溫室大棚二氧化碳自動監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、摘要溫室是設施農(nóng)業(yè)的重要組成局部，溫室大棚測控系統(tǒng)是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學化的根本保證。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結合作物生長規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物在不適宜生長的反季節(jié)中，可獲得比室外生長更優(yōu)的環(huán)境條件，從而使作物到達優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。本課題主要針對溫室二氧化碳濃度，設計了AT89C51單片機為核心的溫室大棚二氧化碳濃度監(jiān)控系統(tǒng)。本文對系統(tǒng)的的軟硬件經(jīng)行了詳細的設計，實現(xiàn)了二氧化碳濃度的精確測量與準確控制。針對不同的光照條件，系統(tǒng)設計了判斷光照條件電路，在不同的光照條件下執(zhí)行不同的控制程序。系統(tǒng)可以通過鍵盤查看儲存的濃度值，也可以人工控制執(zhí)行機構。當單片機檢測到二氧化碳濃度參數(shù)

2、越限時，那么啟動聲光報警，同時單片機通過控制固態(tài)繼電器翻開相應的執(zhí)行機構進行補償。為了便于系統(tǒng)的調(diào)試、修改和改良，軟件設計以匯編語言為根底，采用模塊化設計，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理等模塊、顯示模塊、鍵盤模塊以及控制模塊。在系統(tǒng)設計過程中充分考慮到性價比，選用價格低、性能穩(wěn)定的元器件。通過運行調(diào)試，試驗結果與設計期望一致。該監(jiān)控系統(tǒng)具有檢測精度高、使用簡單和工作穩(wěn)定可靠等特點，不僅可以應用在農(nóng)業(yè)大棚，也可以應用在恒溫濕的機械加工廠、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等方面，所以具有一定的推廣價值。關鍵詞：溫室大棚，二氧化碳，監(jiān)控，單片機AbstractGreenhouse is an important com

3、ponent of protected agriculture.Measuring and controlling systen is the basis of the management automation in the greenhouse.With the growth rules analyzing measurement data and controlling circumstance condition,it makes greenhouse better condition than outdoor in the unfit season,and more producti

4、ve and high quality.This thesis presents the measuring and controlling system about carbon dioxide is density in the greenhouse, the design of the AT89C51 single-chip microcomputer as the core, the concentration of greenhouse carbon dioxide monitoring system.In this paper, the hardware and software

5、of the system by the line of the detailed design, the concentration of carbon dioxide to achieve a precise control and accurate measurement. For different light conditions, the system was designed to determine light circuit, in different light conditions, the implementation of different control proc

6、edures. System can be stored through the keyboard to view the concentration of value, you can manually control the executive body. When the single-chip to detect the concentration of carbon dioxide more limited parameters, sound and light alarm is activated at the same time by controlling the single

7、-chip solid-state relay to open the corresponding implementing agencies to compensate. In order to facilitate system debug, modify and improve software design to assembly language-based, modular design, including data acquisition module, data processing module, display module, the keyboard module an

8、d control module.This thesis choose the decices as full consideration of the ration between prformance and cost as possible.After debugging,measuring result with anticipate.This measuring and controlling system is simple,stable and low cost.It can be aoolied not only in greedhouse,but also in enviro

9、nment monitoring and constant hygrothermal factory.And it has much of value to apply and popularize in other fields.Key wards:greenhouse,carbon dioxide, Monitoring,single-chip 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232944823 摘要 PAGEREF _Toc232944823 h I HYPERLINK l _Toc232944824 Abstract PAGEREF _Toc232

10、944824 h II HYPERLINK l _Toc232944825 目錄 PAGEREF _Toc232944825 h I HYPERLINK l _Toc232944826 第一章 緒論 PAGEREF _Toc232944826 h 1 HYPERLINK l _Toc232944827 課題的背景及主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc232944827 h 1 HYPERLINK l _Toc232944828 國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀及趨勢 PAGEREF _Toc232944828 h 2 HYPERLINK l _Toc232944829 1. 國外的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _T

11、oc232944829 h 2 HYPERLINK l _Toc232944830 國內(nèi)的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc232944830 h 2 HYPERLINK l _Toc232944831 課題的研究意義 PAGEREF _Toc232944831 h 3 HYPERLINK l _Toc232944832 本文的主要工作 PAGEREF _Toc232944832 h 3 HYPERLINK l _Toc232944833 第2章 設計方案論證 PAGEREF _Toc232944833 h 4 HYPERLINK l _Toc232944834 溫室大棚內(nèi)CO2參數(shù)的調(diào)節(jié)與控

12、制 PAGEREF _Toc232944834 h 4 HYPERLINK l _Toc232944835 系統(tǒng)總體方案的設計 PAGEREF _Toc232944835 h 5 HYPERLINK l _Toc232944836 總體方案設計 PAGEREF _Toc232944836 h 5 HYPERLINK l _Toc232944837 硬件系統(tǒng)框圖 PAGEREF _Toc232944837 h 5 HYPERLINK l _Toc232944838 系統(tǒng)的技術要求及主要功能 PAGEREF _Toc232944838 h 6 HYPERLINK l _Toc232944839 第

13、3章 硬件設計 PAGEREF _Toc232944839 h 7 HYPERLINK l _Toc232944840 微控制器概述 PAGEREF _Toc232944840 h 7 HYPERLINK l _Toc232944841 3.1.1 AT89C51單片機的主要功能 PAGEREF _Toc232944841 h 7 HYPERLINK l _Toc232944842 3.1.2 AT89C51芯片的內(nèi)部結構框圖 PAGEREF _Toc232944842 h 8 HYPERLINK l _Toc232944843 3.1.3 AT89C51芯片引腳說明 PAGEREF _Toc

14、232944843 h 9 HYPERLINK l _Toc232944844 3.1.4 AT89C51的時鐘振蕩器 PAGEREF _Toc232944844 h 12 HYPERLINK l _Toc232944845 3.1.5 AT89C51復位電路 PAGEREF _Toc232944845 h 13 HYPERLINK l _Toc232944846 擴展I/O接口的設計 PAGEREF _Toc232944846 h 13 HYPERLINK l _Toc232944847 3.2.1 8255A芯片介紹 PAGEREF _Toc232944847 h 14 HYPERLINK

15、 l _Toc232944848 3.2.2 AT89C51單片機和8255A的接口 PAGEREF _Toc232944848 h 15 HYPERLINK l _Toc232944849 二氧化碳濃度檢測模塊的設計 PAGEREF _Toc232944849 h 16 HYPERLINK l _Toc232944850 二氧化碳濃度傳感器TGS4160概述 PAGEREF _Toc232944850 h 16 HYPERLINK l _Toc232944851 3.3.2 TGS4160的內(nèi)部結構 PAGEREF _Toc232944851 h 16 HYPERLINK l _Toc232

16、944852 3.3.3 TGS4160的工作原理 PAGEREF _Toc232944852 h 17 HYPERLINK l _Toc232944853 二氧化碳檢測電路設計 PAGEREF _Toc232944853 h 18 HYPERLINK l _Toc232944854 光強檢測模塊的設計 PAGEREF _Toc232944854 h 19 HYPERLINK l _Toc232944855 光敏電阻介紹 PAGEREF _Toc232944855 h 19 HYPERLINK l _Toc232944856 光強檢測電路的設計 PAGEREF _Toc232944856 h

17、21 HYPERLINK l _Toc232944857 3.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊 PAGEREF _Toc232944857 h 21 HYPERLINK l _Toc232944858 3.5.1 ADC0809引腳及功能 PAGEREF _Toc232944858 h 21 HYPERLINK l _Toc232944859 3.5.2 A/D0809轉(zhuǎn)換原理 PAGEREF _Toc232944859 h 23 HYPERLINK l _Toc232944860 執(zhí)行機構的設計 PAGEREF _Toc232944860 h 23 HYPERLINK l _Toc232944861 固態(tài)

18、繼電器簡介 PAGEREF _Toc232944861 h 23 HYPERLINK l _Toc232944862 執(zhí)行機構電路 PAGEREF _Toc232944862 h 24 HYPERLINK l _Toc232944863 顯示模塊 PAGEREF _Toc232944863 h 25 HYPERLINK l _Toc232944864 數(shù)碼管顯示原理 PAGEREF _Toc232944864 h 25 HYPERLINK l _Toc232944865 數(shù)碼顯示電路 PAGEREF _Toc232944865 h 26 HYPERLINK l _Toc232944866 發(fā)光

19、二極管顯示電路 PAGEREF _Toc232944866 h 27 HYPERLINK l _Toc232944867 鍵盤模塊 PAGEREF _Toc232944867 h 27 HYPERLINK l _Toc232944868 報警模塊 PAGEREF _Toc232944868 h 28 HYPERLINK l _Toc232944869 電源電路 PAGEREF _Toc232944869 h 29 HYPERLINK l _Toc232944870 系統(tǒng)總原理圖 PAGEREF _Toc232944870 h 30 HYPERLINK l _Toc232944871 本章小結

20、PAGEREF _Toc232944871 h 30 HYPERLINK l _Toc232944872 第4章 軟件設計 PAGEREF _Toc232944872 h 31 HYPERLINK l _Toc232944873 主程序的設計 PAGEREF _Toc232944873 h 31 HYPERLINK l _Toc232944874 數(shù)據(jù)的采集、處理與存儲程序的設計 PAGEREF _Toc232944874 h 31 HYPERLINK l _Toc232944875 判斷鍵值子程序的設計 PAGEREF _Toc232944875 h 32 HYPERLINK l _Toc2

21、32944876 按鍵子程序的設計 PAGEREF _Toc232944876 h 33 HYPERLINK l _Toc232944877 輸出控制程序的設計 PAGEREF _Toc232944877 h 34 HYPERLINK l _Toc232944878 顯示程序的設計 PAGEREF _Toc232944878 h 34 HYPERLINK l _Toc232944879 系統(tǒng)程序清單 PAGEREF _Toc232944879 h 35 HYPERLINK l _Toc232944880 本章小結 PAGEREF _Toc232944880 h 35 HYPERLINK l _

22、Toc232944881 結論 PAGEREF _Toc232944881 h 36 HYPERLINK l _Toc232944882 參考文獻 PAGEREF _Toc232944882 h 37 HYPERLINK l _Toc232944883 致謝 PAGEREF _Toc232944883 h 38 HYPERLINK l _Toc232944884 附錄 PAGEREF _Toc232944884 h 39 HYPERLINK l _Toc232944885 附錄 PAGEREF _Toc232944885 h 44第一章 緒論課題的背景及主要內(nèi)容隨著改革開放的的開展，中國的現(xiàn)代

23、化程度不斷提高，中國的農(nóng)業(yè)的開展必然走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟的飛速開展，我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)研究和應用越來越受到重視特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成局部?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的一環(huán)是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的重要參數(shù)進行檢測和控制，其中對CO2濃度的檢測和控制是溫室大棚環(huán)境控制及其重要的局部。在農(nóng)業(yè)種植中，CO2濃度與綠色植物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關，合理的控制CO2濃度，綠色植物的光合作用將發(fā)揮很大的潛力，使農(nóng)作物到達優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。CO2濃度的監(jiān)控在以溫室大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施中發(fā)揮著巨大的作用。國外的溫室設施已經(jīng)到達了比擬完備的程度，并且形成了一些標準，

24、但是價格非常昂貴。在我國，當今對大多數(shù)溫室環(huán)境因素的檢測和控制都采用人工管理，這樣不可防止測控精度低、勞動強度大，還存在測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了本錢，浪費了人力資源，還沒有到達預期的效果。因此，為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學化并提高農(nóng)業(yè)研究的準確性，推動我國農(nóng)業(yè)的開展，必須大力開展設施農(nóng)業(yè)。對大棚中CO2濃度的科學管理是多種環(huán)境因素中極為重要的一局部，是高效農(nóng)業(yè)必不可少的環(huán)節(jié)。目前，在我國蔬菜大棚的數(shù)量極多，并且還在迅速增長，人們對齊性能的要求也越來越高，對大棚的自動化程度也越來越高。由于單片機及其電子器件的性價比不斷提高，我國這方面的技術也逐步成熟，這些要求都

25、將可以實現(xiàn)。本文提出一種以AT89C2051單片機為控制核心的CO2濃度測控儀，主要對溫室大棚中CO2濃度進行有效、可靠的檢測與控制設計的。該系統(tǒng)具有檢測精度高、使用簡單、本錢低和工作穩(wěn)定的特點，不僅可以作為溫室大棚CO2濃度環(huán)境控制儀，還可以集成控制其他環(huán)境因素的模塊，如溫度、濕度、光照等，都可以以該系統(tǒng)為整合，從而實現(xiàn)對溫室環(huán)境的總體控制。國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀及趨勢國外的研究現(xiàn)狀 西方興旺國家在現(xiàn)代化溫室測控技術起步較早，借助其興旺的科技力量，已實現(xiàn)了溫室測控的自動化、智能化，并且應用到多個領域。1949年，美國建成了第一個植物人工氣候室，開展了植物對自然環(huán)境的適應性和抵抗能力的根底及應用的研

26、究。20世紀60年代，生產(chǎn)型的高級溫室開始應用與西方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，70年代以后荷蘭、日本、美國、以色列等國家的溫室技術迅猛開展，溫室設計應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖多個領域。隨著計算機和電子技術的飛速開展，近年來，溫室大棚的自動監(jiān)控和管理技術不斷提高，在世界各地都得到了長足的開展。目前，國外的溫室的內(nèi)部設計已經(jīng)到達了比擬完備的程度，并且形成了一些標準。溫室的各種環(huán)境因子大多有計算機集中控制，各種傳感器都比擬齊全和成熟，不僅對溫度、濕度、CO2濃度和光強進行檢測，還可以對作物的營養(yǎng)液濃度等多種條件進行檢測，各種控制技術也非常成熟，傳感器和執(zhí)行機構的結合程度非常高。一些國家在實現(xiàn)自動化的根底上正在

27、向著完全自動化和無人化的方向開展。國內(nèi)的開展現(xiàn)狀我國的溫室技術起步較晚，20世紀70年代以前我國根本還停留的農(nóng)業(yè)完全人工作業(yè)，70年代以后，國家大力開展以溫室大棚為主的設施農(nóng)業(yè)，促進農(nóng)村經(jīng)濟開展和環(huán)節(jié)蔬菜季節(jié)性短缺的矛盾。經(jīng)過20多年的開展，我國的溫室大棚已經(jīng)具有規(guī)?；?、專業(yè)化、管理水平高的特點，但是我國設施農(nóng)業(yè)的自動化程度不高，走科學種植的道路卻要人工實現(xiàn)，全國大多數(shù)大棚不具有自動控制設備，這與我國的經(jīng)濟條件所決定。近年來我國大力開展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，一批生產(chǎn)自動化農(nóng)業(yè)設施的廠家應運而生，但是現(xiàn)在這些設備還沒有普及，原因又很多，農(nóng)民自身知識水平不高不相信科學是一方面，經(jīng)濟水平也決定了我國的溫室大棚

28、自動化的道路任重而道遠?？傮w上說，我國自行開發(fā)的溫室測控系統(tǒng)其技術水平和調(diào)控能力與西方興旺國家相比還有一定的差距。而我國的綜合環(huán)境控制技術的研究剛剛起步，目前仍停留在研究單個或者幾個環(huán)境因素調(diào)控技術的階段，而實際上溫室環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度、光強等環(huán)境因子，都是在互相影響、互相制約的狀態(tài)下影響植物的生長的，環(huán)境因素的時間變化、空間變化都很復雜。因此，我國的現(xiàn)代化設施農(nóng)業(yè)任重而道遠。課題的研究意義 利用傳統(tǒng)方法對溫室環(huán)境進行監(jiān)控，采用人工方法檢測和控制，及其浪費人力資源，而且精度低，常常不能到達理想效果。目前國內(nèi)推行科學種植技術，對溫室大棚采用人工的方法控制溫度和濕度，還通過CO2增施肥

29、技術給大棚補充二氧化碳，雖然有科學資料可以借鑒，但是利用人工方法存在著很多弊端。尤其是對CO2濃度的監(jiān)控，對于溫度和濕度的監(jiān)控，還可以通過溫度計和濕度計的讀數(shù)進行人工操作，而對CO2濃度的監(jiān)控就沒有那么簡單。目前我國大多數(shù)大棚所采用的CO2增施肥方法非常笨拙，只是靠人工在固定時間對大棚進行CO2施肥，對CO2施肥的多少無法掌控，而植物對CO2的需求并不是越多越好，有資料說明：CO2濃度維持在100ppm植物正常進行光合作用，濃度在600-2000ppm光合作用為最正確狀態(tài)，顯然對CO2濃度的控制要得當。 近年來，隨著單片機功能的日益強大和計算機的廣泛應用，人們對大棚內(nèi)參數(shù)檢測的準確性和控制的穩(wěn)

30、定性越來越高。本設計就是針對此問題，設計相對準確的、穩(wěn)定的CO2濃度監(jiān)控裝置，由于系統(tǒng)的靈活性和模塊化，可以廣泛應用于溫室大棚環(huán)境監(jiān)控。本文的主要工作本文對裝置進行總體規(guī)劃、設計，滿足系統(tǒng)功能和性能指標的設計要求，并且，在此根底上保證關鍵部件的可靠性。本文主要工作：第二章，設計方案的論證。第三章，系統(tǒng)硬件設計。第四章，系統(tǒng)軟件設計。設計方案論證隨著我國國民經(jīng)濟的飛速開展，農(nóng)業(yè)技術的研究和開展得到了更多的重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的重要組成局部。因此，為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)的科學化和研究性，推動我國農(nóng)業(yè)開展，為農(nóng)民增收，解決我國農(nóng)民普遍收入低的問題，縮小城鄉(xiāng)差距，推動全面小康社會，迫切需要價

31、格適中的，自動化程度高的農(nóng)業(yè)設備。溫室大棚內(nèi)CO2參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制 大氣中CO2濃度一般為0.03%，邊幅很小。在春冬溫室大棚種植蔬菜時，為了保溫，大棚常常處于封閉狀態(tài)，缺少內(nèi)外氣態(tài)交換，CO2濃度變幅較大。溫室大棚中二氧化碳濃度的日變化一般規(guī)律是：在夜間，由于作物的呼吸作用、土壤微生物活動和有機質(zhì)分解，生成的二氧化碳使大棚內(nèi)二氧化碳濃度很快增加，可比棚外空氣中二氧化碳濃度高近一倍，但早晨日出后，作物光合作用加強，又大量消耗棚內(nèi)夜間積存的二氧化碳，使其濃度急劇下降，日出后1小時，二氧化碳濃度下降至300ppm左右，日出后23小時后，如不通風換氣，其濃度將繼續(xù)下降，甚至降到作物的二氧化碳補償點8

32、0150ppm，這時由于二氧化碳的濃度過低，葉片的光合作用根本停止，因此從日出后半小時到通風換氣這段時間內(nèi)，二氧化碳最為缺乏，已成為作物生長的重要障礙，在這段時間內(nèi)，必須用人工增施二氧化碳來補充棚內(nèi)該氣體的缺乏，合理應用這一方法才能促使溫室和大棚作物增產(chǎn)，這也是溫室和大棚必須增施二氧化碳氣體的根本原理。實踐證明，西紅柿可增產(chǎn)7%以上，辣椒增產(chǎn)12%以上，茄子增產(chǎn)15%以上，黃高增產(chǎn)幅度高達30%以上。補充CO2的方法有很多，常用的主要有三種：方法一：燃燒法，通過CO2發(fā)生器燃燒液化石油氣、丙烷氣、天然氣等產(chǎn)生CO2。當前歐美國家的設施栽培多采用燃燒天然氣產(chǎn)生CO2，而日本多采用燃燒白煤油增施C

33、O2。方法二：化學反響法，即用酸和碳酸鹽類發(fā)生化學反響產(chǎn)生CO2，目前最常用的方法是碳銨與硫酸反響制取二氧化碳，在簡易的發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生CO2，再通過管道將其導入溫室大棚內(nèi)。該法本錢較低，CO2濃度容易控制，目前在我國應用較多。方法三：施用顆粒生物有機氣肥法，將顆粒生物有機氣肥按一定間距施入植株行間，施入深度為3厘米，保持穴位土壤有一定的水分，使其相對濕度保持的80%左右，使用土壤的微生物發(fā)酵來產(chǎn)生CO2。該法無需發(fā)生裝置，使用方便，但是浪費很大的人力資源。系統(tǒng)總體方案的設計總體方案設計 本文在設計上采用單片機AT89C2051為控制核心的溫室大棚CO2濃度測控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以獨立完成對溫室大棚內(nèi)

34、CO2濃度信息的采集、處理和顯示，根據(jù)設定的需求控制CO2濃度，在當濃度超限時發(fā)出聲光報警，同時發(fā)出執(zhí)行動作。輸入通道為CO2濃度檢測模塊，CO2濃度傳感器采用TGS4160，這種CO2傳感器除了具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好的特點外，還具有耐高濕低溫的特性。檢測模塊使用費加羅FIGARO公司提供的AM-4 CO2傳感器模塊，得到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)化傳入單片機處理。輸出通道為CO2濃度控制執(zhí)行機構，CO2濃度信號進入單片機，經(jīng)過軟件處理，單片機輸出給執(zhí)行機構來控制CO2濃度。執(zhí)行機構是由一個帶有電磁閥的CO2容器，當單片機發(fā)出執(zhí)行信號，電磁閥就會翻開放出CO2氣體，單片機發(fā)出關斷信號

35、，電磁閥就會關閉。報警系統(tǒng)采用聲光報警模式，系統(tǒng)在CO2濃度超出系統(tǒng)所設定的上限或者下限時，將會觸發(fā)報警電路，提醒工作人員注意。系統(tǒng)本身除有自動控制CO2濃度功能外，也可手工利用鍵盤來發(fā)出指令，命令執(zhí)行機構發(fā)出CO2，實現(xiàn)了雙向控制。系統(tǒng)還可以集成其他溫室環(huán)境因子的模塊，如溫度、濕度和光照的控制等，都可以以該系統(tǒng)為根底進行整合，從而實現(xiàn)溫室大棚的多環(huán)境因子共同監(jiān)控。硬件系統(tǒng)框圖 溫室大棚內(nèi)CO2濃度自動監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路由單片機最小系統(tǒng)、二氧化碳濃度檢測電路、光強檢測電路、二氧化碳執(zhí)行機構電路、報警電路、顯示電路和鍵盤電路構成的?？傮w框圖如圖2-1所示。單片機AT89C51CO2濃度傳感器AM

36、-4檢測模塊A/D轉(zhuǎn)化器顯示模塊報警電路光電隔離鍵盤繼電器CO2發(fā)生器光強傳感器圖2-1 硬件總體框圖系統(tǒng)的技術要求及主要功能 大棚蔬菜種植，主要以春、冬兩個季節(jié)為主。大棚內(nèi)CO2濃度的變化規(guī)律是：晝夜差距大；陰天比晴天的變量速率慢。本設計安裝有光強傳感器，單片機根據(jù)光強傳感器檢測到的光強信號，來分辨白天、黑天或者陰天，用來調(diào)整在不同天氣狀態(tài)下的CO2釋放狀態(tài)，因此系統(tǒng)設計了多種CO2釋放狀態(tài)，以滿足植物在不同時間不同環(huán)境的需求。CO2濃度的測量范圍為0ppm-3000ppm，顯示模塊將實時顯示當前濃度值，檢測模塊每1分鐘對當前濃度讀取一次，并對數(shù)據(jù)進行存取，本設計可通過按鍵查看前3次濃度值。

37、當溫室環(huán)境需要人工控制時，工作人員可以通過按鍵對系統(tǒng)經(jīng)行控制。硬件設計大棚內(nèi)二氧化碳含量的檢測屬于監(jiān)控系統(tǒng)范疇，近年來，由于傳感器技術、計算機技術、超大規(guī)模集成電路技術和網(wǎng)絡通信技術的開展，使監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域。因此，溫室環(huán)境因子檢測技術的研究在軟、硬件方面都有了一定的進展。本設計是溫室大棚檢測和控制中對二氧化碳檢測局部，主要設計微控制器及其外圍電路，包括輸入、輸出通道、報警電路及系統(tǒng)鍵盤和顯示電路，執(zhí)行機構電路等。本章將對溫室大棚中的二氧化碳含量的檢測和控制進行深入研究。微控制器概述 計算機的開展加快了人類改造世界的進程，但是計算機的體積太大。微控制器單片機就是在這種情況下誕生的

38、。單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關注，應用很廣，開展很快。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。單片機集成里微處理器CPU，存儲器RAM,ROM,EPROM和各種輸入、輸出接口定時器/計數(shù)器，并行I/O口，串行口，它的結構與指令功能都是按照工業(yè)控制的要求設計的，在智能控制領域，微控制器得到了廣泛的應用。 單片機目前被廣泛應用于醫(yī)療、家電、儀器儀表、工業(yè)控制、航空航天等多個領域。市場上比擬流行的單片機種類主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列單片機，Motorola公司

39、的M6800系列，Intel公司的MCS96系列單片機以及Motorola公司的PIC系列單片機等。各個系列的單片機各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、I/O能力、功耗、功能、價格等方面各有優(yōu)劣。這些種類繁多的單片機家族，給我們單片機的選擇也提供了很大的余地。本文選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機作為CPU。AT89C2051是一種低功耗、低價格、高性能的8位微處理器。AT89C51單片機的主要功能 芯片AT89C51是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS單片機，片內(nèi)含有4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器PEROM和128bytes的隨即存取數(shù)字存儲器RAM，片內(nèi)置通用8位

40、中央處理器CPU和Flash存儲單元，功能強大的AT89C51單片機性價比高，可靈活應用于各種領域。AT89C51的主要性能參數(shù)如下：與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz三級加密程序存儲器128*8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O接口2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式低工作電壓5VAT89C51功能特性概述如下： AT89C51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串

41、行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩個軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有不見工作直到下一個硬件復位。AT89C51芯片的內(nèi)部結構框圖AT89C51采用Atmel公司的高密非易失存儲技術制造的標準型單片機，和工業(yè)標準MCS-51指令集和引腳結構兼容。Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51是一種功能強勁的微型計算機，它對許多嵌入式控制的應用，提供了一種高度靈活和本錢低的解決方法，受到大量用戶的親賴。AT89C51的內(nèi)部結

42、構框圖如圖3-1所示。RAM地址鎖存器RAMFLISH端口0鎖存端口2鎖存端口0驅(qū)動器端口3驅(qū)動器端口1驅(qū)動器PC增量器緩沖器程序地址存放器B存放器端口2驅(qū)動器DPTR程序計數(shù)器ACC堆棧指示器TPM2TPM1ALUPSWPSEN,ALE,EA,RES指令存放器中斷、串行口與定時器單元端口1鎖存端口3鎖存時鐘晶振圖3-1 AT89C51內(nèi)部結構框圖AT89C51芯片引腳說明 AT89C51單片機是一個具有40個引腳的芯片，AT89C51引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 AT89C51引腳圖引腳功能說明：VCC：電源VSS：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用

43、口，作為輸出口使用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫1可以作為高阻抗輸入端用 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或者程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址低8位和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外界上拉電阻。P1口：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口的輸出緩沖級可驅(qū)動吸收或輸出電流4個TTL邏輯門電路。對端口寫1，通過內(nèi)部上拉電阻吧端口拉到高電平，此時可做輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。 Flash編程和程序校驗期間，P1

44、接收低8位地址。P2口：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖級可驅(qū)動吸收或輸出電流4個TTL邏輯門電路。對端口寫1，通過內(nèi)部上拉電阻吧端口拉到高電平，此時可做輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。在訪問外部程序存儲器或者16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內(nèi)容在整個訪問期間不改變。Flash編程或者校驗時，P2口亦接收高位地址和其他控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅(qū)動吸收或輸出電流4個TTL邏輯門電路

45、。對P3口寫入1時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，作為輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除作為I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-1所示：端口引腳第二功能RXD 串行輸入口TXD 串行輸出口INT0 外部中斷0INT1 外部中斷1T0 定時/計數(shù)器0T1 定時/計數(shù)器1WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通表3-1 AT89C51單片機P3口第二功能P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器的編程和程序校驗的控制信號。RST：復位輸入，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存

46、儲器或者數(shù)據(jù)存儲器時，ALE地址鎖存允許輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘震蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。如有必要，可通過對待特殊存放器SFR區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作，該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能使ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應該設置ALE無效。PSEN：程序存儲允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令

47、時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器，EA端必須保持低電平，需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平，CPU那么執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該期間是使用12V的編程電壓VPP。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。AT89C51的時鐘振蕩器AT89C51中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反

48、相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端，這個放大器與作為反響元件的篇外石英晶體或者陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路如圖3-3所示：圖3-3 內(nèi)部震蕩電路左與外部震蕩電路右外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容接在放大器的反響回路中構成并聯(lián)振蕩電路，對外接電容雖然沒有十分嚴格的要求，但是電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的上下、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，電容使用30Pf，如使用陶瓷振蕩器電容使用40pF。 電路也可以使用外部時鐘。采用外部時鐘電路如圖3.3右所示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，引腳

49、XTAL2那么懸空。 由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但是最小高電平持續(xù)時間和最大電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術條件的要求。AT89C51復位電路 單片機在上電時需要復位，AT89C51單片機采用低電平復位，復位電路如圖3-4所示。復位電路的根本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時才能撤銷復位信號，以防電源開關或者電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。圖3-4 復位電路擴展I/O接口的設計 I/O接口是單片機與外部設備交換信息的橋梁。AT89C51單片機本身

50、具有4個I/O口，但是P0和P2口用作16為地址總線和8位數(shù)據(jù)總線，真正用作I/O口線的只有P1口的8位I/O線和P3口的某些位線。本設計有于單片機I/O口的資源有限，所以需要外擴I/O接口電路，本設計采用可編程擴展并行I/O接口芯片8255A進行擴展。8255A芯片介紹 8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，三種工作方式，可以通過編程改變其功能，因而使用靈活方便，通用性強，可作為單片機于多種外圍設備連接時的中間接口電路。8255A芯片引腳如圖3-5所示。圖3-5 8255A的引腳 8255A共有40個引腳，采用雙列直插式封裝，各引腳功能如下：

51、D7D0：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，于單片機數(shù)據(jù)線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息。CS：片選信號線，低電平有效，表示本芯片被選中。RD：讀出信號線，低電平有效，控制8255A的數(shù)據(jù)讀入。WR：寫入信號線，低電平有效，控制向8255A數(shù)據(jù)的寫入。VCC：+5V電源。PA7PA0：A口輸入/輸出線。PB7PB0：B口輸入/輸出線。PC7PC0：C口輸入/輸出線。A1、A0：地址線，用來選擇8255A內(nèi)部的四個端口。 8255A各端口的工作狀態(tài)于控制信號的關系如表3-2所示。A1A2RDWRCS工作狀態(tài)00010A口數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)總線讀端口A01010B口數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)總線讀端口B10010C口數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)總線讀端口C0010

52、0總線數(shù)據(jù)-A口寫端口A01100總線數(shù)據(jù)-B口寫端口B10100總線數(shù)據(jù)-C口寫端口C11100總線數(shù)據(jù)-控制字存放器寫控制字1總線數(shù)據(jù)為三態(tài)11010非法狀態(tài)110總線數(shù)據(jù)為三態(tài)表3-2 8255A端口工作狀態(tài)選擇表AT89C51單片機和8255A的接口 AT89C51單片機與8255A硬件電路連接如圖3-4所示。圖3-4 AT89C51擴展一片8255A電路 如圖3.4所示是AT89C51單片機擴展一片8255A的電路圖。圖中，74LS373是地址鎖存器，、經(jīng)過74LS373與8255A的地址線A0、A1連接；其他地址線懸空；CS片選信號接地；8255A的控制線RD、WR直接接于AT89

53、C51的RD、WR端；數(shù)據(jù)總線P0.7P0.0與8255A的數(shù)據(jù)線D7D0連接。CS片選端接地，一直為地電平，表示一直選中8255A，假設、為00那么選中8255A的A口，同理為01、10、11時分別選中B口、C口及控制口。假設地址用16位表示，其他無用端全設為1，那么8255A的A、B、C及控制口的地址分別為：FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。二氧化碳濃度檢測模塊的設計本設計主要針對溫室大棚中二氧化碳濃度檢測與控制設計，二氧化濃度的檢測采用二氧化碳濃度傳感器TGS4160，TGS4160檢測到的二氧化碳濃度信號經(jīng)過模擬變送模塊后，送入A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送入單片機處理。

54、二氧化碳濃度傳感器TGS4160概述TGS4160二氧化碳傳感器是FIGARO弗加羅公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點外，同時還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動通風換氣系統(tǒng)或是二氧化碳氣體的長期監(jiān)測等應用場合。但是由于TGS4160的預熱時間較長一般為2小時，所以，該器件比擬適合于在室溫下長時間通電連續(xù)工作。TGS4160傳感器的主要參數(shù)如下： 測量范圍：05000ppm 使用壽命：2000天 加熱器電流：250mA內(nèi)部熱敏電阻：100k5%使用溫度：-10+50攝氏度使用濕度：595%RH產(chǎn)品尺寸：最大外徑24mm，高24m

55、m，引腳長5.8mm。TGS4160的內(nèi)部結構TGS4160二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式二氧化碳敏感元件。該元件在兩個電極之間充有陽離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用100目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層60目的不銹鋼網(wǎng)。為了到達降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料沸石。傳感器的6個引腳通過0.1mm的箔導線與內(nèi)部相連。TGS4160內(nèi)部等效結構圖如圖3-

56、5所示。圖3-5 TGS4160等效內(nèi)部結構圖3.5中，陽極與傳感器的第3腳S(+)相連，陰極與傳感器的第4腳S(-)相連，Pt加熱器與傳感器的第1，6腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第2，5腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進行溫度補償，從而使校正后的測量值更加準確。TGS4160的工作原理TGS4160型二氧化碳傳感器是一種電化學型氣體的敏感元件，當該元件暴露在二氧化碳氣體環(huán)境中時，就會產(chǎn)生電化學反響。其反響式如下：陰極反響方程： 4Li+2 CO2+O2+4e-=2Li2CO3陽極反響方程： 4Na+O2+4e-=2Na2 O總的化學反響方程： Li2 CO

57、3+2Na+=Na2 O+2Li+ CO2作為電化學反響的結果，根據(jù)耐斯特方程Nernst，該過程將產(chǎn)生如下電勢EMF：EMF=Ec-(RF)/(2F)Ln(P CO2)式中：PCO2為CO2分壓；Ec為常數(shù)；R是氣體常數(shù)；F是法拉第常數(shù)。從上式看出，通過監(jiān)測S(+)、S(-)兩個電極之間所產(chǎn)生的電勢值EMF，就可以測量CO2的濃度值。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性0.2V之內(nèi)。為了保證CO2的準確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進行溫度補償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值EMF，而不是絕

58、對電勢值EMF，因為EMF與CO2濃度變化之間有一個較好的線性關系。雖然EMF絕對值隨環(huán)境溫度的上升而上升，EMF卻保持常量，而且它在-1050溫度范圍內(nèi)，根本不受溫度的影響。EMF值可由下式求得：EMFEMF1EMF2其中，EMF1為350ppm的CO2中的EMF值；EMF2為所測量的CO2的EMF值。EMF與二氧化碳濃度的關系如圖3-6所示。 二氧化碳濃度圖3-6 EMF與二氧化碳濃度線性圖二氧化碳檢測電路設計TGS4160在溫度為202、濕度為650.05V、預熱時間為7天或大于7天的條件下，測得傳感器在濃度為350ppm中的EMF值是220490mV，而EMF在3503500ppm的C

59、O2濃度中的值是4472mV，因此在實際測量應用電路中，要根據(jù)傳感器的特點要求，除使用高輸入阻抗100G、低偏置電流1pA的運算放大器外，還要對測得的信號進行處理。處理該信號選擇使用費加羅FIGARO公司的FIC98646專用處理器模塊,AM-4模塊。 AM-4二氧化碳傳感器模塊，那么可直接應用于二氧化碳氣體監(jiān)測。該模塊內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器，并已對數(shù)據(jù)進行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號與二氧化碳濃度值呈線性關系，輸出的電壓信號為，相當于03000ppm的二氧化碳濃度。AM-4模塊的輸出電壓為03V，需要經(jīng)過放大處理變?yōu)?5V傳送給A/D轉(zhuǎn)化器，才能為單片機傳送更為準確的數(shù)字信號。本設計對處

60、理該信號方案如圖3-7所示。圖3-7 二氧化碳濃度檢測電路光強檢測模塊的設計 大棚作物進行光合作用與光照條件有著密切的關系，作物在白天經(jīng)行光合作用，吸收二氧化碳，在黑天作物經(jīng)行有氧呼吸放出二氧化碳，在陰天光照條件很弱，作物的光合作用及其微弱，無需人工補充二氧化碳。 本設計采用光敏電阻來制作光強檢測模塊，利用光敏電阻是因為本系統(tǒng)對光強的檢測不高，只需判斷黑天、白天和陰天三種狀態(tài)，所以利用光敏電阻不僅經(jīng)濟，而且電路設計也非常簡單。光敏電阻介紹 光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感。它在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小，在同樣之電壓下，照度愈強，