基于AVR芯片的光照和CO2控制系統(tǒng)分析

1.1 引言

溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長(zhǎng)的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲(chóng)害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)工程因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，己越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。這也為我國(guó)大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。本項(xiàng)目以AVR芯片為控制芯片，設(shè)計(jì)了一套適用于當(dāng)前西瓜生產(chǎn)的光照和二氧化碳濃度控制系統(tǒng)。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，“三農(nóng)”問(wèn)題關(guān)系到國(guó)民素質(zhì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，關(guān)系到社會(huì)穩(wěn)定、國(guó)家富強(qiáng)、民族復(fù)興?！笆濉卑l(fā)展規(guī)劃中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是的重中之重，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)靠天吃飯的局面仍未根本改變。農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件還比較差，抗御自然災(zāi)害能力較弱。近年來(lái)，我國(guó)每年因氣象災(zāi)害損失糧食1000億斤左右。自然災(zāi)害呈加重態(tài)勢(shì)，糧食生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。從而使如何在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的同時(shí)減少氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響變得尤為重要。

溫室是現(xiàn)代西瓜生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，光照和二氧化碳濃度是影響西瓜生長(zhǎng)發(fā)育兩個(gè)重要的因子。二氧化碳是植物進(jìn)行光合作用的重要原料，要維持西瓜的光合作用，應(yīng)使二氧化碳的濃度保持在250%——300%ppm。光照作物有兩個(gè)重要的坐標(biāo)點(diǎn)—光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)。光合產(chǎn)物的形成不僅與光照的強(qiáng)度，而且與光照的時(shí)間，即由一定光強(qiáng)累積的光照量有關(guān)。光照分布愈均勻，其陰影面積率及作物群體漏光損失愈小，則溫室作物的光能利用率就愈高。所以控制好光照和二氧化碳的量對(duì)于溫室種植西瓜又極其重要的意義。本項(xiàng)目通過(guò)使用ATmega16芯片，結(jié)合光照傳感器、二氧化碳傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室光照和二氧化碳量的自動(dòng)化控制。

2.1 功能要求

該系統(tǒng)先測(cè)量光照強(qiáng)度，根據(jù)在相應(yīng)的光照條件下二氧化碳的測(cè)量值與相應(yīng)生長(zhǎng)期的各環(huán)境因子的最高、最低值比較，控制相關(guān)設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)測(cè)量值大于最高值或小于最低值時(shí)，除了打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備外，系統(tǒng)還啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備，提醒工作人員注意。系統(tǒng)具有能測(cè)量顯示二氧化碳濃度值，和連接到執(zhí)行設(shè)備實(shí)行自動(dòng)控制的功能，同時(shí)留有檢測(cè)控制多個(gè)環(huán)境因子的接口。

溫室光照強(qiáng)度隨地理位置和時(shí)間變化而變化，不同溫室的透光率不同，所以在溫室內(nèi)的光照分布不均勻。太陽(yáng)輻射是外界對(duì)溫室環(huán)境影響的主要的因素之一，它可直接影響室內(nèi)的溫度、濕度、植物的光合作用、呼吸作用等。根據(jù)荷蘭學(xué)者的研究結(jié)果，當(dāng)光照降低19%時(shí)，產(chǎn)量降低21%，當(dāng)光照降低32%時(shí)，產(chǎn)量降低34%，從而得出1%光照等于1%的產(chǎn)量的結(jié)論，由此可見(jiàn)光照對(duì)于作物生長(zhǎng)的重要性。

夏季光照強(qiáng)度過(guò)大，超過(guò)光飽和點(diǎn)時(shí)，就要人為遮光，防止溫室氣溫過(guò)高灼傷作物?？刹捎猛庹陉庍M(jìn)行遮陽(yáng)。而在陰雨季節(jié)和冬天夜間，光照強(qiáng)度低于光補(bǔ)償點(diǎn)使作物有效光照時(shí)間縮短時(shí)，為促進(jìn)作物生長(zhǎng)，需進(jìn)行人工補(bǔ)光。常用的溫室補(bǔ)光人工光源主要包括白熾燈、鹵燈、熒光燈、高壓水銀燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈等。為調(diào)節(jié)光質(zhì)和節(jié)約能耗，溫室中一般將金屬鹵化物等和高壓鈉燈按l:1搭配安裝使用。

二氧化碳是植物光合作用的主要碳源。文獻(xiàn)中一般認(rèn)為二氧化碳濃度保持在500^-1000(mg/kg)為適宜濃度，若高達(dá)3000 mg·kg將對(duì)人體有害。正常大氣情祝下的二氧化碳濃度在340350 mg/kg，光合作用速率隨光量增加而增加，但達(dá)到光飽和點(diǎn)后就趨于緩和。在此情況下，溫度的影響不大，但若有二氧化碳施肥使?jié)舛冗_(dá)1000 mg/kg或以上，則光合作用速率可隨之加快。而西瓜對(duì)二氧化碳的吸收存在著補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間的二氧化碳飽和濃度可對(duì)西瓜光合系統(tǒng)造成破壞而降低光合效率。因此及時(shí)準(zhǔn)確的了解溫室內(nèi)的二氧化碳濃度是保證溫室西瓜高質(zhì)、快速生長(zhǎng)的基礎(chǔ)條件。

溫室的二氧化碳肥料來(lái)源主要有碳水化合物燃料、高壓瓶裝二氧化碳，干冰、發(fā)酵、有機(jī)物質(zhì)降解和化學(xué)反應(yīng)生成法，但大多數(shù)的設(shè)施實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制較為困難。一般溫室中采用鋼瓶裝的液態(tài)二氧化碳?xì)庠矗?u>繼電器的啟閉和控制時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)二氧化碳的釋放量。當(dāng)溫室內(nèi)二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)來(lái)調(diào)節(jié)。為它們提供一個(gè)更適宜其生長(zhǎng)的封閉的、良好的生存環(huán)境。我們先編制出溫室西瓜各生育階段最適環(huán)境條件的管理程序表，存儲(chǔ)于AVR單片機(jī)的ROM中，AVR單片機(jī)根據(jù)程序表確認(rèn)、修正各棟溫室內(nèi)的參數(shù)，并給終端控制系統(tǒng)指令。終端控制設(shè)備向AVR單片機(jī)輸送檢測(cè)信息，根據(jù)AVR單片機(jī)的指令輸出控制信號(hào)，使電器機(jī)械設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可自動(dòng)控制光照和二氧化碳濃度。