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環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達到調節(jié)產(chǎn)期，促進生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環(huán)境控制，該技術的最終目標是提高控制與作業(yè)精度。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設施農(nóng)業(yè)工程因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活關系密切，己越來越受到世界各國的重視。這也為我國大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機遇，并產(chǎn)生巨大的推動作用。本項目以AVR芯片為控制芯片，設計了一套適用于當前西瓜生產(chǎn)的光照和二氧化碳濃度控制系統(tǒng)。

1.2 項目背景/選題動機

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，“三農(nóng)”問題關系到國民素質、經(jīng)濟發(fā)展，關系到社會穩(wěn)定、國家富強、民族復興?！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)基礎設施條件還比較差，抗御自然災害能力較弱。近年來，我國每年因氣象災害損失糧食1000億斤左右。自然災害呈加重態(tài)勢，糧食生產(chǎn)風險越來越大。從而使如何在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的同時減少氣象災害對農(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)中必不可少的設施之一，光照和二氧化碳濃度是影響西瓜生長發(fā)育兩個重要的因子。二氧化碳是植物進行光合作用的重要原料，要維持西瓜的光合作用，應使二氧化碳的濃度保持在250%——300%ppm。光照作物有兩個重要的坐標點—光補償點和光飽和點。光合產(chǎn)物的形成不僅與光照的強度，而且與光照的時間，即由一定光強累積的光照量有關。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于溫室種植西瓜又極其重要的意義。本項目通過使用ATmega16芯片，結合光照傳感器、二氧化碳傳感器來實現(xiàn)對溫室光照和二氧化碳量的自動化控制。

2.1 功能要求

該系統(tǒng)先測量光照強度，根據(jù)在相應的光照條件下二氧化碳的測量值與相應生長期的各環(huán)境因子的最高、最低值比較，控制相關設備的打開和關閉。當測量值大于最高值或小于最低值時，除了打開相應的設備外，系統(tǒng)還啟動報警設備，提醒工作人員注意。系統(tǒng)具有能測量顯示二氧化碳濃度值，和連接到執(zhí)行設備實行自動控制的功能，同時留有檢測控制多個環(huán)境因子的接口。

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

夏季光照強度過大，超過光飽和點時，就要人為遮光，防止溫室氣溫過高灼傷作物。可采用外遮陰進行遮陽。而在陰雨季節(jié)和冬天夜間，光照強度低于光補償點使作物有效光照時間縮短時，為促進作物生長，需進行人工補光。常用的溫室補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。為調節(jié)光質和節(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。文獻中一般認為二氧化碳濃度保持在500^-1000(mg/kg)為適宜濃度，若高達3000 mg·kg將對人體有害。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，但達到光飽和點后就趨于緩和。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_1000 mg/kg或以上，則光合作用速率可隨之加快。而西瓜對二氧化碳的吸收存在著補償點和飽和點，長時間的二氧化碳飽和濃度可對西瓜光合系統(tǒng)造成破壞而降低光合效率。因此及時準確的了解溫室內的二氧化碳濃度是保證溫室西瓜高質、快速生長的基礎條件。

溫室的二氧化碳肥料來源主要有碳水化合物燃料、高壓瓶裝二氧化碳，干冰、發(fā)酵、有機物質降解和化學反應生成法，但大多數(shù)的設施實現(xiàn)自動控制較為困難。一般溫室中采用鋼瓶裝的液態(tài)二氧化碳氣源，用繼電器的啟閉和控制時間來實現(xiàn)二氧化碳的釋放量。當溫室內二氧化碳濃度過高時，可以通過自然通風和強制通風來調節(jié)。為它們提供一個更適宜其生長的封閉的、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，存儲于AVR單片機的ROM中，AVR單片機根據(jù)程序表確認、修正各棟溫室內的參數(shù)，并給終端控制系統(tǒng)指令。終端控制設備向AVR單片機輸送檢測信息，根據(jù)AVR單片機的指令輸出控制信號，使電器機械設備執(zhí)行動作，實現(xiàn)溫室環(huán)境調節(jié)。該系統(tǒng)可自動控制光照和二氧化碳濃度。