基于AVR芯片的光照和CO2控制系统分析

一、项目概述

1.1 引言

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。随着农业现代化的发展，设施农业工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。本项目以AVR芯片为控制芯片，设计了一套适用于当前西瓜生产的光照和二氧化碳浓度控制系统。

1.2 项目背景/选题动机

中国作为一个农业大国，“三农”问题关系到国民素质、经济发展，关系到社会稳定、国家富强、民族复兴。“十二五”发展规划中现代农业是的重中之重，我国农业生产靠天吃饭的局面仍未根本改变。农业基础设施条件还比较差，抗御自然灾害能力较弱。近年来，我国每年因气象灾害损失粮食1000亿斤左右。自然灾害呈加重态势，粮食生产风险越来越大。从而使如何在提高农产品产量的同时减少气象灾害对农业生产的影响变得尤为重要。

温室是现代西瓜生产中必不可少的设施之一，光照和二氧化碳浓度是影响西瓜生长发育两个重要的因子。二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料，要维持西瓜的光合作用，应使二氧化碳的浓度保持在250%——300%ppm。光照作物有两个重要的坐标点—光补偿点和光饱和点。光合产物的形成不仅与光照的强度，而且与光照的时间，即由一定光强累积的光照量有关。光照分布愈均匀，其阴影面积率及作物群体漏光损失愈小，则温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对于温室种植西瓜又极其重要的意义。本项目通过使用ATmega16芯片，结合光照传感器、二氧化碳传感器来实现对温室光照和二氧化碳量的自动化控制。

二、需求分析                                 

2.1 功能要求

该系统先测量光照强度，根据在相应的光照条件下二氧化碳的测量值与相应生长期的各环境因子的最高、最低值比较，控制相关设备的打开和关闭。当测量值大于最高值或小于最低值时，除了打开相应的设备外，系统还启动报警设备，提醒工作人员注意。系统具有能测量显示二氧化碳浓度值，和连接到执行设备实行自动控制的功能，同时留有检测控制多个环境因子的接口。

温室光照强度随地理位置和时间变化而变化，不同温室的透光率不同，所以在温室内的光照分布不均匀。太阳辐射是外界对温室环境影响的主要的因素之一，它可直接影响室内的温度、湿度、植物的光合作用、呼吸作用等。根据荷兰学者的研究结果，当光照降低19%时，产量降低21%，当光照降低32%时，产量降低34%，从而得出1%光照等于1%的产量的结论，由此可见光照对于作物生长的重要性。

夏季光照强度过大，超过光饱和点时，就要人为遮光，防止温室气温过高灼伤作物。可采用外遮阴进行遮阳。而在阴雨季节和冬天夜间，光照强度低于光补偿点使作物有效光照时间缩短时，为促进作物生长，需进行人工补光。常用的温室补光人工光源主要包括白炽灯、卤灯、荧光灯、高压水银灯、金属卤化物灯和高压钠灯等。为调节光质和节约能耗，温室中一般将金属卤化物等和高压钠灯按l:1搭配安装使用。

二氧化碳是植物光合作用的主要碳源。文献中一般认为二氧化碳浓度保持在500^-1000(mg/kg)为适宜浓度，若高达3000 mg·kg将对人体有害。正常大气情祝下的二氧化碳浓度在340350 mg/kg，光合作用速率随光量增加而增加，但达到光饱和点后就趋于缓和。在此情况下，温度的影响不大，但若有二氧化碳施肥使浓度达1000 mg/kg或以上，则光合作用速率可随之加快。而西瓜对二氧化碳的吸收存在着补偿点和饱和点，长时间的二氧化碳饱和浓度可对西瓜光合系统造成破坏而降低光合效率。因此及时准确的了解温室内的二氧化碳浓度是保证温室西瓜高质、快速生长的基础条件。

温室的二氧化碳肥料来源主要有碳水化合物燃料、高压瓶装二氧化碳，干冰、发酵、有机物质降解和化学反应生成法，但大多数的设施实现自动控制较为困难。一般温室中采用钢瓶装的液态二氧化碳气源，用继电器的启闭和控制时间来实现二氧化碳的释放量。当温室内二氧化碳浓度过高时，可以通过自然通风和强制通风来调节。为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境。我们先编制出温室西瓜各生育阶段最适环境条件的管理程序表，存储于AVR单片机的ROM中，AVR单片机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向AVR单片机输送检测信息，根据AVR单片机的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。该系统可自动控制光照和二氧化碳浓度。