温室大棚温湿度控制系统

蔬菜大棚控制系统设计

在农业生产中，蔬菜大棚的应用越来越广泛，也能为人们创造更高的经济效益。在蔬菜大棚中，最关键的是温度、湿度、二氧化碳浓度、光照、营养液等的控制方法。传统的控制方法完全是人工的，不仅费时费力，而且效率很低。 我的作业设计是蔬菜大棚温湿度控制系统的设计。该系统主要由单片机、温度传感器DSl8B20、湿度传感器是HR202、二氧化碳浓度传感器、光敏传感器、液晶显示LCD1602、键盘等组成。此设计克服了传统农业难以解决的限制因素。因此就必须利用环境监测和控制技术。对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等因素进行测控。

一、系统总体结构设计及控制系统设计

环境自动化检测系统的硬件设计方案框图如图l所示。 — 1温度传感器 2湿度传感器 3 CO2 浓度传感器 4光照度传感 嚣

控制系统主要有单片机、数据采集模块、数据转换电路、报警装置、执行机构、主控计算机等组成。其核心是单片机芯片组，作为系统各种参数的处理和控制器。完成各种数据的处理和控制任务。同时将处理后的数据传送给主机。实际应用时可根据被测控参数点的个数和控制的要求来决定单片机的数目。环境因素数据采集模块由温度传感器、湿度传感器、C02浓度传感器、光照度传感器等组成，分别实时采集各测控点的温度、湿度、C02浓度、光照度等环境因素模拟量并转换为电信号。经前置放大后送给A／D转换芯片。数据转换电路包括A／D转换和D／A转换电路。完成模拟量和数字量之间的相互转换。执行机构包括各种被控制的执行设备。在系统的控制下启动调节设备如喷雾机，吹风机，加热器，CO2发生器等进行升温降温、加湿换风、C02浓度调控、光环境调控、土壤环境调控等操作来调节大棚内的环境状态。另外还有光电驱动隔离，其作用是有效地隔离控制部分和执行部分。抑制大电流、大功率负载开启产生的各种电磁辐射和电压冲击等干扰，保证系统可靠稳定地工作。

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AD转换和DA转换电路。 光电驱动隔离 S T C 8 9 C 5 2 光电驱动隔离 AD转换和DA转换电路 温度调节装置 湿度调节装置 二氧化碳发生装 光照调节机构 灌溉系统

整个系统的工作原理是首先在单片机内设定温度、湿度、C02浓度、光照度等环境因素的上下限值和报警值并予以保存，各种传感器实时检测到的参数值送到单片机后与其设定值进行比较，判断是否在设定的上下限值范围内。如在则表示环境可满足作物正常生长，如不在则由单片机控制驱动相关执行机构开始工作，如加热、换风、喷水等。直到环境参数达到正常的范围内为止。当检测到的参数值超出了设定的报警值时。主控机会控制报警装置报警，系统可能有故障或环境参数严重不足的情况。提醒管理人员要采取相应措施确保系统正常工作，使作物生长环境处于正常状态。

二、该系统环境因素检测及传感器的选择

该系统中需要检测的环境因素主要有温度、湿度、C02浓度、光照度等。每一种环境因素都有对应的传感器对其进行数据检测。 2.1、温度传感器

温度是作物生长发育最重要的因素之一。直接影响作物光合作用、呼吸作用、细胞壁渗透性、水分和矿物质养分的吸收、蒸腾、酶活性和蛋白质凝聚等。大多数作物生长的温度变幅较窄。一般介于15--40℃，低于或高于这个限度，农作物生长速率减缓。我们选用DSl8B20作为温度传感器，此温度传感器功能单一(仅测量温度)、测量误差小、响应速度和传输速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。外围电路简单，是目前在国内外应用最为普遍的一种集成温度传感器。

图2.1温度传感器

2.2、 湿度传感器

湿度也是影响作物生长的主要因素。因此目前设施农业的检测中，空气湿度也是主要参数之一。我们使用的湿度传感器是HR202湿度传感器。

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图2.2湿度传感器

2.3、 CO2浓度传感器

二氧化碳是作物光合作用的主要原料，其含量直接影响作物的生长。利用传感器实时检测室内CO2浓度。并根据植物生长发育进行C02施肥。可有效提高设施农业生产效率。目前市场上CO2浓度传感器有电化学型、热导型、红外光吸收型等。而最适应于设施农业的是红外光吸收型。因其具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。

图2.3 CO2浓度传感器

2.4、 光照度传感嚣

光照是植物进行光合作用不可缺少的条件。在设施农业中采用光照传感器来检测光照度。进而控制光照强度和光照时间。可以调节植物的生长发育过程。目前设施农业温室大棚环境检测用的光照度传感器大多为硅光电池和光敏二极管，而光敏二极管较硅光电池有工作稳定性强、光照特性曲线为线性等许多优

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点嘲。更适合在设施农业中使用。

图2.4光照度传感嚣

三、温室内的执行机构的设计

3.1、微雾系统降温及湿度调节机构

微雾系统利用高压喷雾解决炎热季节温室内的降温问题。该系统通过高压喷头喷射出的冷雾降温，冷雾能快速蒸发，且不浸湿地面。在室温内试验表明，该系统的使用能有效地降低温室的温度，改善作物的生长环境。高压喷雾降温也称冷雾降温，是目前在温室中应用的较先进的降温方法。它的基本原理是普通的水经过系统自身配备过滤系统后，进入高压泵，水在很高的压力(4MPa以上)下，通过管路，流过孔径非常小的喷嘴(直径为100μm) ，形成直径为200μm以下的细雾滴，雾滴弥温整个温室与空气混合，利用水的蒸发潜热特点，大量吸收空气中的热量，从而达到降温的目的。同时也是湿度调节机构。 降温系统包含水源部分和喷雾部分。水源部分由水箱、过滤器、高压泵、管路、控制器组成;喷雾部分由冷雾喷头和管路组成，喷头排成一线安装在大棚的顶部。干净的水经过过滤器进入水箱，经高压泵输送到固定的喷头使之雾化，产生悬浮在空气中的小雾滴。为防止喷头堵塞，喷雾用水应保持十分纯净，过滤单位要达50μm。当温室内温度超过控制器事先设定的温度值时，控制系统自动开机喷雾降温;温度正常，该系统自动关机。温室内的温度，通过温度传感器，在显示器上显示。控制器也可作定时器，在一定时间间隔内循环喷雾。 3.2、热风机加热系统及湿度降低机构

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温室的保温能力有限，天气寒冷时，需要外加的升温装置，用热风机加热空气保持室内温度。热风机的工作原理是，当环境温度低于工控机所设温度值时，热风机启动，燃烧器将柴油高度雾化后，产生高温气体，通过高效率的换热器，把由风机引入的空气充分加热，产生的精洁高温热空气通过出风口送入室内各处，同时换热后的低温烟气通过烟囱排出室外。 3.3、土壤灌溉系统

各种农作物对水的需求完全不同，并且毫无规律可循。各种作物对水的需求量的数据采集技术要求比较高，目前的技术力量还很难达到自动控制灌溉时间与灌溉量，只好采用人工实时观测并实时灌溉的方法解决农作物对水的需求问题。

3.4、光照监测及控制系统

温室大棚内的绿色植物进行光合作用总是依赖着光照，除了自然光照射外还应该设置人工光源照射以促进温室大棚内植物生长。然而吸取过多的阳光对某些特定的作物却不一定都是有利的。因此需要根据温室大棚内光照强度开启或调节人工光源，为植物提供适宜的光照。通过光感和光敏传感器监测室内外的关照强度，通过对比计算室内外的透光度和需要的光照强度。实现全自动控制光照设备的光照调节。 3.5、CO2浓度监测及控制

利用二氧化碳和氧气含量分析设备，分析棚内空间环境内的二氧化碳含量和氧气含量，并根据预设值可以通过氧气发生装置和二氧化碳发生装置来进行二氧化碳和氧气的补充。也可通过手动方式进行浓度调节，为了安全方面的考虑，两种气体含量都有上限的浓度值设定，当超过浓度值时，自动停止补充操作。此时会锁死两种补充操作，直到含量低于上限值才可恢复补充操作。 植物通过吸收CO2完成光合作用，进行新陈代谢产生养分，而空气中过多的CO2含量却反而会抑制作物的生长。通过控制温室大棚中的CO2浓度可以有效控制植物的光合作用，通过随时监测空气中CO2的浓度，确保为植物生长提供最佳的生长环境。

在温室大棚内部署二氧化碳浓度传感器，实时监测温室中二氧化碳浓度，根据二氧化碳浓度数值自动控制相关设备运行，使二氧化碳浓度控制在作物生长适宜的湿度范围内。 无线二氧化碳传感器检测空气中二氧化碳浓度，当浓度超过系统设定阙值范围，通过无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端，由相关工作人员做出相应控制。也可以设置自动打开与之相连的通风设备，也可增加对作物的光照，使之进行更多的光和作用，从而减少二氧化碳的浓度，为植物生长提供良好的空气含量 3.6、灌溉及喷药施肥控制

水灌溉与液体药物喷洒采用一套管线系统，可以通过自动和手动两种方式进行两种操作。水灌溉和药物喷洒可以遵照客户自定义的要求进行实施，也可以进行临时和特殊的操作。

①水灌溉 可以依照温度湿度和其他参数，或者根据植物生长模型对灌溉

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设备进行开关控制或者进行精准的变频控制、高速计数控制。可以是灌溉精度达到1毫升/每分精度级别等高效且精准的灌溉控制方案。达到节能控制与精确控制的完美结合。

②药物喷洒 农药喷洒采用的管线与水灌溉系统是同一套管线，下端控制节点通过互锁的电气连接来控制水灌溉和药物喷洒使药物和灌溉水不混合。也可实现手动配比和手动喷洒 3.7、综合测试系统

影响植物生长的主要因素是温度、湿度、二氧化碳浓度、光照这几点，其他的因素尽管有时会对植物生长产生影响，但都是通过改变这几个要素来间接地影响植物的生长。因此，温室控制的重点是对这几个参数值的控制。 该系统主要由小型气象站及其配套元件组成。它包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光敏传感器等。

本系统智能度高，可靠性高，系统工作稳定，且综合性价比较高，具有较大的市场应用前景。

四、硬件细节设计

2.2控制模块的设计 2.6执行模块的设计

执行模块包括调节设备如喷雾机，吹风机，热风机，CO2发生装置等，调节大棚内的温湿度状态，还有报警装置。

2.6.1调节模块

考虑到单片机的引脚的驱动能力有限，在本系统中采用了单片机的I/O口连接三极管的基集B控制三极管的通断，用三极管的集电极电流Ic来驱动控制5V继电器的吸合，从而控制12V电磁阀的开关，实现对植物滴灌的控制，以调节湿度。电路中，因为单片机输出口的电流很小，无法驱动继电器，所以在继电器输入端应该接一个PNP三极管，用来放大电流，驱动继电器工作。而为了保护此三极管的正常工作，还应在三极管的输出端（集电极C）加上一个二极管用来保护三极管不被过流击穿。在protuse仿真中找不到电磁阀，用电灯泡代替表示电磁阀。下图为单片机的I/O口通过继电器驱动电磁阀喷水：

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D2LED-BIRY以电灯泡代替电磁阀R110kQ1MPS6518RL1G2RL-1AB-DC12D11N914 图11 单片机通过继电器驱动电磁阀

当湿度过高时，单片机I/O口通过继电器驱动风扇的电动机使风扇运转来降低湿度。 2.6.2 报警模块

当所测温度或湿度超过设定值的上下限，就会报警。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器，原理图见下面图12：

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BUZ1BUZZERQ1855010kR2 图13 单片机驱动蜂鸣器

如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的I/O口控制，当该I/O输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当I/O口输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制I/O口的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机I/O口输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变单片机I/O口输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小。

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