蔬菜大棚自動通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)論文

1、一、前言在各種植物蔬菜生長過程中，特別是蔬菜大棚里農(nóng)作物的生長需要適合它生長的適宜溫度及二氧化碳濃度，所以要經(jīng)常測量蔬菜大棚內(nèi)的溫度高低與二氧化碳濃度大小，根據(jù)溫度的高低與二氧化碳濃度大小采取一定的措施，使得更好的調(diào)節(jié)溫棚內(nèi)的溫度及二氧化碳濃度，達(dá)到農(nóng)作物生長所適宜的條件。通常采取的措施是通風(fēng)措施，因為通風(fēng)換氣對于大棚蔬菜有降溫、排濕、調(diào)節(jié)補(bǔ)充二氧化碳、排除有害氣體等多方面的作用。通風(fēng)跟蒸騰作用和光合作用都有關(guān)，其中以蒸騰作用為主。由于溫度過高，作物蒸騰作用加強(qiáng)，棚內(nèi)濕度增加，通風(fēng)是為了降低濕度，防止病蟲害發(fā)生，這是最主要的;其次，溫度升高，并在植物正常生長的閾值以內(nèi)時，作物的光合作用會隨之增

2、強(qiáng)，通風(fēng)有利于供給足夠的二氧化碳進(jìn)行光合作用，有助于增產(chǎn)、增收。而溫度的高低及二氧化碳濃度大小對農(nóng)作物生長有很大的影響。植物只有在一定的溫度范圍內(nèi)才能夠生長。溫度對生長的影響是綜合的，它既可以通過影響光合、呼吸、蒸騰等代謝過程，也可以通過影響有機(jī)物的合成和運(yùn)輸?shù)却x過程來影響植物的生長，還可以直接影響土溫、氣溫，通過影響水肥的吸收和輸導(dǎo)來影響植物的生長。在封閉的溫室大棚中，二氧化碳的濃度較低，滿足不了植物光合作用所需量，同時由于缺少二氧化碳，使得植物的光合作用進(jìn)行緩慢，因而造成植物抗病蟲害能力降低、產(chǎn)量減少、品質(zhì)下降、生產(chǎn)周期延長等情況。二氧化碳濃度過高，常引起蔬菜作物葉片卷曲，影響光合作用的

3、正常進(jìn)行，會影響作物對氧氣的吸收。不能進(jìn)行正常的呼吸代謝作用，而影響正常的生長發(fā)育，促進(jìn)衰老過程。棚室內(nèi)空氣中二氧化碳濃度過高，如不及時換氣，則使棚內(nèi)溫度迅速升高，引起蔬菜作物的高溫危害，所以通風(fēng)換氣對蔬菜大棚使非常重要的。并且那些搭棚的農(nóng)民有時在忙也要放下手中的活去蔬菜大棚里通風(fēng)。有時候這樣對給農(nóng)民帶來不便，而且不能及時到棚里給蔬菜大棚通風(fēng)。鑒于這種情況，設(shè)計了蔬菜大棚自動控制通風(fēng)系統(tǒng)，減少了人力勞動，恰到好處的給蔬菜大棚通風(fēng)，使室內(nèi)的溫度與二氧化碳達(dá)濃度到有利于農(nóng)作物生長比例。二、控制系統(tǒng)設(shè)計 蔬菜大棚自動通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，首先需要檢測棚內(nèi)溫度及二氧化碳濃度的大小 ，將檢測信號傳輸至智能控制

4、器，智能控制器通過計算及處理，將輸出信號傳至智能控制閥，閥門的開度通過拉桿拉動彈性系數(shù)恰到好處的彈簧，由彈簧控制通風(fēng)口開合度的大小，從而實現(xiàn)棚內(nèi)溫度及二氧化碳濃度的自動控制。其設(shè)計原理圖如下圖1所示：信號檢測控制器智能控制閥通風(fēng)口開合度控制棚內(nèi)溫度二氧化碳濃 度 圖1 蔬菜大棚自動控制原理圖 對于整個自動控制系統(tǒng)，其信號檢測環(huán)節(jié)難度及質(zhì)量要求最高，實現(xiàn)檢測過程的元件及工作原理如下：1、溫度傳感器1熱電阻:根據(jù)金屬絲的電阻隨溫度變化的原理工作的。熱電阻是測量低溫的溫度傳感器，一般測量溫度在-200800。溫度傳感器的工作原理圖如圖2所示：圖2 PN結(jié)溫度傳感器應(yīng)用電路2、蔬菜大棚濃度傳感器蔬菜大

5、棚是一個相對封閉的環(huán)境，作物在溫室內(nèi)不斷進(jìn)行著的吸收與釋放過程，因此，蔬菜大棚內(nèi)的濃度與外界環(huán)境有明顯的差異。一般來說，白天溫室內(nèi)綠色植物光合作用旺盛，濃度急劇下降；夜間光合作用停止，呼吸作用釋放，室內(nèi)濃度逐漸升高。作物群體的來源包括空氣和土壤。假定溫室面積為（），空間容積為V（），則其室內(nèi)的濃度對時間的變化率可用下式表示: (1) 式中 _計算施用量，g/h； -室內(nèi)空氣設(shè)定的目標(biāo)濃度，g/,在常溫常壓下，1g/相當(dāng)于531ml/; -室外空氣濃度，g/； n-換氣次數(shù)，次/h; -凈光合作用強(qiáng)度，一般1-8g/(.h）。基于濃度對時間的變化率，設(shè)計了紅外吸收型二氧化碳傳感器來監(jiān)測溫室內(nèi)的濃

6、度。 紅外吸收型二氧化碳?xì)怏w傳感器的工作原理：紅外吸收型CO2氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對不同波長的紅外輻射的吸收程度就不同，因此，不同波長的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時，某些波長的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)?，產(chǎn)生紅外吸收光譜，故當(dāng)知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時，便能從中獲得該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。同一種物質(zhì)不同濃度時，在同一吸收峰位置有不同的吸收強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度與濃度成正比關(guān)系。因此通過檢測氣體對光的波長和強(qiáng)度的影響，便可以確定氣體的濃度。根據(jù)比爾朗伯定律，輸出光強(qiáng)度 、輸入光強(qiáng)度 和氣體濃度 之間的關(guān)系為： （2）式中為摩爾

7、分子吸收系數(shù)；C 為待測氣體濃度；L 為光和氣體的作用長度（傳感長度）。對上式進(jìn)行變換得： （3） 圖3  二氧化碳傳感器探頭結(jié)構(gòu)紅外二氧化碳傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。是由紅外光源、測量氣室、可調(diào)干涉濾光鏡、光探測器、光調(diào)制電路、放大系統(tǒng)等組成。紅外光源采用鎳鉻絲，其通電加熱后可發(fā)出310m的紅外線，其中包含了4.26m處CO2氣體的強(qiáng)吸收峰。在氣室中，二氧化碳吸收光源發(fā)出特定波長的光，經(jīng)探測器檢測則可顯示出二氧化碳對紅外線的吸收情況。干涉濾光鏡是可調(diào)的，調(diào)節(jié)他可改變其通過的光波波段，從而改變探測器探測到信號的強(qiáng)弱。紅外探測器為薄膜電容，吸收了紅外能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增

8、大，電容兩極間的距離就要改變，電容值隨之改變。CO2氣體的濃度愈大，電容值改變也就愈大。檢測電路的設(shè)計原理圖如下圖所示： 圖4 檢測電路原理框圖檢測電路由紅外二氧化碳傳感器、數(shù)字濾波電路、放大電路、穩(wěn)流電路、單片機(jī)系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償?shù)冉M成。設(shè)計的基本原理是紅外二氧化碳傳感器將檢測到的二氧化碳?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，輸出的電信號分別經(jīng)過濾波、放大處理，輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，并經(jīng)溫度和氣壓補(bǔ)償?shù)忍幚砗?，由單片機(jī)系統(tǒng)輸出送顯示裝置顯示其測量值。二氧化碳濃度檢測電路的設(shè)計如下圖5所示： 圖5  二氧化碳濃度檢測電路圖按照上述設(shè)計原理，設(shè)計的二氧化碳檢測電路如圖所示。工作原理是首先由紅外傳感器探測

9、到二氧化碳的濃度并轉(zhuǎn)換成電信號，濾波電路提取電信號并輸出到放大電路，經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)處理后輸出，再送入顯示電路，以實現(xiàn)對二氧化碳?xì)怏w濃度的檢測。電路中由R1、R2、R3、R4、C1、C2和運(yùn)放組成濾波電路，當(dāng)信號頻率趨于零時，由于C1的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當(dāng)信號頻率趨于無窮大時，C2的電抗趨于零。這樣就保證了當(dāng)信號頻率在趨于零和無窮大之間的任何一個值，濾波電路都可以正常提取相應(yīng)的電信號。濾波電路之后的放大電路，其作用是將濾波電路輸出的信號放大到一定的程度，以便驅(qū)動負(fù)載。R6和C4串聯(lián)構(gòu)成校正網(wǎng)絡(luò)用來對電路進(jìn)行相位補(bǔ)償。單片機(jī)系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換、輸入或者中斷系統(tǒng)組成，表明單片機(jī)既可采

10、用中斷方式讀入A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，也可以采用查詢方式，最后的結(jié)果數(shù)碼管顯示具體數(shù)值。檢測處理程序流程框圖如下圖6所示：3、智能控制閥智能閥門定位器內(nèi)裝高集成度的微控制器，采用電平衡(數(shù)字平衡)原理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平衡原理，將控制系統(tǒng)來的輸入信號通過微處理器和I/P轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成氣動定位增量信號來實現(xiàn)閥位控制,利用數(shù)字式開、停、關(guān)的信號來驅(qū)動氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，閥位反饋信號直接通過高精確度的位置傳感器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入微處理器進(jìn)行反饋比較，實現(xiàn)了電/氣轉(zhuǎn)換功能和閥門精確定位的功能。智能閥門定位器中集成的壓力傳感器用來采集閥門定位器輸出至閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣源壓力信號，用來進(jìn)一步提高閥門的定位精度和為智能定位

11、器的自診斷提供依據(jù)。智能閥接受不同的電流信號自動的調(diào)節(jié)閥的開合度，智能閥的開度直接調(diào)節(jié)通風(fēng)口的大小，接受不同的信號使得智能閥的開合度不同，從而使得調(diào)節(jié)通風(fēng)口的大小不同，實現(xiàn)所期望的目的，減少勞動力的投入以及便于更好的調(diào)節(jié)蔬菜大棚內(nèi)的溫度與二氧化碳的濃度，使農(nóng)作物在適宜的條件下良好的生長，增加產(chǎn)量效益。 開始相關(guān)寄存器初始設(shè)定計時器初值啟動A/D轉(zhuǎn)換讀A/D取平均值數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)修正存儲數(shù)據(jù)輸出顯示N=N-1輸入中斷或開啟是有中斷請求否N=0?否是 圖6 檢測處理程序流程圖三、結(jié)束語蔬菜大棚通風(fēng)的自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了自動控制蔬菜大棚的通風(fēng)，調(diào)節(jié)蔬菜大棚內(nèi)溫度的高低以及二氧化碳濃度的大小，節(jié)約

12、了人力資源，提高了經(jīng)濟(jì)效益，也為居家室內(nèi)空氣的改善和工廠車間空氣的改善提供了自動化控制的理論依據(jù)，使空氣自動化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)更加完善。參考文獻(xiàn)：1 王化祥， 傳感器原理及應(yīng)用M天津大學(xué)出版社 19992 王永紅，劉玉梅檢測技術(shù)與控制裝置M北京；化學(xué)工業(yè)出版社，20063 梁森，歐陽三泰，王侃夫檢測技術(shù)及應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20064 周澤存，檢測技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社19935 張曉峻，基于ZigBee溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究D 哈爾濱工程大學(xué)，2007年6 潘文維 ，羅慶熙 ，李軍，我國溫室產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展建議J 北方園藝，2002年03期7 孫德發(fā)，連棟塑料溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及工程應(yīng)用研究D 浙江大學(xué)，2002年8 梁宗敏，連棟溫室結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠度設(shè)計理論研究D 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004年9 沈正炳，多聯(lián)棟溫室鋼框