大棚温室环境监控系统的设计

大棚温室环境监控系统的设计杨利春;张文昭;汪贻;龙晓辉;刘敏【摘 要】为了更好地控制大棚温室环境,提高作物产量,设计了大棚温室环境监控系 统.系统对温室大棚的温度、湿度、光照和 CO2 浓度等信号进行了监测,一旦某些 参数值超过设定的上、下限值,微控制器将发出报警,并提示对相应参量进行人工或 自动调节控制.通过在永州苗圃农场对4号温室实地检测( 此温室种植黄瓜),该装置 对农作物产量的提高起到了积极作用.期刊名称】湖南科技学院学报年(卷),期】2010(031)004【总页数】3页(P65-67)【关键词】大棚;温室环境;监控系统；STC12C5410AD【作 者】 杨利春;张文昭;汪贻;龙晓辉;刘敏【作者单位】 湖南科技学院,电子工程系,湖南永州,425100;湖南科技学院,电子工程 系,湖南永州,425100;湖南科技学院,电子工程系,湖南永州,425100;湖南科技学院,电 子工程系,湖南永州,425100;湖南科技学院,电子工程系,湖南永州,425100【正文语种】 中 文【中图分类】 TP2710引言我国人多地少，人均占有耕地面积不及世界平均水平的三分之一，在2 1世纪未来 一段时间内，中国的人口将持续增长，而耕地面积却在逐年减少，如何用较少的土 地去养活更多的人口，解决这一尖锐矛盾具有战略意义。作物受地域适应性、季节 性及自然灾害的影响比较大，在纯自然的条件下，大部分时间不能进行正常农业生 产，造成人力、物力的大量浪费，进行温室栽培后就可以极大的减弱对作物生长不 利的环境因素来促进作物生长，有利于缓解季节矛盾，提高作物产量。基于此，本 设计将计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技术、生物技术以及环境科学等 多种技术和学科融为一体，开发出功能齐全的完全智能化的温室环境监控系统，对 于促进农业增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具 有很大的市场商机。1.统设计方案1.1. 统设计思路本系统采用STC12C5410AD单片机为主控芯片，该单片机是一种单时钟周期（机 器周期为1T）、高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机，内部集成 MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制， 强干扰场合。分别采用相应传感器对温度、湿度、光照和CO2浓度进行检测，其 方框图如图 1 所示。1.2. 统主要硬件设计与实现1.2.1.度检测与控制模块温度是影响作物生长发育最重要的环境因子之一，它影响作物体内的一切生理变化 本系统根据作物生长温度条件，选用了美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温 电流源AD590作温度传感器，其测量精度为0.3C,测量范围为-40工到+50C, 具有线性好、精度适中、灵敏度高等优点。通过信号调理电路，将电压信号经 A/D 变换后传送给微处理器进行数据处理，发出输出控制信号对相应的温度调节 器进行相应的调节，控制装置进行升温或者降温。本系统在升温上采用热风采暖的 方式，该方式设备简单、成本低、预热时间短，可通过管道均匀分配到温室各个部 位，温室受热均匀；在降温上采用蒸发降温装置，根据温差大小启动不同的降温设 备，降温效果好。在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压，由于AD590为电流输出元件，它 的温度每升高1K，电流就增加1uA，当AD590的电流通过一个10K的电阻时， 这个电阻上的压降为10mV，即转换为了 10mV/K，为了使此电阻精确，可用一 个9.6K的电阻与一个1K电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10K,具 体电路如图2所示：图2.流/电压及绝对/摄氏温标转换电路1.2.2. 度检测与控制模块湿度是指温室内空气的相对湿度，它是表示空气潮湿程度的物理量，用RH表示。 针对温室具体环境，本系统采用的是HUMIREL公司的高分子电容式传感器 HS1101，它具有不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应等特 点。HS1100湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电 容值呈线性规律。在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将 电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。本系统采用了 由555集成电路组成振荡电路,HS1100湿度传感器充当振荡电容的测量电路，从 而完成湿度到频率的转换，电路图如图3所示： 常用的湿度调节方式是加湿和去湿。微处理器完成对湿度的测量并进行相应的处理 后，发出输出控制信号对相应的湿度调节器进行相应的调节。本系统采用水喷雾法 的方法，按照作物需水要求，通过控制管道与安装在末级管道上特制的喷头，从而 控制水和作物生长所需要的养分成一定比例的混合物，使其均匀、准确的输送到根 部和叶片，实现局部变量灌溉。但大棚内部的湿度大于作物生长的生理要求时，根 据具体变化值的差异，通过控制鼓风机的吹风力度和开启时间达到快速调节。 图3.度测量电路图1.2.3. 照检测与控制模块 光照是作物生长发育的能量源泉，又是某些作物完成生活周期的重要信息。根据温 室内作物对光照强度的要求，本设计采用了利用光电子产生的电流来测量光照强度 的光照传感器-光敏三极管3DU33作为感光元件。通过光敏三极管产生的电流信 号，经过信号处理电路将电流信号变为电压信号，经A/D变换后送给微处理器进 行数据处理，经微处理器输出控制信号对相应的光照强度调节器进行相应的措施， 改善光照环境。本系统采用微处理器对光照传感器所采集的参数进行分析，若光线强度小于根据实 验测定的作物需要光强，则点亮锗灯来补充光强；若光线强度大于根据实验测定的 作物需要的光强，则微处理器发出信号，控制大棚的遮阳网的面向太阳的倾斜程度， 从而降低大棚内部的光强。1.2402浓度检测与控制模块C02是植物光合作用的主要原料，直接影响着植物的生长发育。本系统选用美国 FIGARO公司生产的TGS4160对CO2浓度进行测量，TGS4160二氧化碳传感器 是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。传感器的6个引脚通过0. 1mm的 箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图4所示，图中阳极与传感器的第3脚 S( + )相连，阴极与传感器的第4脚S(-)相连，Pt加热器与传感器的第1、6脚 相连，内部热敏电阻与传感器的第2、 5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电 阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。 采集到的信号通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再一些简单的运算处 理，就可以在C02浓度为300 5000ppm的范围内测得信号，该信号为零至几百 毫伏的电压信号，可以供高精度A/ D采样使用，微处理器接收后输出控制信号对 温室内的C02浓度进行调节。本系统采用的是控制钢瓶装的液态CO2气源，用继电器的启闭和控制开启时间来 实现CO2的释放量。图 4.GS4160 等效内部结构1.2.5.行显示电路单元采用LCD液晶屏显示，利用74LS161移位寄存器功能（分频），对单片机输出的串行数据逐级分频，从第一级到最后一级共分频8 次，这样就把单片机输出的串行数 据转换成并行数据, 送给液晶屏进行显示。1.3. 统软件设计本系统选用的是STC12C5410AD单片机为微处理器，内含8路高速10位A/D， 可以直接编程实现A/D转换。程序设计的好坏影响着本系统对各项参数检测和控 制的精度和准确度，主要实现对温室环境的温度、湿度、光照、CO2浓度进行循 环检测和根据设定的上下限值对这些参量的调节器调节控制，各项参数的上下限值 可在应用中根据际情况实时修改。主要含A/D转换程序、针对HS1101的频率测 量程序、数据处理程序、键盘和显示程序。具体程序流程图如图 5 所示。2.论本装置已在永州苗圃农场对4号温室的温度、湿度、光照和CO2浓度进行实地检 测（此温室种植黄瓜）。按农业作物生长规律的要求每隔1h测量1次数据，并 每15天从温室取回数据进行分析。实际运行表明，该装置能够在温室高温、高湿 的条件下良好地运行，传感器精度基本达到了预期目标，可以实现对温室环境中的 各项参数数据进行实时、精确的检测、采集及控制，达到设计要求。图 5.要程序流程图参考文献：1周炯亮，屈芳升智能温度与湿度单片机测控系统几安徽电子信息职业技术学院 学报,2005,4(5):88-89.2 王多辉，毛罕平,谢明岗植物工厂自动控制系统软件设计J.江苏理工大学学 报,1997,18(4):7-11.3 张建锋，何东健，韩敏，等.温室监控系统的设计与实现J.西北农林科技大学学报,2005,33(10):105-108.4 黄迎辉温室环境自动控制系统设计J.电子质量,2007, (2):36-38.5 李萍萍,毛罕平,王多辉,等.智能温室综合环境因子控制的技术效果及合理环境参 数研究J.农业工程学报,1998,14 ( 3 ): 197-201.