温室大棚环境参数自动测控系统研究

温室大棚环境参数自动测控系统研究

钟新平

（广西大学电气工程学院，广西南宁530004）

［摘要］针对温室大棚内温度、湿度以及二氧化碳浓度等环境参数，设计开发一种以单片机为核

心处理器，综合运用计算机控制技术、电子技术和自动化技术的参数自动测控系统。该测控系统结构简单、低成本、高效率，运行可靠性和可移植性好，具有良好的应用前景。

［关键词］温室大棚；温湿度；二氧化碳；测控；单片机［中图分类号］TP273

［文献标识码］A

［文章编号］1009-3621（2008）06-0094-04

Research into Automatic Measurement and Control System for

Environment Parameters in Greenhouse

ZHONG Xin-ping

[Abstract]In light of the environment parameters,such as temperature,humidity and carbon dioxide levels,etc.,in greenhouse,an automatic parameters measurement and control system is designed.The system,using the single-chip microcomputer as its core processor,makes comprehensive use of computer control technology,electronic technology and automation technology.With its simple structure,high efficiency,low cost,reliable operation and good portability,the system has good application prospect.

[Key wards]greenhouse ；temperature and humidity ；carbon dioxide;measure and control ；single-chip microcomputer

温室大棚是一种通过人工控制温度等环境参数，模拟农业生产的自然环境的设施。研制和实现温室大棚自动测控，是实现农业生产自动化、高产、优质的一种行之有效的方法。

测控系统主要针对温室内温度、湿度以及二氧化碳浓度等环境参数，以单片机为核心处理器，实现参数采集、参数处理、参数控制过程的自动化，实现对温湿度、二氧化碳浓度等环境参数的精确测量与准确控制。该测控系统具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，具有良好的

应用前景。

1.研究方案的设计

1.1温室大棚内重要参数的调节与控制1.1.1温度的调节与控制

温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面。

（1）加温

加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加

[收稿日期]2008-08-24

[作者简介]钟新平（1972-），男，广西全州人，广西大学电气工程学院2005级控制工程专业研究生，南宁职业技术学院机电工程学院讲师，主

要从事电子技术和计算机控制技术研究。

Journal of Nanning Polytechnic

(School of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,Guangxi,China)

温三种形式。热风采暖系统由热风炉直接加热空气及蒸汽热交换空气两种，前者适用于塑料大棚，后者适用于有集中供暖设备温室；热水采暖系统的稳定性好，温度分布均匀；土壤加温有酿热物加温、电热加温和水暖加温。

（2）降温

降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，须进行人工强制降温。降温包括遮光降温法、蒸发冷却法及强制通风降温法。

遮光降温法，其中一种是在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效；蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入内，达到降温目的。蒸发冷却法有湿帘——

—风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。

（3）保温

保温措施包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。减少贯流放和通风换气量包括减少向温室内表面的对流传热核辐射传热、减少覆盖材料自身的热导散热、减少温室外表面向大气的对流和辐射传热；增大保温比是适当的减低温室的高度，缩小夜间保护设施的散热面积；增大地表热流量可以采用增大保护设施的透光率、设置防寒沟，防止地中热量横向流出。

1.1.2空气湿度的调节与控制

除湿的方法有通风换气、加温除湿、覆盖地膜、适当地控制灌水量、使用除湿机、除型热交换通风装置。一般采用自然通风，达到降低温室内湿度的目的；在有条件的情况下，可采用强制通风；其他的方法如覆盖地膜、热泵除湿等也能达到除湿的目的。

加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿。喷雾加湿时可根据室内面积选择合适的喷雾器，加湿效果明显，常与降温结合使用；湿帘加湿主要用来降温，同时也可达到加湿的目的。

1.1.3二氧化碳含量的调节与控制

在温室大棚环境中，经常处于密闭状态，缺少内外气体交换，二氧化碳浓度变幅较大，中午温室内由于光合作用，二氧化碳浓度下降，接近甚至低于补偿点，应及时补充二氧化碳。常用的方法主要有两种：燃烧法：通过二氧化碳发生器燃烧液化石油气、丙烷气、天然气、白煤油等产生二氧化碳。

化学反应法：即用酸和碳酸盐发生化学反应产生二氧化碳。在简易的气肥发生装置内产生二氧化碳气体，通过管道将其施放于设施内。该法成本较低，二氧化碳浓度容易控制。

1.2系统总体方案的设计

1.2.1总体方案设计

本系统是以单片机为核心的，整个系统包括主模块、数据采集与处理模块、输出控制模块、键盘显示模块。数据采集与处理模块能够完成温室内温度、湿度和二氧化碳浓度的模拟量的采集和处理，产生对应的控制信号，输出控制模块主要负责温室执行机构的控制。原理框图如图1所示。

图1温室智能测控系统原理图

（1）温室内外环境自动测试系统

主要测试温室外空气温度、湿度，温室内空气温度、湿度、CO2浓度等环境参数。

（2）温室内环境自动控制系统

根据环境自动测试系统得到的结果控制相应执行机构的执行，为作物提供良好的生长环境。

（3）人机对话接口

LED显示系统：显示温室内的温度、湿度和CO2浓度等环境参数值。

键盘：用以人工预置各适宜环境参数值。

报警系统：当对加热器、排风扇、通风窗和喷水设备的控制失效时，以及某环境参数值超过限定界限时，发出声光报警信号，提醒工作人员采取相应措施。

2.硬件设计

2.1硬件电路组成

本部分是温室大棚检测和控制系统的核心部分，主要涉及微控制器及其接口电路，信号的输入，

输出通道及系统键盘显示电路，执行机构电路等。

2.2温度数据的采集与处理电路的设计

2.2.1温度传感器的选择

选用由AD 公司生产的AD590集成温度传感

器，它具有线性好、灵敏度高、体积小、价格低，并且具有长期稳定性等优点。

2.2.2温度测量电路

系统设计采用具有独立调节功能的测温电路，如图2所示。AD590的输出电流I=（273+T ）uA ，因此测得电压U01=（273+T ）uA ×10K Ω=（273+T ）×10-

2V 。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R1，使U01=2.732V ；或者在室温的条件下通过调节电位器R2，使电压U02=-2.73V ，调整电位器R3，使U0=1.25V 。这种调整的方法，可以保证在0℃或25℃附近有

较高精度。

2.3湿度数据的采集与处理2.

3.1湿度传感器的选择

电容式湿敏元件，具有最突出的优点是长期稳定性极强、线性度好，通过严格的工艺制作制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度。所以本设计采用电容式湿度传感器HS1101。

2.3.2湿度测量电路

本系统采用的是将HS1101接入555定时器组

成的振荡器电路中，输出一定频率的方波信号。具体的测量电路如图3所示：

集成定时器NE556芯片，它内部含有两个

NE556定时器。其中R1、R2、C1、C2和NE556构成多谐振荡器，外接电阻R1、R2与湿敏电容C1构成了对电容C1的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1的放电回路。根据

HS1101典型输出曲线，得到电容值和湿度值的近似关系为：RH ≈(CX-163)/0.39，通过测量NE556

定时器的输出脉宽，求出了相应的电容值，然后，根据上面的式子，由电容值，求得相应的湿度值。

2.4二氧化碳数据的采集与处理2.4.1二氧化碳传感器的选择

红外线吸收散射式气体传感器灵敏度高，可重复性好，响应时间快，预热时间短。所以，通过比较，在二氧化碳浓度测量上采用响应速度快、测量精度高、技术成熟的红外二氧化碳气体传感器6004。

2.4.2红外二氧化碳传感器的工作原理

红外二氧化碳传感器6004是电调制NDIR 红

外气体传感器，在结构设计上将红外光源、气室、红外探测器设置在同一光轴上。工作时红外光源发出周期性的红外光，入射到测量气室,二氧化碳气体吸收特定波长的红外光，透过测量气室的红外光由红外探测器探测。转换为输出的电信号，由放大电路放大并经过放大整流，得到一个与被测气体浓度对应的直流信号。直流信号经过测控系统,并经数字滤波及温度补偿等软件处理后,输出气体浓度测量值。

2.5键盘显示电路设计2.5.1键盘电路设计

键盘是一种最简单的人工干预系统运行的途径，利用键盘，可以很方便的实现向系统输入数据或让系统去执行某一项命令。根据系统特点及要求，本文共设置了4个按键。

Journal

of Nanning Polytechnic

图2

温度测量电路

图3湿度测量电路

参数控制键K1：持续按住该键3秒，系统已进入控制值设置状态，若此时按下K2或者K3则该数码管数值呈连续递增或递减，直至达到需要的数值，然后再按下参数控制键进入下一个参数的设置。当所有的参数都设置完成后，点按复位键K4则退出该状态，恢复显示当前温湿度、二氧化碳浓度值。

加一键K2：(1)正常状态下点按该键，系统进入控制值查看状态，数码管显示的数值为温度控制设定值，再次点按依次显现湿度、二氧化碳浓度控制值。(2)在控制值设置状态下，该键可对数码管进行数值递增设置。每按一次该键，设定值的末尾位就会加一。

减一键K3：每按一次该键，设定值的末尾位就会自动减去一。

复位键K4：在控制值设置状态、控制值查看状态时，按下该键可立即恢复正常显示状态。

2.5.2显示电路设计

6个LED接成共阴极形式，由CPU输出相应的数字显示代码来点亮或熄灭相应的LED。为了节约I/O接口，采用动态显示方式，任意时刻只输出一个显示码到相应的LED上显示，6个LED轮流输出和显示，由于LED的辉光效应以及人眼视觉暂留的作用，仍然可以看到6个LED同时显示不同位数字的效果。

温室大棚环境参数测控系统的研究，是电子技术、计算机控制技术、传感器技术、自动化技术的综合运用。在系统设计和开发过程中，紧密结合温室大棚的实际情况，结合先进的控制理念，进行了总体方案设计和各功能模块的设计。本系统具有结构简单、低成本、高效率、运行可靠性好、可移植性好等优点，具有很好的应用前景。

[参考文献]

[1]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出

版社，2004.

[2]陈健，刘九庆.温室环境工程技术[M].哈尔滨：东北林业

大学出版社，2002.

[3]沙占友，王彦朋等.单片机外围电路设计[M].北京：电子

工业出版社，2003.

[责任编辑：曾广春]

[责任校对：黄桂婵]