基于AVR的西瓜温室生产光照和CO2控制系统

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一、项目概述

1.1 引言

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料,可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期,促进生长发育,防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制,该技术的最终目标是提高控制与作业精度。随着农业现代化的发展,设施农业工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切,己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇,并产生巨大的推动作用。本项目以AVR芯片为控制芯片,设计了一套适用于当前西瓜生产的光照和二氧化碳浓度控制系统。

1.2 项目背景/选题动机

中国作为一个农业大国,“三农”问题关系到国民素质、经济发展,关系到社会稳定、国家富强、民族复兴。“十二五”发展规划中现代农业是的重中之重,我国农业生产靠天吃饭的局面仍未根本改变。农业基础设施条件还比较差,抗御自然灾害能力较弱。近年来,我国每年因气象灾害损失粮食1000亿斤左右。自然灾害呈加重态势,粮食生产风险越来越大。从而使如何在提高农产品产量的同时减少气象灾害对农业生产的影响变得尤为重要。

温室是现代西瓜生产中必不可少的设施之一,光照和二氧化碳浓度是影响西瓜生长发育两个重要的因子。二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料,要维持西瓜的光合作用,应使二氧化碳的浓度保持在250%——300%ppm。光照作物有两个重要的坐标点—光补偿点和光饱和点。光合产物的形成不仅与光照的强度,而且与光照的时间,即由一定光强累积的光照量有关。光照分布愈均匀,其阴影面积率及作物群体漏光损失愈小,则温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对于温室种植西瓜又极其重要的意义。本项目通过使用ATmega16芯片,结合光照传感器、二氧化碳传感器来实现对温室光照和二氧化碳量的自动化控制。

二、需求分析

2.1 功能要求

该系统先测量光照强度,根据在相应的光照条件下二氧化碳的测量值与相应生长期的各环境因子的最高、最低值比较,控制相关设备的打开和关闭。当测量值大于最高值或小于最低值时,除了打开相应的设备外,系统还启动报警设备,提醒工作人员注意。系统具有能测量显示二氧化碳浓度值,和连接到执行设备实行自动控制的功能,同时留有检测控制多个环境因子的接口。

温室光照强度随地理位置和时间变化而变化,不同温室的透光率不同,所以在温室内的光照分布不均匀。太阳辐射是外界对温室环境影响的主要的因素之一,它可直接影响室内的温度、湿度、植物的光合作用、呼吸作用等。根据荷兰学者的研究结果,当光照降低19%时,产量降低21%,当光照降低32%时,产量降低 34%,从而得出1%光照等于1%的产量的结论,由此可见光照对于作物生长的重要性。

夏季光照强度过大,超过光饱和点时,就要人为遮光,防止温室气温过高灼伤作物。可采用外遮阴进行遮阳。而在阴雨季节和冬天夜间,光照强度低于光补偿点使作物有效光照时间缩短时,为促进作物生长,需进行人工补光。常用的温室补光人工光源主要包括白炽灯、卤灯、荧光灯、高压水银灯、金属卤化物灯和高压钠灯等。为调节光质和节约能耗,温室中一般将金属卤化物等和高压钠灯按l:1搭配安装使用。

二氧化碳是植物光合作用的主要碳源。文献中一般认为二氧化碳浓度保持在500^-1000(mg/kg)为适宜浓度,若高达3000 mg·kg将对人体有害。正常大气情祝下的二氧化碳浓度在340350 mg/kg,光合作用速率随光量增加而增加,但达到光饱和点后就趋于缓和。在此情况下,温度的影响不大,但若有二氧化碳施肥使浓度达1000 mg/kg或以上,则光合作用速率可随之加快。而西瓜对二氧化碳的吸收存在着补偿点和饱和点,长时间的二氧化碳饱和浓度可对西瓜光合系统造成破坏而降低光合效率。因此及时准确的了解温室内的二氧化碳浓度是保证温室西瓜高质、快速生长的基础条件。

温室的二氧化碳肥料来源主要有碳水化合物燃料、高压瓶装二氧化碳,干冰、发酵、有机物质降解和化学反应生成法,但大多数的设施实现自动控制较为困难。一般温室中采用钢瓶装的液态二氧化碳气源,用继电器的启闭和控制时间来实现二氧化碳的释放量。当温室内二氧化碳浓度过高时,可以通过自然通风和强制通风来调节。为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境。我们先编制出温室西瓜各生育阶段最适环境条件的管理程序表,存储于AVR单片机的ROM 中,AVR单片机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数,并给终端控制系统指令。终端控制设备向AVR单片机输送检测信息,根据AVR单片机的指令输出控制信号,使电器机械设备执行动作,实现温室环境调节。该系统可自动控制光照和二氧化碳浓度。

2.2 性能要求

1、基于AVR单片机西瓜生产光照合二氧化碳自动控制系统

在西瓜生产系统设计中,软件、硬件紧密相关。多用硬件可减轻CPU负担,提高工作速度。多用软件可降低成本,但软件人员的工作量增大。对于此系统,有些部分必须由硬件完成,有些部分必须由软件完成,对于软、硬件都可完成的交叉部分,应根据具体生产情况选择最佳方案,以达到最佳性能价格比。系系统开发步骤:

总体设计、 硬件、 软件设计、系统仿真、稳定性测试 、写结束报告、交作品。

(1)硬件设计

①经济合理

系统硬件设计中,一定要注意在满足西瓜生产环境所需的性能指标的前提下,尽可能地降低价格,以便得到高的性能价格比,这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素,也是此系统争取市场和快速推广的主要因素之一。

②安全可靠

设计系统和选购设备时要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求,以保证在西瓜生产环境下,系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护,保证输入、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。要保证连接件的接触可靠。

③有足够的抗干扰能力

有完善的抗干扰措施,是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施,对电磁干扰的屏蔽,高输入阻抗下的防止漏电等。

(2)软件设计的基本原则

①结构合理

程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充,而且也有利于程序的修改和维护。另外项目团队中的每个人可以负责一部分,可以提高效率。

②操作性能好,使用方便

尽量减少操作步骤,系统使用对象大多数是农民,所以系统越简单才越能够普及。

③具有一定的保护措施

系统应设计一定的检测程序,例如状态检测和诊断程序,以便系统发生故障时,便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储,以防止因掉电而丢失数据

④提高程序的执行速度

⑤给出必要的程序说明

⑥给出系统的使用说明。

给出完整的用户文档,使描述与实际功能一致并且使用户文档容易理解。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

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系统硬件结构框图

系统功能实现原理介绍:

温室的环境调控最终要通过一系列的执行机构来实现。系统温室的执行机构系统由自然通风系统,遮阴与保温系统,降温系统,加热系统,补光系统,补气系统,灌溉系统和防灾系统组成。系统中这些执行机构均采用继电器或电磁阀控制电机正转、反转与停止、报警器的开停,均为开关量输入。

1.补光系统

光照控制主要有光强度控制和光周期控制两种方式。一般光照强度的控制在光源选择和灯具布置中已经确定了最大值,只需要在夜晚或自然光照不能满足要求时打开全部光源即可,只有在凌晨或傍晚时分增加强度时才会设计调节人工补光的光强。光周期补光控制主要是根据时钟控制,包括延长日照,中断暗期,间歇照明,黎明前光照和短日中断光照等。补光系统由补光灯组成。根据不同的气候条件和作物要选择不同的光源。系统选用标准白炽灯,金属卤化物灯和高压钠灯。

2.补气系统

在温室中作物需要大量的二氧化碳进行光合作用才能茁壮成长。人工增施二氧化碳的适宜浓度,与作物种类、品种和光照强度有关,也因天气、季节、作物生育阶段不同而异。选择适宜的施肥时间,是节约肥源、增加产量的关键之一。在大型温室中补充纯净的二氧化碳是一项既安全又经济的方法。

补气系统即二氧化碳施肥系统,包括二氧化碳容器,压力调节器,流量计,电磁阀,时间控制器和连接用管道。系统采用瓶装压缩二氧化碳施肥。二氧化碳保存在高压的金属容器内,容器压力为11-15MPa,可以在设定的时间间隔内,给生长空间释放一定数量的二氧化碳。调压器可以将压力降低适合流量计工作。瓶装二氧化碳施肥的控制精确度高,配套设备现成,运行费用较低,施肥过程不会产生额外的热量。

3.2 硬件平台选用及资源配置

AVR单片机 电机 继电器 电磁阀 传感器(光照、二氧化碳)

3.3系统软件架构

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3.4 系统软件流程

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程序运行流程图

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上电后,单片机进行初始化。然后进入计时程序,采集外部光照,与各个季节设置的光照进行比较,不合格就进入光照处理子程序并进行语音报警,让执行光照的系统继续运行,系统进入二氧化碳浓度测量,判断是否与当前光照下西瓜所需二氧化碳浓度符合,不符合就转入调节二氧化碳子程序并进行语音报警。让二氧化碳调节器件继续调节浓度,系统继续去对光照和二氧化碳进行判断,并给予相应执行动作。参数变化可以通过人工设置。

3.5 系统预计实现结果

制作出系统模型,能够仿真系统运行,当外界环境改变时达到自动调节温室的光照强度和二氧化碳浓度。

 

 

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