基于A(yíng)VR的西瓜溫室生產(chǎn)光照和CO2控制系統，軟硬件設計、原理圖

一、項目概述

1.1 引言

溫室是一種可以改變植物生長(cháng)環(huán)境、為植物生長(cháng)創(chuàng )造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場(chǎng)所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長(cháng)的季節栽培植物。溫室生產(chǎn)以達到調節產(chǎn)期，促進(jìn)生長(cháng)發(fā)育，防治病蟲(chóng)害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標是提高控制與作業(yè)精度。隨著(zhù)農業(yè)現代化的發(fā)展，設施農業(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(lái)越受到世界各國的重視。這也為我國大型現代化溫室的發(fā)展提供了極好的機遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。本項目以AVR芯片為控制芯片，設計了一套適用于當前西瓜生產(chǎn)的光照和二氧化碳濃度控制系統。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

中國作為一個(gè)農業(yè)大國，“三農”問(wèn)題關(guān)系到國民素質(zhì)、經(jīng)濟發(fā)展，關(guān)系到社會(huì )穩定、國家富強、民族復興。“十二五”發(fā)展規劃中現代農業(yè)是的重中之重，我國農業(yè)生產(chǎn)靠天吃飯的局面仍未根本改變。農業(yè)基礎設施條件還比較差，抗御自然災害能力較弱。近年來(lái)，我國每年因氣象災害損失糧食1000億斤左右。自然災害呈加重態(tài)勢，糧食生產(chǎn)風(fēng)險越來(lái)越大。從而使如何在提高農產(chǎn)品產(chǎn)量的同時(shí)減少氣象災害對農業(yè)生產(chǎn)的影響變得尤為重要。

溫室是現代西瓜生產(chǎn)中必不可少的設施之一，光照和二氧化碳濃度是影響西瓜生長(cháng)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)重要的坐標點(diǎn)—光補償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)。光合產(chǎn)物的形成不僅與光照的強度，而且與光照的時(shí)間，即由一定光強累積的光照量有關(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于溫室種植西瓜又極其重要的意義。本項目通過(guò)使用ATmega16芯片，結合光照傳感器、二氧化碳傳感器來(lái)實(shí)現對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

該系統先測量光照強度，根據在相應的光照條件下二氧化碳的測量值與相應生長(cháng)期的各環(huán)境因子的最高、最低值比較，控制相關(guān)設備的打開(kāi)和關(guān)閉。當測量值大于最高值或小于最低值時(shí)，除了打開(kāi)相應的設備外，系統還啟動(dòng)報警設備，提醒工作人員注意。系統具有能測量顯示二氧化碳濃度值，和連接到執行設備實(shí)行自動(dòng)控制的功能，同時(shí)留有檢測控制多個(gè)環(huán)境因子的接口。

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

夏季光照強度過(guò)大，超過(guò)光飽和點(diǎn)時(shí)，就要人為遮光，防止溫室氣溫過(guò)高灼傷作物?？刹捎猛庹陉庍M(jìn)行遮陽(yáng)。而在陰雨季節和冬天夜間，光照強度低于光補償點(diǎn)使作物有效光照時(shí)間縮短時(shí)，為促進(jìn)作物生長(cháng)，需進(jìn)行人工補光。常用的溫室補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。為調節光質(zhì)和節約能耗，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。文獻中一般認為二氧化碳濃度保持在500^-1000(mg/kg)為適宜濃度，若高達3000 mg·kg將對人體有害。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濃度達1000 mg/kg或以上，則光合作用速率可隨之加快。而西瓜對二氧化碳的吸收存在著(zhù)補償點(diǎn)和飽和點(diǎn)，長(cháng)時(shí)間的二氧化碳飽和濃度可對西瓜光合系統造成破壞而降低光合效率。因此及時(shí)準確的了解溫室內的二氧化碳濃度是保證溫室西瓜高質(zhì)、快速生長(cháng)的基礎條件。

溫室的二氧化碳肥料來(lái)源主要有碳水化合物燃料、高壓瓶裝二氧化碳，干冰、發(fā)酵、有機物質(zhì)降解和化學(xué)反應生成法，但大多數的設施實(shí)現自動(dòng)控制較為困難。一般溫室中采用鋼瓶裝的液態(tài)二氧化碳氣源，用繼電器的啟閉和控制時(shí)間來(lái)實(shí)現二氧化碳的釋放量。當溫室內二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)自然通風(fēng)和強制通風(fēng)來(lái)調節。為它們提供一個(gè)更適宜其生長(cháng)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，存儲于AVR單片機的ROM中，AVR單片機根據程序表確認、修正各棟溫室內的參數，并給終端控制系統指令。終端控制設備向AVR單片機輸送檢測信息，根據AVR單片機的指令輸出控制信號，使電器機械設備執行動(dòng)作，實(shí)現溫室環(huán)境調節。該系統可自動(dòng)控制光照和二氧化碳濃度。

2.2 性能要求

1、基于A(yíng)VR單片機西瓜生產(chǎn)光照合二氧化碳自動(dòng)控制系統

在西瓜生產(chǎn)系統設計中，軟件、硬件緊密相關(guān)。多用硬件可減輕CPU負擔，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。對于此系統，有些部分必須由硬件完成，有些部分必須由軟件完成，對于軟、硬件都可完成的交叉部分，應根據具體生產(chǎn)情況選擇最佳方案，以達到最佳性能價(jià)格比。系系統開(kāi)發(fā)步驟：

總體設計、硬件、 軟件設計、系統仿真、穩定性測試 、寫(xiě)結束報告、交作品。

（1）硬件設計

①經(jīng)濟合理

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

②安全可靠

設計系統和選購設備時(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，系統性能穩定、工作可靠。要有超量程和過(guò)載保護，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對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，是保證系統精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。例如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，高輸入阻抗下的防止漏電等。

（2）軟件設計的基本原則

①結構合理

程序應該采用結構模塊化設計。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護。另外項目團隊中的每個(gè)人可以負責一部分，可以提高效率。

②操作性能好，使用方便

盡量減少操作步驟，系統使用對象大多數是農民，所以系統越簡(jiǎn)單才越能夠普及。

③具有一定的保護措施

系統應設計一定的檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。對于重要的參數要定時(shí)存儲，以防止因掉電而丟失數據

④提高程序的執行速度

⑤給出必要的程序說(shuō)明

⑥給出系統的使用說(shuō)明。

給出完整的用戶(hù)文檔，使描述與實(shí)際功能一致并且使用戶(hù)文檔容易理解。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

系統硬件結構框圖

系統功能實(shí)現原理介紹：

溫室的環(huán)境調控最終要通過(guò)一系列的執行機構來(lái)實(shí)現。系統溫室的執行機構系統由自然通風(fēng)系統，遮陰與保溫系統，降溫系統，加熱系統，補光系統，補氣系統，灌溉系統和防災系統組成。系統中這些執行機構均采用繼電器或電磁閥控制電機正轉、反轉與停止、報警器的開(kāi)停，均為開(kāi)關(guān)量輸入。

1.補光系統

光照控制主要有光強度控制和光周期控制兩種方式。一般光照強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(mǎn)足要求時(shí)打開(kāi)全部光源即可，只有在凌晨或傍晚時(shí)分增加強度時(shí)才會(huì )設計調節人工補光的光強。光周期補光控制主要是根據時(shí)鐘控制，包括延長(cháng)日照，中斷暗期，間歇照明，黎明前光照和短日中斷光照等。補光系統由補光燈組成。根據不同的氣候條件和作物要選擇不同的光源。系統選用標準白熾燈，金屬鹵化物燈和高壓鈉燈。

2.補氣系統

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(cháng)。人工增施二氧化碳的適宜濃度，與作物種類(lèi)、品種和光照強度有關(guān)，也因天氣、季節、作物生育階段不同而異。選擇適宜的施肥時(shí)間，是節約肥源、增加產(chǎn)量的關(guān)鍵之一。在大型溫室中補充純凈的二氧化碳是一項既安全又經(jīng)濟的方法。

補氣系統即二氧化碳施肥系統，包括二氧化碳容器，壓力調節器，流量計，電磁閥，時(shí)間控制器和連接用管道。系統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，容器壓力為11-15MPa，可以在設定的時(shí)間間隔內，給生長(cháng)空間釋放一定數量的二氧化碳。調壓器可以將壓力降低適合流量計工作。瓶裝二氧化碳施肥的控制精確度高，配套設備現成，運行費用較低，施肥過(guò)程不會(huì )產(chǎn)生額外的熱量。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

AVR單片機 電機 繼電器 電磁閥 傳感器（光照、二氧化碳）

3.3系統軟件架構

ICC-AVR AVR studio MATLAB PROTUES PROTEL

3.4 系統軟件流程

程序運行流程圖

上電后，單片機進(jìn)行初始化。然后進(jìn)入計時(shí)程序，采集外部光照，與各個(gè)季節設置的光照進(jìn)行比較，不合格就進(jìn)入光照處理子程序并進(jìn)行語(yǔ)音報警，讓執行光照的系統繼續運行，系統進(jìn)入二氧化碳濃度測量，判斷是否與當前光照下西瓜所需二氧化碳濃度符合，不符合就轉入調節二氧化碳子程序并進(jìn)行語(yǔ)音報警。讓二氧化碳調節器件繼續調節濃度，系統繼續去對光照和二氧化碳進(jìn)行判斷，并給予相應執行動(dòng)作。參數變化可以通過(guò)人工設置。

3.5 系統預計實(shí)現結果

制作出系統模型，能夠仿真系統運行，當外界環(huán)境改變時(shí)達到自動(dòng)調節溫室的光照強度和二氧化碳濃度。