大棚溫度和濕度自動控制器

無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 1 大棚溫度和濕度自動控制器 摘要： 現(xiàn)代對蔬菜大棚管理中，對大棚溫度和濕度要求比較高。 本電路可以 根據(jù)溫度和濕度的變化自動控制加熱和通風器件工作，達到大棚溫濕度穩(wěn)定在某一范圍， 而且成本又低。 關鍵詞： 自動控制、大棚溫濕度 1 引言 溫室對現(xiàn)在的人們來說，已經算是個非常熟悉的名詞了。溫室技術最早產生于第二次世界大戰(zhàn)期間，當時主要用來解決駐守荒島士兵的蔬菜等食品的補給問題。那時人們還沒意識到溫室技術的重要性，擁有溫室的國家和溫室的面積還都很少。但慢慢地由于溫室給這些國家?guī)淼呢S厚利潤和經濟收益，使他們看到了建 造更多溫室的可行性，因而他們開始大力投入溫室建造和溫室技術的研發(fā)。在這方面荷蘭做的是最好的，它的溫室技術和溫室建造面積方面，都可以說是數(shù)一數(shù)二的。而且荷蘭是最早將計算機作為溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的核心部分出現(xiàn)在荷蘭及世界市場上。 我國作為一個農業(yè)大國，溫室技術的發(fā)展缺比較晚、與國外的技術相比有很大差距。這主要是我國溫室技術興起的比較晚的緣故，為了提高這方面的技術，在自 70 年代末起，我國先后從日本、美國、荷蘭和保加利亞等國引進了不下 40 套的現(xiàn)代化溫室成套設備，雖然引進的這些溫室設備技術領先、設備先進，但在我國的使 用過程中還存在著較為嚴重問題，主要是由于我國自然氣候的特點和引進的設備不能相符合，導致設備不能發(fā)揮起作用，加上設備的可改動性不大，因而很難達到設備對溫室內溫度、濕度、等的合理控制。經過多年來的研究和實驗，我國的溫室大棚技術發(fā)展到現(xiàn)在，已經形成了比較完整和全面的體系。但在某些方面還有欠缺和需要改進地方，譬如說對溫室中溫度因子采用的控制，控制水平、控制精度以及控制穩(wěn)定性方面都有待于進一步的提高。 基于以上對我國溫室大棚技術的分析，本課題針對當前溫室大棚溫度控制不穩(wěn)定的狀況，設計出一種集溫度、 濕度 檢測、控制、報 警于一體的適合廣大溫室的微型控制系統(tǒng)。 2 方案論證 2.1 方案一 如圖 1 所示： 電源經分壓后供給溫度檢測電路和濕度檢測電路。溫度檢測電路：當大棚內溫度大于正常溫度，報警器報警， 通風設備 工 作 ；當溫度小于正常溫度，則進行加熱。濕度檢測電路：當濕度小于正常濕度時， 則噴灌裝置工作 。溫濕度正常，各檢測電路不運作 。 2.2 方案二 傳統(tǒng)的溫度 濕度 控制是在溫室大棚內部懸掛溫度計 和濕度計 ，通過讀取溫度 和濕度值來知道大棚內的實際溫度 和濕度 ，然后根據(jù)現(xiàn)有溫度 和濕度 與額定 的 溫度 和濕度 進行比較，看溫度是否過高或過低，如果過高，就 對大棚進行降溫處理，如果過低就對大棚進行升溫 ；看濕度是否過高或過低， 若濕度低于 50%，則噴灌裝置工作 ； 若濕度達到或超過 70%，噴灌裝置停止工作。 這些操作都是在人工情況下進行的，這些都浪費了大量的人力物力，對于大棚數(shù)量很多來說，是面臨的一個難題。現(xiàn)在，隨著農業(yè)產業(yè)規(guī)模的不斷提高，農產品在大棚中培育的品種越來越多，對于數(shù)量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。 論證 :方案一采用了先進的技術能自動迅速準確的自動進行溫濕度調節(jié)，而方案二需要人時時的觀察，浪費了大量的人力，調節(jié)速度緩慢，精確度不高。所以 選取方案一。 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 2 3 各電路設計和論證 3.1溫度 檢測 電路設計和論證 3.1.1 方案一 溫度檢測電路 由 電阻器 R7 R11、 Rl7 R21、溫度傳感器 (熱敏電阻器 )RT1、 RT2、電位器 RP1、 RP2 和運算放大集成電路 IC3(N1 N4)組成。 詳情見圖 2。 該電路利用熱敏電阻在不同的溫度環(huán)境下有不同的阻值的特性。將熱敏電阻放置在大棚的幾個關鍵點，如四個角、中央、門旁。當外界溫度變化超過規(guī)定范圍時，電路動作，實現(xiàn)溫控。 IC3(N1、 N2、 N3、 N4)為單電源工作的四電壓比較器。 R7、 R8 分壓后產生的 +25.8V 電壓，作為溫度異常報警電路上限溫度的基準電壓 ；R1O、 R11 和 RP1 分壓后產生的 +2OV 電壓，作為溫度異常報警電路下限溫度的基準電壓。電源 溫度檢測電路 濕度檢測電路 溫度 正常溫度 換氣啟動 加熱啟動 自動澆水 溫度 U1時，運放 A1輸出高電平；當 Ui U2，則當輸入電壓 Ui 越出 U2， U1區(qū)間范圍時， LED 點亮，這便是一個電壓雙限指示器。 若選擇 U2 U1，則當輸入電壓在 U2， U1區(qū)間范圍時， LED 點亮，這是一個“窗口”電壓指示器。 RP3 RP4 用來調節(jié)雙向晶閘管的跳變電壓。 R23 和 RP4 的選取遵循以下公式： R23-3RP4=0, R23和 RP4的取值范圍為 1 20K,在這里我們 R23和 RP4分別選擇 10K 和4K的電阻 。 R22 和 RP3 的選取和 R23和 RP4的選取是一樣的。 3.2.2 方案二 在 圖 14 的 B,C 點分別加入加 熱，通風裝置。由下圖可知當溫度過低時 非門 D4將輸出低電平， B端加熱裝置啟動， VL3點亮 。 由圖 14 可知當溫度過高時 非門 D6 將輸出低電平， C 端通風裝置啟動， VL4 點亮 。 加熱裝置可用壁掛式電熱毯或電爐子，換氣裝置可選用換氣扇。 其原理和使用的設備和方案一一致。 論證：使用的裝置一致。 3.3溫度 異常 報警電路設計和論證 3.3.1 方案一 如圖 15 所示： 溫度異常報警電路由電阻器 Rl2 R16、 R37 R44、電容器 Cl5 C23、二極管 VD5、 VD6、穩(wěn)壓二極管 VS、時基集成電路 IC6、功率放大集成電路 IC7 和揚聲器BL組成。 圖 13 比較器 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 14 當大棚內溫度超過 30 或低于 l5 時， VS 兩端將產生 l2V 直流電壓，使 IC6 與外圍阻容元件組成的振蕩器振蕩工作， IC6 第 3 腳輸出的振蕩信號經 IC7 放大后，驅動 BL發(fā)出報警聲。 R12 R16、 R37 R44選用 1/4W 碳膜電阻器或金屬膜電阻器 ； C15 C18選用滌綸電容器或獨石電容器 ； C19 C22 均選用耐壓值為 16V 的鋁電解電容器 ； C23 選用 CBB 電容器 ;VD5 VD6均選用 IN4007 型硅整流二極管 ； VS 選用 1/2W、 12V 的硅穩(wěn)壓二極管 ； IC6均選用 NE555時基集成電路 。 圖 14 方案二的 電路圖 圖 15 溫度異常報警電路 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 15 如圖 16 所示： NE555 內部含有兩個電壓比較器，一個分壓器，一個 RS觸發(fā)器，一個放電晶體管和一個功率輸出級。 圖 17是它的引腳圖。 Pin 1 (接地 ) -地線 (或共同接地 ) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點 ) -這個腳位是觸發(fā) NE555 使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出 ) -當時間周期開始 555 的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少 1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到 O 伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約 200 mA 。 Pin 4 (重置 ) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制 ) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下 ,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。 圖 16 NE555 電路內部方框圖 圖 17 NE555 電路引腳圖 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 16 Pin 6 (重置鎖定 ) - Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電 壓從1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電 ) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為 LOW，對地為低阻抗，當輸出為 OFF 時為 HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是 555 個計時器 IC 的正電源電壓端。供應電壓的范圍是 +4.5伏特 (最小值 )至 +16 伏特 (最大值 )。 IC7、 R42 和 R43 形成一個反相比例放大電路，更改 R42 和 R43 的值即可改變輸出。根據(jù) IC7 的功率放大要求，選取 R42 為 680 ， R43 為 22K。注意：電阻 的選取后的電壓不能超過 20V，電流不能超過 4A。 IC7 選用 TDA2040 型音頻功放集成電路 TDA2040 具有負載泄放電壓反沖保護電路，如果電源電壓峰值電壓 40V 的話，那么在 5 腳與電源之間必須插入 LC 濾波器，以保證 5 腳上的脈沖串維持在規(guī)定的幅度內。 TDA2040是德律風根生產的音頻功放電路，采用 V型 5 腳單列直插式塑料封裝結構。如圖 1所示，按引腳的形狀引可分為 H 型和 V 型。該集成電路在 32V 電源電壓下， RL=4時可獲得 22W 的輸出功率。廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率 大、失真小等特點。并具有內部保護電路。意大利 SGS 公司、美國 RCA公司、日本日立公司、 NEC 公司等均有同類產品生產，雖然其內部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。 圖 18 是它的內部方框圖。 圖 18 TDA2040 的內部方框圖 電路特點： 1.單列 5 腳直插塑料封裝，僅 5 只 引腳。 2.外接元件非常少。 3.輸出功率大， Po=22W(RL=4) 。 4.采用超小型封裝（ TO-220） ,可提高組裝密度。 5.開機沖擊極小。 注意事項： TDA2040 具有負載泄放電壓反沖保護電路，如果電源電壓峰值電壓 40V 的話，那么在 5 腳與電源之間必須插入 LC 濾波器，以保證 5 腳上的脈沖串維持在規(guī)定的幅度內。 熱保護：限熱保護有以下優(yōu)點，能夠容易承受輸出的過載（甚至是長時間的），或者環(huán)境溫度超過時均起保護作用。 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 17 與普通電路相比較，散熱片可以有更小的安全系數(shù)。萬一結溫超過時，也不會對器件有所損害，如果發(fā)生這種情況， Po和 Io 就被減少。 印刷電路板設計時必須較好的考慮地線與輸出的去耦，因為這些線路有大的電流通過。 裝配時散熱片與之間不需要絕緣，引線長度應盡可能短，焊接溫度不得超過 260 ，12秒。 TDA2040 極限參數(shù) 詳見表 3。 表 3 TDA2040 極限參數(shù) 參數(shù)名稱 極限值 單位 電源電壓 (Vs) 20 V 輸入電壓 (Vin) Vs V 差分輸入電壓 (V) 15 V 峰值輸出電流 (Io) 4 A 耗散功率 (V) 25 V 工作結溫 -40-+150 存儲結溫 -40-+150 BL 選用 4 、 2 5W 的電動式揚聲器。 圍繞著 IC6 構成了一個振蕩電路。用來產生約 200Hz 的振蕩波。基于公式 T=0.693（ RP8+2R37） C，假設我們電容采用 0.22uF， R37 和 RP8 的選取遵循以下公式： RP8+2R37=6.6,R37 和 RP8的選取范圍為 0.1 5K。 3.3.2 方案二 如圖 19 所示： 聲音報警電路由電阻器 R5、 R6、電容器 C、晶體管 V1 V3 和揚聲器BL組成。 溫 度偏高，超過溫度的上限值時，非門 D6 將輸出低電平，使 VL4 點亮，聲音報警電路工作， BL發(fā)出報警聲。 當棚內溫度偏低，低于溫度的下限值時，非門 D4 將輸出低電平，使 VL3 點亮，聲音報警電路工作， BL 發(fā)出報警聲。 R5 R6 選用 1/4W 金屬膜電阻器或碳膜電阻器 ； C 選用瓷介電容器或玻璃釉電容器 ；V1 選用 S9012 或 3CG21 型硅 PNP 晶體管 ； V2 選用 S9011 或 3DG6 型硅 NPN 晶體管 ； V3選用 S8550 或 3CC8550 型硅 PNP 晶體管 ； BL選用 0.25W、 8 的電動式揚聲器。 V1、 V2圖 19 溫度異常報警電路 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 18 和 V3 組成一個開關電路。 論證：方案二的電路比方案一簡單，方案二考慮的詳細，準確度上比方案二高。 3.4自 動澆水電路設計和論證 3.4.1 方案一 圖 20是自動澆水電路的電路圖，它 由兩部分組成： 濕度檢測 /噴灌控制電路 。它們由濕敏電阻器 RS1、 RS2、電阻器 R24 R36、 R45、 R46、電容器 C11 C14、電位器 RP5RP7、二極管 VD7、 VD8、晶體管 V1 V4、時基集成電路 IC4、運算放大集成電路 IC5(N5、N6、和繼電器 K 等組成。 IC4 和外圍阻容元件組成低頻振蕩器。該振蕩器工作后，從 IC4 的 3 腳輸出頻率為2OOHz 左右的振蕩信號，為濕敏電阻器 RS1、 RS2 和 lC5 提供工作條件 (濕敏電阻器通常工 作在頻率低于 lkHz 的交流狀態(tài)下 )。在大棚內濕度低于 50%時， N6 輸出的振蕩信號電壓較高，該電壓經 VD7 和 VD8 檢波變成直流電壓，使 V1導通， V2 和 V3截止， V4 導通，K吸合，其常開觸頭將電磁水閥 YV 的工作電源接通，噴灌設施開始噴灌。當大棚內濕度高于 70%時， N6 輸出的振蕩信號電壓較低，使 V1截止， V2 和 V3導通， V4 截止， K釋放，電磁水閥 YV 斷電停止噴灌。 RS1 和 RS2 均用兩塊不銹鋼片在中間夾一塑料板 (或玻璃片 )制成 ； 電阻器 R24R36、 R45、 R46 選用 1/4W 碳膜電阻器或金屬膜電阻器 ； C11、 C14 選用耐壓值為 l6V 的鋁電解電容器 ； Cl2 和 C13 均選用低頻瓷介電容器 ； 電位器 RP5 RP7 選用小型有機實心電位器 ； 二極管 VD7、 VD8 選用 IN4007 管 ； 晶體 管 V1 選用 SG001 或 3DG9O1 型硅 NPN 晶體管 ； V2 和 V3 選用 SG014 或 3DG6 型硅 NPN 晶體管 ； V4選用 SPO13 或 C8050、 S8050、3DGl2 型硅 NPN 晶體管。時基集成電路 IC4 選用 NE555 時基集成電路 。 運算放大集成電路 IC5(N5、 N6) 選用 LM324 型運放集成電路和繼電器 K 等組成。 圍繞著 IC4 的器件和 N4 構成了一 個振蕩電路。由于濕敏電阻大都工作在交流狀態(tài)圖 20 濕測 +自動供水電路 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 19 下，而且要求頻率不能超過 1kHz，所以用蕩電路來產生約 200Hz 的振蕩波。基于公式T=0.693（ RP5+2R45） C，假設我們電容采用 2.2u，我們可以算出 RP5 和 R37 的取值范圍。R45 和 RP5 的選取遵循以下公式： RP5+2R45=6.6,R45 和 RP5的選取范圍為 0.1 5K。 R45和 RP5我們選取阻值分別為 1K 和 2K的電阻。 圍繞著 N6 的器件和 N6 構成了一個負反饋電路iio uuRRu 2724， R24 和 R25 的 關系是 1:1，它們的取值范圍為 1K 50K,在這里我們選取它們的阻值都為 10K。 輸出的振蕩波在滑動變阻器 RP6 調制下，使 A 的有效輸出保持在 2V左右。電容 C12、C13 、 C14 隔直流通交流。二極管 VD7、 VD8 隔斷低于 1V 以下的振蕩波，并防止電流倒灌。其他電阻起到限流的作用。 V3 和 V4 構成射極耦合雙穩(wěn)態(tài)電路 。 圖 21 為射極耦合電路。它也是由兩級反相器組成的正反饋電路，第一級到第二級采用集基耦合，第二級到第一級是通過射極電阻 Re 耦合。通常用射極耦合雙穩(wěn)態(tài)電路做整形電路，脈沖幅度甄別電路 ，示波器用它做閘門信號源等，它依靠輸入幅度進行轉態(tài)。 工作原理：設輸入 ui如圖 21（ b）示，當 ui=0 時，電路處于 BG1 截止， BG2 導通的穩(wěn)定狀態(tài)。這時輸出電壓為： uo=u2=Ec-(ue2/Re)Rc2 當 ui=up2=uc2+0.5 伏（硅管由截止進入放大的閥門電壓），稱 up2 為動作電壓，則電路在 ui 作用下，產生下述正反饋過程： 這種雪崩式反應，瞬間使 BG1 導通， BG2 截止。因 ic1 ic2，所以當 ui 回到 Up2值時，電路仍不轉變，只有當 ui=up1(釋放電平）時，由于 BG1 退出飽和，又產生下述正反饋過程： 圖 21 射極耦合雙穩(wěn)態(tài)電路 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 20 瞬間使 BG1 截止、 BG2 導通，以后就按上述過程周而復始進行，所以把幅度不規(guī)則的輸入波形整形為等幅的矩形波。兩次翻轉電平不相等的現(xiàn)象，稱為回差現(xiàn)象，回差量up2 -up1?；夭盍渴欠裥枰慷嗌?？應由具全情況而定。 3.4.2 方案二 自動澆水電路由兩部分組成： 濕度檢測電路 ， 噴灌 器組成。 如圖 22 所示。 濕度 檢 測電路由電阻器 R1、電位器 RP1、 RP2、非門集成電路 IC(DI D6)內部的非門 D1 D3和發(fā)光二極管 VL1、 VL2 組成。 大棚內 濕度適宜 (濕度在 RP1設定的濕度上限值與 RP2設定的濕度下限值之間 )時，非門 D1 和 D3均輸出高電平， VL1 和 VL2 不發(fā)光，聲音報警電路不工作， BL 不發(fā)聲。 當 棚內 的濕度過大 (濕度大于 RP1 設定的濕度上限值 )時，非門 D2 將輸出高電平，使非門 D3 輸出低電平， 噴頭工作開始自動灌水， 發(fā)光二極管 VL2 點亮，指示土壤的濕度過大 ； 同時聲音報警電路工作， BL發(fā)出報警聲。 當 棚內 過干 (濕度小于 RP2 設定的濕度 下限值 )時，非門 D1 將輸出低電平，使 VL1點亮，指示土壤的濕度過小 ； 同時聲音報警電路工作， BL 發(fā)出報警聲。 R1 選用 1/4W 金屬膜電阻器或碳膜電阻器 ； RP1 RP2 均選用有機實心電位器 ； IC選用 CD4069 或 CC4069、 MCl4069 型六非門集成電路 。 VL1、 VL2均 選用 3mm 的高亮度發(fā)光二極管 ； VL1為綠色， VL2 為紅色。 R1、 RP1 和 RP2 的選取遵循以下公式 :7R1=RP1=RP2, R1、 RP1 和 RP2 的選取范圍為50 100K。 R1、 RP1 和 RP2 選取阻值分別為 68K、 470K 和 470K 的電 阻。 圖 22 濕度檢測電路 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 21 3.5電源電路設計和論證 3.5.1 方案一 圖 23 是用三端式穩(wěn)壓器 7812 構成的單電源電壓輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實驗電路圖。其中整流部分采用了由四個二極管組成的橋式整流器成品 。 選擇二極管： 變壓器的二次電壓有效值為： VUU 5.37)2.145(2.1 02 流過二極管電流的平均值為： AAII AVOAVV 2.0)2 4.0(2 )()( 二極管承受的最大反向電壓為： VVUUR 53