基于AVR的西瓜溫室生產光照和CO2控制系統(tǒng)，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環(huán)境、為植物生長創(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的季節(jié)栽培植物。溫室生產以達到調節(jié)產期，促進生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質量、產量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環(huán)境控制，該技術的最終目標是提高控制與作業(yè)精度。隨著農業(yè)現代化的發(fā)展，設施農業(yè)工程因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活關系密切，己越來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，并產生巨大的推動作用。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的光照和二氧化碳濃度控制系統(tǒng)。

1.2 項目背景/選題動機

中國作為一個農業(yè)大國，“三農”問題關系到國民素質、經濟發(fā)展，關系到社會穩(wěn)定、國家富強、民族復興。“十二五”發(fā)展規(guī)劃中現代農業(yè)是的重中之重，我國農業(yè)生產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，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，糧食生產風險越來越大。從而使如何在提高農產品產量的同時減少氣象災害對農業(yè)生產的影響變得尤為重要。

溫室是現代西瓜生產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發(fā)育兩個重要的因子。二氧化碳是植物進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。光照作物有兩個重要的坐標點—光補償點和光飽和點。光合產物的形成不僅與光照的強度，而且與光照的時間，即由一定光強累積的光照量有關。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。本項目通過使用ATmega16芯片，結合光照傳感器、二氧化碳傳感器來實現對溫室光照和二氧化碳量的自動化控制。

二、需求分析

2.1 功能要求

該系統(tǒng)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期的各環(huán)境因子的最高、最低值比較，控制相關設備的打開和關閉。當測量值大于最高值或小于最低值時，除了打開相應的設備外，系統(tǒng)還啟動報警設備，提醒工作人員注意。系統(tǒng)具有能測量顯示二氧化碳濃度值，和連接到執(zhí)行設備實行自動控制的功能，同時留有檢測控制多個環(huán)境因子的接口。

溫室光照強度隨地理位置和時間變化而變化，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。根據荷蘭學者的研究結果，當光照降低19%時，產量降低21%，當光照降低32%時，產量降低34%，從而得出1%光照等于1%的產量的結論，由此可見光照對于作物生長的重要性。

夏季光照強度過大，超過光飽和點時，就要人為遮光，防止溫室氣溫過高灼傷作物。可采用外遮陰進行遮陽。而在陰雨季節(jié)和冬天夜間，光照強度低于光補償點使作物有效光照時間縮短時，為促進作物生長，需進行人工補光。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(jié)光質和節(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_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補償點和飽和點，長時間的二氧化碳飽和濃度可對西瓜光合系統(tǒng)造成破壞而降低光合效率。因此及時準確的了解溫室內的二氧化碳濃度是保證溫室西瓜高質、快速生長的基礎條件。

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、有機物質降解和化學反應生成法，但大多數的設施實現自動控制較為困難。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間來實現二氧化碳的釋放量。當溫室內二氧化碳濃度過高時，可以通過自然通風和強制通風來調節(jié)。為它們提供一個更適宜其生長的封閉的、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(tǒng)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(zhí)行動作，實現溫室環(huán)境調節(jié)。該系統(tǒng)可自動控制光照和二氧化碳濃度。

2.2 性能要求

1、基于AVR單片機西瓜生產光照合二氧化碳自動控制系統(tǒng)

在西瓜生產系統(tǒng)設計中，軟件、硬件緊密相關。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(tǒng)，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，應根據具體生產情況選擇最佳方案，以達到最佳性能價格比。系系統(tǒng)開發(fā)步驟：

總體設計、硬件、 軟件設計、系統(tǒng)仿真、穩(wěn)定性測試 、寫結束報告、交作品。

（1）硬件設計

①經濟合理

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

②安全可靠

設計系統(tǒng)和選購設備時要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動、粉塵等要求，以保證在西瓜生產環(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，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(tǒng)精度、工作正常和不產生錯誤的必要條件。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(tǒng)使用對象大多數是農民，所以系統(tǒng)越簡單才越能夠普及。

③具有一定的保護措施

系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)生故障時，便于查找故障部位。對于重要的參數要定時存儲，以防止因掉電而丟失數據

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，使描述與實際功能一致并且使用戶文檔容易理解。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現原理

系統(tǒng)硬件結構框圖

系統(tǒng)功能實現原理介紹：

溫室的環(huán)境調控最終要通過一系列的執(zhí)行機構來實現。系統(tǒng)溫室的執(zhí)行機構系統(tǒng)由自然通風系統(tǒng)，遮陰與保溫系統(tǒng)，降溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，補光系統(tǒng)，補氣系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)和防災系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中這些執(zhí)行機構均采用繼電器或電磁閥控制電機正轉、反轉與停止、報警器的開停，均為開關量輸入。

1.補光系統(tǒng)

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確定了最大值，只需要在夜晚或自然光照不能滿足要求時打開全部光源即可，只有在凌晨或傍晚時分增加強度時才會設計調節(jié)人工補光的光強。光周期補光控制主要是根據時鐘控制，包括延長日照，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(tǒng)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(tǒng)選用標準白熾燈，金屬鹵化物燈和高壓鈉燈。

2.補氣系統(tǒng)

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

補氣系統(tǒng)即二氧化碳施肥系統(tǒng)，包括二氧化碳容器，壓力調節(jié)器，流量計，電磁閥，時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，容器壓力為11-15MPa，可以在設定的時間間隔內，給生長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，施肥過程不會產生額外的熱量。

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(tǒng)軟件架構

ICC-AVR AVR studio MATLAB PROTUES PROTEL

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運行流程圖

上電后，單片機進行初始化。然后進入計時程序，采集外部光照，與各個季節(jié)設置的光照進行比較，不合格就進入光照處理子程序并進行語音報警，讓執(zhí)行光照的系統(tǒng)繼續(xù)運行，系統(tǒng)進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(jié)二氧化碳子程序并進行語音報警。讓二氧化碳調節(jié)器件繼續(xù)調節(jié)濃度，系統(tǒng)繼續(xù)去對光照和二氧化碳進行判斷，并給予相應執(zhí)行動作。參數變化可以通過人工設置。

3.5 系統(tǒng)預計實現結果

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