蔬菜大棚自动通风系统的设计及实现(论文)

甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛1一、前言在各种植物蔬菜生长过程中，特别是蔬菜大棚里农作物的生长需要适合它生长的适宜温度及二氧化碳浓度，所以要经常测量蔬菜大棚内的温度高低与二氧化碳浓度大小，根据温度的高低与二氧化碳浓度大小采取一定的措施，使得更好的调节温棚内的温度及二氧化碳浓度，达到农作物生长所适宜的条件。通常采取的措施是通风措施，因为通风换气对于大棚蔬菜有降温、排湿、调节补充二氧化碳、排除有害气体等多方面的作用。通风跟蒸腾作用和光合作用都有关，其中以蒸腾作用为主。由于温度过高，作物蒸腾作用加强，棚内湿度增加，通风是为了降低湿度，防止病虫害发生，这是最主要的;其次，温度升高，并在植物正常生长的阈值以内时，作物的光合作用会随之增强，通风有利于供给足够的二氧化碳进行光合作用，有助于增产、增收。而温度的高低及二氧化碳浓度大小对农作物生长有很大的影响。植物只有在一定的温度范围内才能够生长。温度对生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直接影响土温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响植物的生长。在封闭的温室大棚中，二氧化碳的浓度较低，满足不了植物光合作用所需量，同时由于缺少二氧化碳，使得植物的光合作用进行缓慢，因而造成植物抗病虫害能力降低、产量减少、品质下降、生产周期延长等情况。二氧化碳浓度过高，常引起蔬菜作物叶片卷曲，影响光合作用的正常进行，会影响作物对氧气的吸收。不能进行正常的呼吸代谢作用，而影响正常的生长发育，促进衰老过程。棚室内空气中二氧化碳浓度过高，如不及时换气，则使棚内温度迅速升高，引起蔬菜作物的高温危害，所以通风换气对蔬菜大棚使非常重要的。并且那些搭棚的农民有时在忙也要放下手中的活去蔬菜大棚里通风。有时候这样对给农民带来不便，而且不能及时到棚里给蔬菜大棚通风。鉴于这种情况，设计了蔬菜大棚自动控制通风系统，减少了人力劳动，恰到好处的给蔬菜大棚通风，使室内的温度与二氧化碳达浓度到有利于农作物生长比例。二、控制系统设计蔬菜大棚自动通风系统的设计，首先需要检测棚内温度及二氧化碳浓度的大小，将检测信号传输至智能控制器，智能控制器通过计算及处理，将输出信号传至智能控制阀，阀门的开度通过拉杆拉动弹性系数恰到好处的弹簧，由弹簧控制通风口开合度的大小，从而实现棚内温度及二氧化碳浓度的自动控制。其设计原理图如下图1所示：甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛2图1蔬菜大棚自动控制原理图对于整个自动控制系统，其信号检测环节难度及质量要求最高，实现检测过程的元件及工作原理如下：1、温度传感器[1]热电阻:根据金属丝的电阻随温度变化的原理工作的。热电阻是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200~800℃。温度传感器的工作原理图[５]如图2所示：图2PN结温度传感器应用电路2、蔬菜大棚2CO浓度传感器蔬菜大棚是一个相对封闭的环境，作物在温室内不断进行着2CO的吸收与释放过程，因此，信号检测控制器智能控制阀通风口开合度控制棚内温度二氧化碳浓度甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛3蔬菜大棚内的2CO浓度与外界环境有明显的差异。一般来说，白天温室内绿色植物光合作用旺盛，2CO浓度急剧下降；夜间光合作用停止，呼吸作用释放2CO，2CO室内浓度逐渐升高。作物群体的2CO来源包括空气和土壤。假定温室面积为SA（2m），空间容积为V（3m），则其室内2CO的浓度对时间的变化率可用下式表示:SCOAPVCCQdCV）（0nwnnr-n)-(dt20dtdnC(1)SCOAPVCCQ)r-(n)-(0nwn2式中2COQ___计算2CO施用量，g/h；nC---室内空气设定的2CO目标浓度，g/3m,在常温常压下，1g/3m相当于531ml/3m;WC---室外空气2CO浓度，g/3m；n---换气次数，次/h;nP---净光合作用强度，一般1-8g/(2m.h）。基于2CO浓度对时间的变化率，设计了红外吸收型二氧化碳传感器来监测温室内的2CO浓度。红外吸收型二氧化碳气体传感器的工作原理：红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。根据比尔朗伯定律，输出光强度、输入光强度和气体浓度之间的关系为：（2）式中ma为摩尔分子吸收系数；C为待测气体浓度；L为光和气体的作用长度（传感长度）。对上式进行变换得：（3）甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛4图3二氧化碳传感器探头结构红外二氧化碳传感器探头结构如图3所示。是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出3～10μm的红外线，其中包含了4.26μm处CO2气体的强吸收峰。在气室中，二氧化碳吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出二氧化碳对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节他可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的距离就要改变，电容值随之改变。CO2气体的浓度愈大，电容值改变也就愈大。检测电路的设计原理[４]图如下图所示：图4检测电路原理框图检测电路[３]由红外二氧化碳传感器、数字滤波电路、放大电路、稳流电路、单片机系统、温度补偿等组成。设计的基本原理是红外二氧化碳传感器将检测到的二氧化碳气体浓度转换成相应的电信号，输出的电信号分别经过滤波、放大处理，输入到单片机系统，并经温度和气压补偿等处理后，由单片机系统输出送显示装置显示其测量值。二氧化碳浓度检测电路的设计如下图5所示：甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛5图5二氧化碳浓度检测电路图按照上述设计原理，设计的二氧化碳检测电路如图５所示。工作原理是首先由红外传感器探测到二氧化碳的浓度并转换成电信号，滤波电路提取电信号并输出到放大电路，经过单片机系统处理后输出，再送入显示电路，以实现对二氧化碳气体浓度的检测。电路中由R1、R2、R3、R4、C1、C2和运放组成滤波电路，当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，C2的电抗趋于零。这样就保证了当信号频率在趋于零和无穷大之间的任何一个值，滤波电路都可以正常提取相应的电信号。滤波电路之后的放大电路，其作用是将滤波电路输出的信号放大到一定的程度，以便驱动负载。R6和C4串联构成校正网络用来对电路进行相位补偿。单片机系统主要由A/D转换、输入或者中断系统组成，表明单片机既可采用中断方式读入A/D转换的结果，也可以采用查询方式，最后的结果数码管显示具体数值。检测处理程序流程框图如下图6所示：3、智能控制阀智能阀门定位器内装高集成度的微控制器，采用电平衡(数字平衡)原理代替传统的平衡原理，将控制系统[２]来的输入信号通过微处理器和I/P转换器转换成气动定位增量信号来实现阀位控制,利用数字式开、停、关的信号来驱动气动执行机构的动作，阀位反馈信号直接通过高精确度的位置传感器转换为数字信号后输入微处理器进行反馈比较，实现了电/气转换功能和阀门精确定位的功能。智能阀门定位器中集成的压力传感器用来采集阀门定位器输出至阀门执行机构的气源压力信号，用来进一步提高阀门的定位精度和为智能定位器的自诊断提供依据。智能阀接受不同的电流信号自动的调节阀的开合度，智能阀的开度直接调节通风口的大小，接受不同的信号使得智能阀的开合度不同，从而使得调节通风口的大小不同，实现所期望的目甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛6的，减少劳动力的投入以及便于更好的调节蔬菜大棚内的温度与二氧化碳的浓度，使农作物在适宜的条件下良好的生长，增加产量效益。图6检测处理程序流程图三、结束语蔬菜大棚通风的自动控制系统的应用，实现了自动控制蔬菜大棚的通风，调节蔬菜大棚内温度的高低以及二氧化碳浓度的大小，节约了人力资源，提高了经济效益，也为居家室内空气的改善和工厂车间空气的改善提供了自动化控制的理论依据，使空气自动化控制系统的实现更加完善。参考文献：[1]王化祥，传感器原理及应用[M]．天津大学出版社1999．[2]王永红，刘玉梅．检测技术与控制装置[M]．北京；化学工业出版社，2006．[3]梁森，欧阳三泰，王侃夫．检测技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，2006．[4]周泽存，检测技术[M]．北京：机械工业出版社．1993．[5]张晓峻，基于ZigBee温室大棚监控系统的应用研究[D]．哈尔滨工程大学，2007年[6]潘文维，罗庆熙，李军，我国温室产业现状及发展建议[J]．北方园艺，2002年03期[7]孙德发，连栋塑料温室结构设计理论及工程应用研究[D]．浙江大学，2002年[8]梁宗敏，连栋温室结构抗风可靠度设计理论研究[D]．中国农业大学，2004年开始相关寄存器初始设定计时器初值启动A/D转换读A/D取平均值数据处理数据修正存储数据输出显示N=N-1输入中断或开启是有中断请求否N=0?否是甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛7[9]沈正炳，多联栋温室钢框架结构的弹塑性计算[D]．中国农业大学，2000年[10]魏灵玲，大型连栋温室天沟传热机理与节能保温技术的研究[D]．中国农业科学院，2002年[11]黄浩斌，华东型连栋塑料温室信息系统的研究[D]．浙江大学，2002年[12]童莉，机械通风的华北型连栋温室内温度和速度场的数值模拟研究[D]．北京化工大学，2003年[13]陈忠购，CFD在机械通风的华北型连栋塑料温室的应用研究[D]．中国农业大学，2004年