畢業(yè)論文-基于太陽能的大棚智能控制器的設(shè)計

基于太陽能的大棚智能控制器的設(shè)計指導(dǎo)教師：（信息與控制工程學(xué)院項目編號：）摘要:光照是農(nóng)作物生長必不或缺的因素之一，而充分利用太陽能可以為現(xiàn)代化溫室大棚的智能控制提供清潔、廉價的能源。本文研究了一種大棚智能控制器的設(shè)計，可以對光照、溫度、濕度等進(jìn)行自動檢測，并實現(xiàn)卷簾開閉、滴灌、保溫、補光等環(huán)節(jié)的自動控制?？刂破骷捌渫鈬O(shè)備的動力均來自太陽能，經(jīng)過樣機(jī)調(diào)試證實，控制器滿足實踐要求，可進(jìn)行推廣使用。關(guān)鍵詞:太陽能；大棚；智能；控制器DesignofgreenhousecontrolsystembasedonsolarenergyXUZhen-wenLIULi-kunRenChao-pengTutor：HUHui-huiDONGLei(CollegeofInformationandcontrolEngeering,ChinaUniversityofPetroleum,Shandong,QingDao,266555)Abstract:Lightisoneofthe

indispensablefactors

ofcropgrowth.Tomakefulluseofsolarenergy

canaffordcleanand

freeenergyfor

modern

greenhouse

control.

Thispaper

studiesthedesign

ofan

intelligentcontrollerforgreenhouse.Itmayautomaticallydetecttemperature,

humidityandrealizesthe

shutter

openingandclosing,

dripirrigationcontrol.Thepowerofallofthe

equipments

isfrom

solarenergy.

Throughthedebugging,

itprovesthatthecontroller

satisfiesthepracticalneedand

canbe

widelyused.Keywords:Solarenergy;

Greenhouse;

Intelligent;Controller0引言上世紀(jì)50年代，日本及歐美國家應(yīng)用塑料薄膜覆蓋溫床獲得成功，隨后我國引入此技術(shù)用于蔬菜生產(chǎn)。因為大棚具備材質(zhì)低廉，便于加工安裝，透光保溫性能好，可防寒\抗旱，延長作物生長期，達(dá)到增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等優(yōu)勢，在我國北方旱區(qū)得到了快速推廣和發(fā)展?，F(xiàn)今大棚技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于花卉、果樹栽培、林業(yè)育種，甚至養(yǎng)蠶、養(yǎng)魚等領(lǐng)域。受至于農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)實力和管理意識所限，相對于投入大、智能化程度高的現(xiàn)代化大棚，普通大棚仍舊有著廣泛的市場。諸如卷簾、通風(fēng)、澆灌等環(huán)節(jié)仍舊需要人工操作來完成，存在著操作不及時、控制不準(zhǔn)確等缺陷。而隨著自控技術(shù)和太陽能利用技術(shù)的不斷發(fā)展，采用太陽能作為動力源，設(shè)計簡便輕巧、價格低廉、自動化程度高的控制器，將為普通大棚的智能化改造開拓出一條新路。山東壽光是我國知名的蔬菜之鄉(xiāng)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前全市冬暖式蔬菜大棚已經(jīng)超過40萬個，但相當(dāng)比例的大棚存在智能化水平低、技術(shù)裝備差等問題。盡管諸如各類傳感器的檢測、GPRS無線通信以及機(jī)器人操控等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但無奈很多普通大棚設(shè)計之初沒有考慮拓展設(shè)備，尤其是電源。導(dǎo)致智能化大棚的改造工作一直難以深入開展。另外農(nóng)戶對智能化控制也存有意識誤區(qū)，認(rèn)為投入過大、操控不便，而事實上采用單片機(jī)以及集成化程度較高的智能芯片等為核心的控制器造價低廉、性能可靠、便于學(xué)習(xí)操作。而這兩年光伏發(fā)電技術(shù)的日臻成熟為大棚升級換代提供了契機(jī)。利用免費清潔的太陽能資源，不僅可以解決智能控制器所需電源的問題，還可以拓展為保溫加熱的強(qiáng)勁動力，甚至大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電為農(nóng)戶獲取農(nóng)作物種植以外的收益[1]。1大棚內(nèi)主要參數(shù)的控制調(diào)節(jié)本文所設(shè)計的智能控制器是以51單片機(jī)（STC89C52）為控制核心，以溫度、濕度、光照等生態(tài)因子為控制對象，通過高性能傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而控制卷簾機(jī)、風(fēng)機(jī)、滴灌系統(tǒng)的運行。另外電源側(cè)對太陽能電池板進(jìn)行控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1圖1大棚智能控制器系統(tǒng)框圖...計算機(jī)中控GPRS遠(yuǎn)傳數(shù)字顯示輸入設(shè)定故障報警溫度、濕度、光照等信號檢測太陽能電池板卷簾機(jī)滴灌系統(tǒng)風(fēng)機(jī)單片機(jī)A/D通信接口I/0接口驅(qū)動信號電源控制1.1溫度的調(diào)節(jié)為滿足成本低、抗干擾能力強(qiáng)、測量準(zhǔn)確的要求，溫度測量采用DS18B20。該芯片只需要1條數(shù)據(jù)線，提供9位（二進(jìn)制）數(shù)字化溫度讀數(shù)（測量范圍：-55℃到+125℃）直接送入單片機(jī)，無需搭建外部電路。當(dāng)土壤溫度低于設(shè)定值時，可啟動保溫裝置，如伴熱帶，對土壤進(jìn)行加熱。當(dāng)大棚內(nèi)溫度超過設(shè)定值，可啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)降溫，或采用循環(huán)水冷進(jìn)行物理降溫?？紤]到局部測量造成的誤差干擾，可以實現(xiàn)多點測量取平均值的方法。1.2濕度的調(diào)節(jié)檢測采用價格便宜、響應(yīng)速度快的DHT11。該芯片供電電壓3.3V到5.5V，功耗低，輸出為單總線數(shù)字信號，測量范圍20%到90%RH，測量精度1%RH，可滿足現(xiàn)場大棚控制需要。作為大棚監(jiān)測最重要的參數(shù)之一，當(dāng)濕度過低時，應(yīng)啟動滴灌系統(tǒng)對土壤進(jìn)行除燥，而濕度過高時，應(yīng)及時做通風(fēng)干燥處理。1.3光照調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的測量，采用的是光敏電阻。光敏電阻隨著光照阻值變小，轉(zhuǎn)化為電壓變化信號傳入單片機(jī)，進(jìn)而根據(jù)設(shè)定，控制卷簾機(jī)的運行。另外在夜間需要特別補光的情況下，可開啟LED補光系統(tǒng)進(jìn)行補光。以上參數(shù)檢測和單片機(jī)控制，配以液晶顯示屏和簡單的鍵盤輸入就可以構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，可以滿足普通大棚的實際需要。2太陽能供電及其他擴(kuò)展設(shè)計根據(jù)農(nóng)戶實際，可掌控光伏發(fā)電在大棚中的使用情況。對于有條件的農(nóng)戶，可進(jìn)行太陽能并網(wǎng)發(fā)電的嘗試。而對于一般農(nóng)戶，只需要考慮滿足大棚主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如卷簾機(jī)、通風(fēng)機(jī)等）的供電需要即可。2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)本設(shè)計主要針對普通太陽能電池充放電的控制。光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、單片機(jī)、蓄電池等部分組成，利用分壓電路分別對蓄電池和太陽能電池板的電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理；單片機(jī)輸出信號經(jīng)光耦驅(qū)動電路控制充放電路的開啟與關(guān)閉。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到最大值時，太陽能電池停止充電，而當(dāng)蓄電池電壓到達(dá)最低值時，太陽能電池開啟充電，停止放電，即可實現(xiàn)過充、過放保護(hù)。圖2圖2大棚模型圖本文設(shè)計的智能控制器除實現(xiàn)上述大棚主要參數(shù)調(diào)節(jié)以及太陽能供電以外，還預(yù)留了其他擴(kuò)展功能和接口。如對于大棚運行管理過程中發(fā)生的異?，F(xiàn)象以及設(shè)備故障，有檢測報警功能，能夠及時提醒操作人員注意，對于極端情況可作出必要的應(yīng)急保護(hù)。對于有遠(yuǎn)程控制需要的用戶，可通過無線傳輸技術(shù)，設(shè)置視頻或短信發(fā)送功能。在家中、在外地實時的監(jiān)控大棚的情況，獲取大棚最新的溫濕度等參數(shù)信息。另外在必要的情況下可添加計算機(jī)中控系統(tǒng)，方便信息統(tǒng)計，以形成科學(xué)化管理，大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)運行等。3結(jié)論為配合實驗開展，設(shè)計制作了大棚模型（如圖2所示），對大棚運行的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了模擬，完成了智能控制器樣機(jī)的設(shè)計。該智能控制器充分考慮到實際農(nóng)戶對于價格和大棚可改造性的實際需求，針對主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，具備良好的可擴(kuò)展性，利于普通大棚的智能化改造，同時考慮到太陽能供電等問題，具備一定的推廣實