1 DHT11 数字式温湿度传感器3.1.2 MG811CO2 气体传感器MG811型CO2传感器的特点是对 CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿

8、度的变化影响较小，具有快速响应恢复特性， 带有温度补偿输出，标称温度环境下 Tcm输出为 VCC/2 电压，当环境温度变化时，输出电压信号变化，温度变化量转换为对应的电压输出变化量， 从而通过程序补偿该温度变化量， 控制探头更有效的检3测。而且还有良好的稳定性与再现性，其主要应用领域有，空气质量控制系统、发酵过程控制、温室 CO2浓度检测等，其中在温室CO2浓度检测中广为应用。该传感器由固体电解质层（ 1），金电极（ 2），铂引线（ 3），加热器（ 4），陶瓷管（ 5）， 100目双层不锈钢网（ 6），镀镍铜卡环（ 7），胶木基座（ 8），针状镀镍铜管脚（ 9）组成。其组成结构图及实物图如图

9、3.2所示。图3.2 MG811 结构图及实物图233.2 传感器电路设计3.2.1温湿度传感器电路设计本装置采用 DHT11 传感器的供电电压为直流3.3V5.5V ，输出单总线数字信号模式，其测量范围在湿度为20%90%RH 内，温度为 050，可以完全互换。其电路原理图如图3.3 所示。CER1234XIN7XIN81212VCCk7.42SWRVCCVCCRWSRWS14.7k4.7k541111PP P图 3.3DHT11 数字温湿度传感器原理图本设计将传感器（ CER）的 2 脚 DATA 接到单片机 P1.5I/O 口，同时在 1 脚VCC 电源端连接一个 4.7k 的电阻与 2

10、 引脚相连，由于温室大棚内不可能只放一个 DHT11 传感器，所以在其电路外围引出两个接线端子（ XIN7 、 XIN8 ），用4于在大棚各个地方安放传感器。 当温室内的温湿度不符合所设定的参数值时， 传感器动作，将检测到的信号通过引脚 2（DATA ）传送到单片机，经过 A/D 转换形成数字信号输送到 CPU 进行数据分析、处理然后发出相应的命令，完成温室大棚内的温湿度实时监测。3.2.2CO2 浓度传感器电路设计本设计采用 CO2 浓度 MG811 传感器对温室内 CO2 进行检测，在 CO2 浓度传感器外围电路设计中， 输出为差动输出， 有可能产生负电压。 放大器放大环节对于负电压的放大

11、效应无法被MCU 识别，所以利用 TL082 运算放大器对检测信号进行放大，它具有输出为差动输出， 有可能产生负电压的通用J-FET 双运算放大器。 TL431 元件是可控精密稳压源，所以选择TL431 作为本次设计中的稳压元33.4 所示。4件。则 MG811CO2 浓度传感器电路原理图如图VCCR105300D2.5VC1106Jp23R102161kAB25R104V64HH3450kD1AVTAB2DNTL431MG81131TL0828VCCC图 3.4 MG811CO2 浓度传感器电路原理图当温室大棚内的 CO2 浓度不符合所设定的标准参数时， MG811 传感器动作，把检测到的温

12、室内的 CO2 浓度情况经过 TPL082 放大器将信号放大送入单片机进行数据处理，其中 MG811 传感器所需的工作电压为 +6V ，而放大器所需要的工作电源为 +5V，所以使用 TL431 可控精密稳压源进行稳压， 从而完成温室大棚内的 CO2 浓度的检测。B3.3 稳压电源电路设计由于考虑到 CO2 传感器所需电源为 +6V ，所以该设计中采用LM2596 降压5开关稳压芯片将 +12V 降至 +6V 给 CO2 传感器供电。LM2596 具有 3.3V、5V 、12V 的固定电压输出和可调电压输出；可调电压输出范围 1.2V37V±4%；输出线性好且负载可调节；功耗小，效率高

13、；低功耗；具有 TTL 断电能力，具有完善的保护电路、电流限制、热关断等电路功能，比较符合本次设计的需求，在基于 LM2596 芯片的 +12V 降压稳压电源电路原理图如图 3.5 所示。12+12VV11IN45VF1.2V6OFF/ON32ITC901GNDOUT100 UH220 UFLM2596R208DT1+C9045kDC902C903220 UF104104R2071.6k图 3.5 降压稳压电源电路在该电路图中，其输出电压是可调的，通过调节电阻R207 与 R208 比值来控制输出电压。由于该设计中其他部分电路的供电电源为+5V，所以采用 AMS1117-5.0 正向低压降稳压

14、器， 它的稳压调整管是由一个 PNP 驱动和 NPN 管组成的。 为了确保 AMS1117-5.0 的稳定性，对可调电压版本，输出需要连接一个至少是 22F的2钽电容。本设计采用可调版本。其原理图如图 3.6 所示。3CVT3AMS1117-5.0VCC3D2VIN3VGC905+ C906+ C9071041061041B图 3.6 AMS1117-5.0 正向低压降稳压电路图当+6V 直流电压输送过来经过 AMS1117-5.0 降压模块将其降为 +5V 电压为其他电路设备进行供电。3.4 输出控制电路的设计本系统中不但要完成对温室大棚内部温湿度及CO2 浓度等相关参数的采集分析，还要实现

15、对大棚的智能化控制，即CPU 分析处理后的输出控制部分，包括对加热器、湿帘 /风机、室内喷雾设备、通风设备、CO2 发生器、遮阳设备以6A及补光设备等。要实现单片机对这些输出设备的控制就必须引入继电器作为开关来控制这些输出的外围电路。在本系统中我们采用8050NPN 型晶体三极管，作为电磁继电器开关电路，电磁继电器采用JQC-3F(T37)电磁继电器作为输出电路控制开关，其实物图如图3.7 所示。12图 3.7 JQC-3F(T37)电磁继电器D为防止瞬间断电电流的回流效应， 我们在电磁继电器线圈的两端并联1 个二极管 4148。这样由总线的 +12V、继电器线圈、 8050 三极管、地（ G

16、ND ）以及防止回流的 4148 二极管共同构成了输出控制电路部分电路图如图 3.8 所示。XIN53JC1 JZC23F2415J1J21VD1RJC1+12 414 8VT11kC8050图 3.8 输出控制电路原理图图 3.8 当 JJ1 端由单片机输出高电平时，三极管导通，整个输出控制电路导通，线圈带电，电磁继电器触点吸合，外围电路闭合导通，从而实现外围电路所连接的各种大型设备开关量控制。4. B集中控制系统硬件电路设计74.1 单片机最小系统的设计STC12C5A60S2 单片机自带时钟、机器周期，速度快，是高速、低功耗、超强干扰的新一代单片机，内部集成了复位电路，高速A/D 转换，

17、看门狗电路，2双串口，全双工异步串行口， 性价比较高。 故在此设计中选用这款芯片作为核心34CPU 对整体系统进行控制。单片机最小系统包括晶体振荡电路、 复位开关电路等。 本系统中所选用的晶振大小为 11.059MHz，其一个机器周期为 1.09us，足以满足本设计的运算速度。单片机复位电路是单片机最小系统中不可缺少的一部分。 单片机复位系统设计的好坏直接影响到整个系统工作的可靠性。 由于实验室与实际应用环境存在很大的差异，有时在实验室调试成功后，在实际现场却出现了“死机、程序飞走”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠所引起的。 在时钟电路工作后， 只要在单片机 RESET 引脚上出现

18、24 个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。 本设计采用上电复位电路， 可以很好的利用电容器充电来实现复位。当加电时，电容 C10 充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻 R25 上产生压降， RESET 引脚为高电平；当电容 C10 充满电后，电路相当于断开，RESET 的电位与地相同，复位结束。其最新系统原理图如图4.1 所示。VCC4321098765444444333333VCCPDn1VCCLS11RXDLED Rs 2kD32TXDLED32242D D1DX XPX1TRR/3P152ND221143PP16PP17RST4RSTRXD56P30/RXD

19、TXDP43/TXD278P31/TXDP32/INT09P33/INT1SK10P34/T011R DP35/T1W R/6733P P10012311C 0000P PC PPP PVD21N001234422222 XXGPPPPPP4Rf2k33LF1P0432P0531P0630P0729P46VCC28P4127P4526P44/NARwC1025P272k10624P26RST23P25STC12C5A60S2R25C910kX1LW23456789012111111112222112XXJJJJ图 4.14.2 时钟电路设计2LED39pJT1C1411.059 MX239p单

20、片机最小系统原理图TitleSizeNumberRevisionA4Date:3-Mar-2015Sheet ofFile:C:Docu ments and SettingsAdm inistrato桌面Drawn我的文By件: 毕业设计太阳能L500348D时钟电路是在电脑启动时提供初始化时钟信号，并在主板正常运行时及时向CPU、芯片组、各级总线（包括CPU 总线、 AGP 总线、 PCI 总线等）及各种接口提供基本时钟信号。本设计采用 PCF8563 时钟芯片，它是一款极低功耗CMOS 实时时钟 /日历芯片，具有报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种C复杂定时服务，

21、 甚至可以为单片机提供看门狗功能。它提供一个可编程的时钟输出，一个中断输出和一个掉电检测器， 所有的地址和数据都通过 I2C 总线接口串行传递。最大总线速度为 400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动递增。其时钟电路如图 4.2 所示。C c12 2 pccPCF8 563 D11OSCI33 2 k2INT78OSCOCLK OV CC64SC LG5SD ABVD1VD241484148V CCB T1V CC3.6VC 1 01 0 u fR ST图 4.2时钟电路图A4.3 通信接口电路设计在该系统上包含两种通讯路径。 一条由通讯芯片通过光电耦合器和数据线实现远程

22、 PC 机的实时监测与控制。由于数据线暴露于室外，考虑到雷击等自然因素影响我们采用1光耦元件对主线与 PC 机通讯间进行隔离，防止雷击电压2经由通讯线路击坏 PC 机，这种通信中，光耦元件采用 6N137 光耦合器。它是一款用于单通道高速光耦合器，其内部有一个 850nm 波长 AlGaAs LED 和一个集成检测器组成，其检测器有一个光敏二极管、 高增益线性运放及肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。该光耦元件在接收到信号后， 发光二极管发光， 经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流 -电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端， 当使能端为高时， 与门输

23、出高电平， 经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，R25 C9 1 0 k3 9 pC 1 43 9 pX 1J T111.059 X 29输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压2调整电路。其通信电路如图4.3 所示。43X in12DCDC1DCD C A1 212 S34V G- 0+5JP11 2 06+1 2R10 3712456281+1 2V CC o9GND OB 2815 0 0R XD72R 104V CC oD 101MA X4 8 5V CC o638V CC1RO VCCR10 15 0R 21

24、 1 0 k5427R EB36D EA6N13745D IG NDR10250B 1V CC o5 0 018GND OTX DR 2 22736V CC o45R 1 05 10 k6N137GNDO图 4.3 PC 机相连通讯电路图另一条经由通讯芯片通过主线与各检测系统相连， 实现控制系统与检测系统之间的实时通讯，该通信接口采用了 RS485总线做现场总线，可通过 RS485总线与检测系统通讯，来获得室内外温度、湿度及室外光照、雨量、风速、风向等参量，还可与其他控制器及上位机进行通讯， 构成更大范围的温室环境自动控制系统。 RS485接口信号的电平比 RS232低，可以保护接口电路的芯片

25、；其通信电路图如图 4.4所示。12X in1234D5V CCD 216+1 21k R 20 481RXD 27R 201V CCR O728R 202TitleBR E63SK 2950AD E54TXD250GNDD ISizeR ev isio nN u mb erR 2031kA 4MA X4 85图 4.4 RS485D ate:2 -Mar-201 5Sh eet o f通信接口电路图C U sersh pDesk to p 太阳能 - 副本M5 50D 0raw.ddnbB y :File:234这两个串口通信电路实现了检测系统与控制系统对温室大棚内部环境的实时监测以及控制系

26、统与 PC 机之间的信息数据采集、处理和显示等功能4.4 人机对话接口电路设计CDCBA1034本设计中人机对话接口电路部分采用19264LCD 液晶显示屏对相关参数进行可视化实时监测以及矩阵式4 *5 键盘。19264LCD 液晶显示屏内置2M 位中文字型 ROM ，总共提供 8192 个中文字型（16*16 点阵）；16K 位半宽字型 ROM ，总共提供 126 个符号字型（ 16*8 点阵）；64*16 位字型产生 RAM ，另外绘图显示画面提供一个64*256 点的 绘图区域，可以和文字画面混合显示。提供多功能指令：画面清除、光标归位、显示开/关、光标显示 /隐藏、显示字符闪烁、光标移

27、位、显示移位、直画面旋转、反白显示、待命模式等。其实物图如图 4.5 所示。123D234D图 4.5 19264液晶显示屏C报警电路采用一个非门的作用是为了防止系统上电时，峰鸣器发出声音， 因为系统复位以后， I/O 口输出的是高电平。 其显示、键盘以及报警原理图如图4.6所示。DDRP115kG2VCCVCC3Vin4A0A05R/WR/W6ENBEN7D0DB08D1DB19D2DB210D3DB311D4DB412D5DB513D6DB614D7DB715CS1CS116STRST17CS2CS218CS3CS319Vout20LED+VCC192 64T XARL10CKEYLY09

28、LY1VCC8LY2VCC7LY36RK1LX010kU15RK2P1.5QLX1R4RK310kLX21KB3RK410kLX3NAND2RK510kLX4110k图 4.6显示、键盘以及报警原理图ATitle5. 太阳能供电系统硬件电路设计SizeNumberRevision1Title235.1 太阳能板及蓄电池的选择A4Date:2-Mar-2015Sheet ofAFile:C:Docu Sizements andNumSettingsAdministratober桌面我的文件资料太阳能太阳能Drawn By : RevisionM550 0.ddb目前，有许多材料可以用来做太阳能光

29、伏电池的半导体层， 但是能产生高能3A44Date:2-Apr-2015Sheet ofFile:C:Docu ments and SettingsAdm inistrato 桌面 Drawn我的文By件: 毕业设计太阳能电路图M550 0.ddb23114量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅、 磅化锡等薄膜材料。 而广泛应用的主要是单晶硅，其次是多晶硅， 非晶硅使用比较少。 近年来某些性能更加先进的太阳电池目前正在研制开发中。 本设计选用的光电转化电池为多晶硅太阳能电池， 其实23物图如图 5.1 所示。多晶太阳能电池板是由多

30、晶硅高效太阳能电池片、 EVA 胶膜低钢化玻璃、轻质电镀金组成。图 5.1多晶硅太阳能电池板图 5.2铅酸蓄电池目前我国还没有专门用于可再生能源发电系统的蓄电池， 最常使用的有铅酸蓄电池、碱性电池和胶体电池等。 因此本系统选择铅酸蓄电池作为储能装置。 其实物图如图 5.2 所示。5.2 常见 MPPT控制算法分析及选择目前太阳能电池的转换效率都不高，为了能充分利用太阳能许多MPPT 的方法被提出，如恒定电压控制法 （CVT ），扰动观测法（P&O ），电导增量法（ INC）等等。本文所研究的系统主电路采用Buck 变换器来实现 MPPT，用于负载端 +12V蓄电池的充电，如图5.3 所

31、示DpvLQRLDPVCpvC图 5.3最大功率点跟踪系统等效电路12通过调节占空比， 当阻抗变换满足ReqRs 时，太阳能电池输出功率最大：Vs2（5-1）Pm4 ? Rs在最大功率点时，对应的输出电压与电流分别为Vm=Vs /2 ，Im= Vs /(2Rs)。5.3 充放电控制系统电路设计本设计中，采用具有 PWM 降压模式铅酸电池充电管理集成电路CN3717芯片进行充电控制，该芯片具有涓流，恒流，过充电和浮充电模式，非常适合铅酸电池的充电。在过充电和浮充电模式， 充电电压由外部电阻分压网络设置；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置；对深度放电的电池进行涓流充电；在过充电阶段，充电

32、电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻所设置的值时，1CN3717进入浮充电状态。在浮充电状态，如果电池电压下降到所设置的过充电62345电压的 81.8%时，自动开始新的充电周期。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时， CN3717自动进入低功耗的睡眠模式。其充放电原理图如图5.4所示。SD1RCSM1LFU+1PVC1C5D2100nF16R131R10U1GVR810K10KVRD1513VCCCSP147BAT121NCR1R574310NCHRGFBR75C96DONECOM28C7TEMPCOM12711EOCCOM3BATD1DR4C6DNANG120D5D6GPR9D3LE

33、D-GLED-R5K32R6AD2QR3C2C3D4100nF470pF10VC4R11220nF10KQ2R2R12P4.5NTC6D75K.4PM2FU-图 5.4充放电电路原理图在图 5.4充放电电路中，其工作过程是当太阳能能电池板两端的电压大于蓄电池两端的电压时，MOS管 M1打开对蓄电池进行充电， 当太阳能电池板两端电压小于蓄电池两端的电压时，MOS管 M1 关断，停止对蓄电池进行充电CN3717自动进入睡眠状态，内部电路被关断；当蓄电池电压大于10.8V时， MOS管 M2打开，对系统各个负载进行放电，当蓄电池电压小于 10.8V时， MOS管M2 关断，停止对各个负载进行供电。T

34、itle5.4电压转换电路设计BNumberRevisionSizeDate:7-Apr-2015Sheet ofFile:C:Documents and SettingsAdm桌面Drawn我的文By:件毕业设计太阳能电路图123456135.4.1 DC-DC 电压转换由于太阳能蓄电池的充放电电路输出的电压不具有稳定的，所以要进行电压转换，以便输出稳定的电压供系统使用。本设计将输出的电压+12V 利用DC-DC 进行升压至 +24V，在利用 DC-DC 将+24V 降压至稳定的 +12V、+6V、+5V以便各个系统电路使用。在升压稳压电路中，采用LM2577 集成电路进行升压。其电路原理图如图