基于AVR的西瓜溫室生產(chǎn)光照和CO2控制系統(tǒng)，軟硬件設(shè)計(jì)、原理圖

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長(zhǎng)的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)工程因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，己越來越受到世界各國的重視。這也為我國大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。本項(xiàng)目以AVR芯片為控制芯片，設(shè)計(jì)了一套適用于當(dāng)前西瓜生產(chǎn)的光照和二氧化碳濃度控制系統(tǒng)。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

中國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，“三農(nóng)”問題關(guān)系到國民素質(zhì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，關(guān)系到社會(huì)穩(wěn)定、國家富強(qiáng)、民族復(fù)興。“十二五”發(fā)展規(guī)劃中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是的重中之重，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)靠天吃飯的局面仍未根本改變。農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件還比較差，抗御自然災(zāi)害能力較弱。近年來，我國每年因氣象災(zāi)害損失糧食1000億斤左右。自然災(zāi)害呈加重態(tài)勢(shì)，糧食生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)越來越大。從而使如何在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的同時(shí)減少氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響變得尤為重要。

溫室是現(xiàn)代西瓜生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，光照和二氧化碳濃度是影響西瓜生長(zhǎng)發(fā)育兩個(gè)重要的因子。二氧化碳是植物進(jìn)行光合作用的重要原料，要維持西瓜的光合作用，應(yīng)使二氧化碳的濃度保持在250%——300%ppm。光照作物有兩個(gè)重要的坐標(biāo)點(diǎn)—光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)。光合產(chǎn)物的形成不僅與光照的強(qiáng)度，而且與光照的時(shí)間，即由一定光強(qiáng)累積的光照量有關(guān)。光照分布愈均勻，其陰影面積率及作物群體漏光損失愈小，則溫室作物的光能利用率就愈高。所以控制好光照和二氧化碳的量對(duì)于溫室種植西瓜又極其重要的意義。本項(xiàng)目通過使用ATmega16芯片，結(jié)合光照傳感器、二氧化碳傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室光照和二氧化碳量的自動(dòng)化控制。

二、需求分析

2.1 功能要求

該系統(tǒng)先測(cè)量光照強(qiáng)度，根據(jù)在相應(yīng)的光照條件下二氧化碳的測(cè)量值與相應(yīng)生長(zhǎng)期的各環(huán)境因子的最高、最低值比較，控制相關(guān)設(shè)備的打開和關(guān)閉。當(dāng)測(cè)量值大于最高值或小于最低值時(shí)，除了打開相應(yīng)的設(shè)備外，系統(tǒng)還啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備，提醒工作人員注意。系統(tǒng)具有能測(cè)量顯示二氧化碳濃度值，和連接到執(zhí)行設(shè)備實(shí)行自動(dòng)控制的功能，同時(shí)留有檢測(cè)控制多個(gè)環(huán)境因子的接口。

溫室光照強(qiáng)度隨地理位置和時(shí)間變化而變化，不同溫室的透光率不同，所以在溫室內(nèi)的光照分布不均勻。太陽輻射是外界對(duì)溫室環(huán)境影響的主要的因素之一，它可直接影響室內(nèi)的溫度、濕度、植物的光合作用、呼吸作用等。根據(jù)荷蘭學(xué)者的研究結(jié)果，當(dāng)光照降低19%時(shí)，產(chǎn)量降低21%，當(dāng)光照降低32%時(shí)，產(chǎn)量降低34%，從而得出1%光照等于1%的產(chǎn)量的結(jié)論，由此可見光照對(duì)于作物生長(zhǎng)的重要性。

夏季光照強(qiáng)度過大，超過光飽和點(diǎn)時(shí)，就要人為遮光，防止溫室氣溫過高灼傷作物。可采用外遮陰進(jìn)行遮陽。而在陰雨季節(jié)和冬天夜間，光照強(qiáng)度低于光補(bǔ)償點(diǎn)使作物有效光照時(shí)間縮短時(shí)，為促進(jìn)作物生長(zhǎng)，需進(jìn)行人工補(bǔ)光。常用的溫室補(bǔ)光人工光源主要包括白熾燈、鹵燈、熒光燈、高壓水銀燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈等。為調(diào)節(jié)光質(zhì)和節(jié)約能耗，溫室中一般將金屬鹵化物等和高壓鈉燈按l:1搭配安裝使用。

二氧化碳是植物光合作用的主要碳源。文獻(xiàn)中一般認(rèn)為二氧化碳濃度保持在500^-1000(mg/kg)為適宜濃度，若高達(dá)3000 mg·kg將對(duì)人體有害。正常大氣情祝下的二氧化碳濃度在340350 mg/kg，光合作用速率隨光量增加而增加，但達(dá)到光飽和點(diǎn)后就趨于緩和。在此情況下，溫度的影響不大，但若有二氧化碳施肥使?jié)舛冗_(dá)1000 mg/kg或以上，則光合作用速率可隨之加快。而西瓜對(duì)二氧化碳的吸收存在著補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間的二氧化碳飽和濃度可對(duì)西瓜光合系統(tǒng)造成破壞而降低光合效率。因此及時(shí)準(zhǔn)確的了解溫室內(nèi)的二氧化碳濃度是保證溫室西瓜高質(zhì)、快速生長(zhǎng)的基礎(chǔ)條件。

溫室的二氧化碳肥料來源主要有碳水化合物燃料、高壓瓶裝二氧化碳，干冰、發(fā)酵、有機(jī)物質(zhì)降解和化學(xué)反應(yīng)生成法，但大多數(shù)的設(shè)施實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制較為困難。一般溫室中采用鋼瓶裝的液態(tài)二氧化碳?xì)庠矗美^電器的啟閉和控制時(shí)間來實(shí)現(xiàn)二氧化碳的釋放量。當(dāng)溫室內(nèi)二氧化碳濃度過高時(shí)，可以通過自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)來調(diào)節(jié)。為它們提供一個(gè)更適宜其生長(zhǎng)的封閉的、良好的生存環(huán)境。我們先編制出溫室西瓜各生育階段最適環(huán)境條件的管理程序表，存儲(chǔ)于AVR單片機(jī)的ROM中，AVR單片機(jī)根據(jù)程序表確認(rèn)、修正各棟溫室內(nèi)的參數(shù)，并給終端控制系統(tǒng)指令。終端控制設(shè)備向AVR單片機(jī)輸送檢測(cè)信息，根據(jù)AVR單片機(jī)的指令輸出控制信號(hào)，使電器機(jī)械設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可自動(dòng)控制光照和二氧化碳濃度。

2.2 性能要求

1、基于AVR單片機(jī)西瓜生產(chǎn)光照合二氧化碳自動(dòng)控制系統(tǒng)

在西瓜生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件、硬件緊密相關(guān)。多用硬件可減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高工作速度。多用軟件可降低成本，但軟件人員的工作量增大。對(duì)于此系統(tǒng)，有些部分必須由硬件完成，有些部分必須由軟件完成，對(duì)于軟、硬件都可完成的交叉部分，應(yīng)根據(jù)具體生產(chǎn)情況選擇最佳方案，以達(dá)到最佳性能價(jià)格比。系系統(tǒng)開發(fā)步驟：

總體設(shè)計(jì)、硬件、 軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、穩(wěn)定性測(cè)試 、寫結(jié)束報(bào)告、交作品。

（1）硬件設(shè)計(jì)

①經(jīng)濟(jì)合理

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，一定要注意在滿足西瓜生產(chǎn)環(huán)境所需的性能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低價(jià)格，以便得到高的性能價(jià)格比，這是硬件設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的一個(gè)主要因素，也是此系統(tǒng)爭(zhēng)取市場(chǎng)和快速推廣的主要因素之一。

②安全可靠

設(shè)計(jì)系統(tǒng)和選購設(shè)備時(shí)要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、粉塵等要求，以保證在西瓜生產(chǎn)環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過載保護(hù)，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對(duì)交流市電以及電火花等的隔離。要保證連接件的接觸可靠。

③有足夠的抗干擾能力

有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯(cuò)誤的必要條件。例如強(qiáng)電與弱電之間的隔離措施，對(duì)電磁干擾的屏蔽，高輸入阻抗下的防止漏電等。

（2）軟件設(shè)計(jì)的基本原則

①結(jié)構(gòu)合理

程序應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)充，而且也有利于程序的修改和維護(hù)。另外項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人可以負(fù)責(zé)一部分，可以提高效率。

②操作性能好，使用方便

盡量減少操作步驟，系統(tǒng)使用對(duì)象大多數(shù)是農(nóng)民，所以系統(tǒng)越簡(jiǎn)單才越能夠普及。

③具有一定的保護(hù)措施

系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)一定的檢測(cè)程序，例如狀態(tài)檢測(cè)和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。對(duì)于重要的參數(shù)要定時(shí)存儲(chǔ)，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)

④提高程序的執(zhí)行速度

⑤給出必要的程序說明

⑥給出系統(tǒng)的使用說明。

給出完整的用戶文檔，使描述與實(shí)際功能一致并且使用戶文檔容易理解。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理介紹：

溫室的環(huán)境調(diào)控最終要通過一系列的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)溫室的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由自然通風(fēng)系統(tǒng)，遮陰與保溫系統(tǒng)，降溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，補(bǔ)光系統(tǒng)，補(bǔ)氣系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)和防災(zāi)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用繼電器或電磁閥控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止、報(bào)警器的開停，均為開關(guān)量輸入。

1.補(bǔ)光系統(tǒng)

光照控制主要有光強(qiáng)度控制和光周期控制兩種方式。一般光照強(qiáng)度的控制在光源選擇和燈具布置中已經(jīng)確定了最大值，只需要在夜晚或自然光照不能滿足要求時(shí)打開全部光源即可，只有在凌晨或傍晚時(shí)分增加強(qiáng)度時(shí)才會(huì)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)人工補(bǔ)光的光強(qiáng)。光周期補(bǔ)光控制主要是根據(jù)時(shí)鐘控制，包括延長(zhǎng)日照，中斷暗期，間歇照明，黎明前光照和短日中斷光照等。補(bǔ)光系統(tǒng)由補(bǔ)光燈組成。根據(jù)不同的氣候條件和作物要選擇不同的光源。系統(tǒng)選用標(biāo)準(zhǔn)白熾燈，金屬鹵化物燈和高壓鈉燈。

2.補(bǔ)氣系統(tǒng)

在溫室中作物需要大量的二氧化碳進(jìn)行光合作用才能茁壯成長(zhǎng)。人工增施二氧化碳的適宜濃度，與作物種類、品種和光照強(qiáng)度有關(guān)，也因天氣、季節(jié)、作物生育階段不同而異。選擇適宜的施肥時(shí)間，是節(jié)約肥源、增加產(chǎn)量的關(guān)鍵之一。在大型溫室中補(bǔ)充純凈的二氧化碳是一項(xiàng)既安全又經(jīng)濟(jì)的方法。

補(bǔ)氣系統(tǒng)即二氧化碳施肥系統(tǒng)，包括二氧化碳容器，壓力調(diào)節(jié)器，流量計(jì)，電磁閥，時(shí)間控制器和連接用管道。系統(tǒng)采用瓶裝壓縮二氧化碳施肥。二氧化碳保存在高壓的金屬容器內(nèi)，容器壓力為11-15MPa，可以在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，給生長(zhǎng)空間釋放一定數(shù)量的二氧化碳。調(diào)壓器可以將壓力降低適合流量計(jì)工作。瓶裝二氧化碳施肥的控制精確度高，配套設(shè)備現(xiàn)成，運(yùn)行費(fèi)用較低，施肥過程不會(huì)產(chǎn)生額外的熱量。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

AVR單片機(jī) 電機(jī) 繼電器 電磁閥 傳感器（光照、二氧化碳）

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

ICC-AVR AVR studio MATLAB PROTUES PROTEL

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運(yùn)行流程圖

上電后，單片機(jī)進(jìn)行初始化。然后進(jìn)入計(jì)時(shí)程序，采集外部光照，與各個(gè)季節(jié)設(shè)置的光照進(jìn)行比較，不合格就進(jìn)入光照處理子程序并進(jìn)行語音報(bào)警，讓執(zhí)行光照的系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入二氧化碳濃度測(cè)量，判斷是否與當(dāng)前光照下西瓜所需二氧化碳濃度符合，不符合就轉(zhuǎn)入調(diào)節(jié)二氧化碳子程序并進(jìn)行語音報(bào)警。讓二氧化碳調(diào)節(jié)器件繼續(xù)調(diào)節(jié)濃度，系統(tǒng)繼續(xù)去對(duì)光照和二氧化碳進(jìn)行判斷，并給予相應(yīng)執(zhí)行動(dòng)作。參數(shù)變化可以通過人工設(shè)置。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

制作出系統(tǒng)模型，能夠仿真系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)外界環(huán)境改變時(shí)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室的光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度。