一種溫室大棚的智能控制系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，屬于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及溫室大棚的環(huán)境因子控制，本實(shí)用新型控制系統(tǒng)包括處理器、按鍵采集模塊、光照強(qiáng)度采集模塊和閥門(mén)控制模塊，所述處理器內(nèi)置存儲(chǔ)器和參數(shù)設(shè)置模塊，存儲(chǔ)器內(nèi)保存每種植物在不同光照強(qiáng)度下的CO2飽和點(diǎn)，處理器讀取按鍵采集模塊輸入的植物品種和光照強(qiáng)度采集模塊確認(rèn)的光照強(qiáng)度，查找存儲(chǔ)器中對(duì)應(yīng)的CO2飽和點(diǎn)，確認(rèn)CO2施放量，并將CO2施放量轉(zhuǎn)化為閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間，閥門(mén)控制模塊控制CO2氣源的閥門(mén)。本實(shí)用新型通過(guò)植物在不同光強(qiáng)下對(duì)CO2的需求量，給予適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，提高植物的光合速率，提高經(jīng)濟(jì)效益。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種溫室大棚的智能控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及溫室大棚的環(huán)境因子控制，具體設(shè)及 到一種溫室大棚的智能控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著設(shè)施工程技術(shù)和栽培育種技術(shù)的不斷改進(jìn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量得到了極大的 提高，但是不利的生長(zhǎng)環(huán)境因子使農(nóng)業(yè)作物實(shí)際的產(chǎn)量只發(fā)揮了其生產(chǎn)潛力的24%左右， 限制了產(chǎn)量的提高，例如，環(huán)境溫度、空氣濕度W及C〇2的濃度。
[0003] 0)2是作物進(jìn)行光合作用的原料之一，因此，0)2濃度是影響作物生長(zhǎng)的一個(gè)很重要 的環(huán)境因子。0)2施肥可W增強(qiáng)蔬菜對(duì)生物逆境和非生物逆境的抗性，改變蔬菜作物的礦物 質(zhì)吸收和分配，同時(shí)也影響蔬菜作物的超微結(jié)構(gòu)。作物進(jìn)行光合作用會(huì)消耗大量的C〇2,若 室內(nèi)C〇2得不到及時(shí)補(bǔ)充，0)2濃度會(huì)迅速下降。在不通風(fēng)情況下，0)2濃度會(huì)降低到作物C〇2 補(bǔ)償點(diǎn)W下，即使在通風(fēng)情況下，室內(nèi)C〇2濃度也可能低于室外C〇2濃度。因此，過(guò)低的C〇2濃 度已成為設(shè)施作物光合的主要限制因素，制約了作物生長(zhǎng)發(fā)育，降低了作物產(chǎn)量和品質(zhì)。
[0004] 目前在濕度檢測(cè)方面，濕度傳感器通常采用蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，由于其濕敏材料對(duì)水 分的吸附性，導(dǎo)致濕度傳感器檢測(cè)具有時(shí)滯長(zhǎng)、不穩(wěn)定性、而且難W維護(hù)保養(yǎng)的特點(diǎn)，測(cè)量 具有較大的誤差。
[0005] 雖然有一些地方在使用C〇2、濕度等環(huán)境因子控制方法后收到了良好效果，但很多 地方還尚未使用或者使用后效果不佳，甚至有些地方在使用中還出現(xiàn)了一些問(wèn)題，因此對(duì) 0)2施肥效果貶褒不一。之所W會(huì)出現(xiàn)上述情況，主要原因有我國(guó)缺少成本低、安全、操作簡(jiǎn) 單、產(chǎn)氣量高、易于控制的C〇2發(fā)生設(shè)備和缺乏增施C〇2后對(duì)作物合理的肥水管理措施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，通過(guò) 綜合考慮植物種類(lèi)、生育階段、栽培條件及其他環(huán)境因素等條件，選擇適宜的C〇2增施方法、 施肥濃度和施肥時(shí)間。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種溫室大棚的C〇2施肥控制系統(tǒng)，包括處理器、按鍵 采集模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、閥口控制模塊和溫濕度傳感器，所述處理器內(nèi)置存儲(chǔ)器和參 數(shù)設(shè)置模塊，存儲(chǔ)器內(nèi)保存各種植物在不同光照強(qiáng)度下的C〇2飽和點(diǎn)，溫濕度傳感器將采集 到的數(shù)據(jù)輸出給處理器，處理器讀取按鍵采集模塊輸入的植物品種數(shù)據(jù)和光照強(qiáng)度采集模 塊檢測(cè)到的光照強(qiáng)度，查找存儲(chǔ)器中該種植物在某一光照強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的C〇2飽和點(diǎn)，確認(rèn) C〇2施放量，通過(guò)閥口控制模塊實(shí)現(xiàn)C〇2的釋放控制。
[000引上述參數(shù)設(shè)置模塊還包括光照強(qiáng)度采集模塊每天采集光照強(qiáng)度的時(shí)間點(diǎn)設(shè)置，具 體的，在3-4月中旬，日出1小時(shí)后檢測(cè)光照強(qiáng)度，4月下旬到5月，日出半小時(shí)后檢測(cè)，在11月 到2月，日出2小時(shí)檢測(cè)。在存儲(chǔ)器中植物品種、光照強(qiáng)度和C02的對(duì)照表中，光照強(qiáng)度在 27W · nf2W上時(shí)，0)2施放量大于0?？刂葡到y(tǒng)還包括風(fēng)機(jī)控制模塊和風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)在大棚 內(nèi)部雙向循環(huán)排列，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槭勾笈飪?nèi)部形成循環(huán)氣流。具體的，風(fēng)機(jī)高度距離地面10 到20厘米，與地面形成10-20度仰角，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槭箽饬鲝牡吞幭蚋咛幜鲃?dòng)。風(fēng)機(jī)風(fēng) 速設(shè)在0.3~1.0m· 范圍內(nèi)，植物葉片的邊界層阻力減少，氣孔導(dǎo)度增大;所述風(fēng)機(jī)的換 氣速度為10^1，也即每6min風(fēng)機(jī)啟停一次。上述的電磁閥口一端與C02氣源聯(lián)通，另一端連 接導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管直徑為2cm，另一端封閉，所述導(dǎo)氣管上每間隔1米設(shè)有一個(gè)直徑為2mm的 小孔?？刂葡到y(tǒng)還包括C02濃度檢測(cè)模塊，0)2濃度檢測(cè)模塊在施放C02氣肥后，實(shí)時(shí)檢測(cè)C02 濃度變化，大棚內(nèi)外的C02濃度一致后，給大棚強(qiáng)制通風(fēng)。在給大棚強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)，大棚內(nèi)的風(fēng) 機(jī)單向工作，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槭勾笈飪?nèi)部形成單向流動(dòng)氣流。C02的施放量比C02的飽和點(diǎn)低。
[0009] 所述溫濕度傳感器包括半導(dǎo)體檢測(cè)單元、二次轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元，半導(dǎo)體 檢測(cè)單元包括兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片Rel和Re2,半導(dǎo)體應(yīng)變片Rel和Re2設(shè)在半徑為ro的圓形膜片 上，圓形膜片設(shè)在U型支座上，膜片與U型支座間形成一個(gè)密封空腔，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片受到 膜片內(nèi)外兩側(cè)的壓力差和溫度激勵(lì)作用下輸出電阻響應(yīng)，二次轉(zhuǎn)換單元將電阻響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn) 換為脈寬信號(hào)，信號(hào)處理單元通過(guò)數(shù)據(jù)解禪分離出溫度和內(nèi)外壓力差和相對(duì)濕度。所述的 半導(dǎo)體應(yīng)變片Rei設(shè)置在圓屯、位置，R。設(shè)置在膜片0.89r〇的圓上，兩個(gè)電阻應(yīng)變片的變化量 相同，正負(fù)相反。
[0010] 本實(shí)用新型有如下積極效果:通過(guò)植物在不同光強(qiáng)下對(duì)C〇2的需求量，給予適當(dāng)?shù)?補(bǔ)充，提高植物的光合速率，提高經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本實(shí)用新型【具體實(shí)施方式】的C〇2施肥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖2為本實(shí)用新型【具體實(shí)施方式】的風(fēng)機(jī)布置圖。
[0013] 圖3是本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】的溫濕度傳感器中應(yīng)變片的安裝示意圖。
[0014] 圖4是本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】的溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖5是本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】的應(yīng)變片的應(yīng)變分布圖。
[0016] 圖6是本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】的溫濕度傳感器工作原理結(jié)構(gòu)框圖。
[0017] 圖7是本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】的溫濕度傳感器的信號(hào)流程框圖。
[0018] 圖8是本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】的脈寬信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖。
[0019] 圖中，1、U型支座，2、空氣密封腔，3、膜片，4、半導(dǎo)體應(yīng)變片Κε?，5、半導(dǎo)體應(yīng)變片 Κε2，6、風(fēng)機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面對(duì)照附圖，通過(guò)對(duì)實(shí)施例的描述，本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】如所設(shè)及的各 構(gòu)件的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工 藝及操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，W幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的發(fā)明 構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0021] 本實(shí)用新型系統(tǒng)包括處理器、按鍵采集模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、0)2濃度檢測(cè)模 塊、溫濕度傳感器、風(fēng)機(jī)控制模塊和電磁閥控制模塊，處理器內(nèi)包括存儲(chǔ)器和參數(shù)設(shè)置模 塊，按鍵采集模塊用于用戶(hù)輸入?yún)?shù)，由于不同的植物的C〇2飽和點(diǎn)不同，因此得通過(guò)按鍵 采集模塊輸入植物種類(lèi)，另外，由于季節(jié)變更，日出時(shí)間在變化，也意味著植物進(jìn)行光合作 用的時(shí)間在變化，用戶(hù)需要設(shè)置光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊的采集時(shí)間點(diǎn)，也即C〇2施放時(shí)間。通過(guò) 按鍵采集模塊，用戶(hù)手動(dòng)輸入植物的類(lèi)型和每天C〇2施放時(shí)間點(diǎn)，在存儲(chǔ)器中，預(yù)先設(shè)置好 每種植物在不同的光照強(qiáng)度下的C〇2飽和點(diǎn)，控制器通過(guò)查表方式確定需要施放的C〇2體積， C〇2的體積轉(zhuǎn)換成施放時(shí)間，也即電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間。
[0022] 由于C〇2的密度比空氣大，所WC〇2沉積到大棚底部，影響植物冠層與群落內(nèi)部C〇2 的均勻分布，從而影響增施CO2氣肥的效果。植物進(jìn)行光合作用消耗大量的CO2,若風(fēng)速較小， 會(huì)使C〇2的擴(kuò)散速率減慢，造成植物群落內(nèi)部C〇2得不到及時(shí)補(bǔ)充，從而降低植物的光合速 率。在大棚內(nèi)部增加風(fēng)機(jī)設(shè)備，有利于提高大棚內(nèi)部的空氣流通，使大棚內(nèi)的C〇2分布均勻， 同時(shí)，植物葉片的邊界層阻力減少，氣孔導(dǎo)度增大，提高C〇2的轉(zhuǎn)化效率。
[0023] 如圖2所示，本實(shí)用新型在大棚內(nèi)部增設(shè)多個(gè)風(fēng)機(jī)，使大棚內(nèi)形成循環(huán)氣流，風(fēng)機(jī) 高度距離地面10到20厘米，與地面形成10-20度仰角，風(fēng)速設(shè)在0.3~1 .Om · 范圍內(nèi)。將風(fēng) 機(jī)設(shè)在距離地面一定的高度，并與地面有一定的仰角，風(fēng)機(jī)負(fù)壓面為靠近地面的一側(cè)，運(yùn)一 高度可W保證風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)的負(fù)壓面空氣流通不會(huì)受到阻礙，如果過(guò)于接近地面，因?yàn)?空氣流通受阻，會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。10-20度仰角可W將沉積的C〇2向高處擴(kuò)散，保證植物冠 層對(duì)C〇2的需求。風(fēng)速在0.3~1.0m · 范圍內(nèi)時(shí)，植物葉片的邊界層阻力減少，氣孔導(dǎo)度增 大，增施C〇2的效果增加。若風(fēng)速過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致植物的部分氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度降低，0)2的轉(zhuǎn) 化效率降低。
[0024] 溫室在通風(fēng)狀態(tài)下的換氣速度在lOh^i次W上，因此，本實(shí)用新型的風(fēng)機(jī)可W采用 間歇作業(yè)的方式，風(fēng)機(jī)平均每6min工作一次，每次工作的時(shí)長(zhǎng)因風(fēng)機(jī)之間的距離而定，保證 整個(gè)溫室的空氣都循環(huán)流通，C〇2分布均勻，則可W停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0025] 本實(shí)用新型的C〇2氣源采用瓶裝液態(tài)的C〇2，瓶裝液態(tài)的C〇2濃度容易控制，方便安 全，通過(guò)導(dǎo)氣管及其上的小孔將C〇2均勻的施放到溫室大棚中，將導(dǎo)管固定在大棚的頂部， 導(dǎo)氣管的直徑為2cm，一頭與鋼瓶放氣口連接，一頭封閉，在導(dǎo)氣管上每間隔1米打一個(gè)直徑 約為2mm的小孔。鋼瓶的放氣口由電磁閥口控制。
[00%]由于植物晚間的呼吸作用，致使棚內(nèi)的C〇2濃度升高，運(yùn)些C〇2恰好可W作為植物日 間的光合作用原料，在日出1-2小時(shí)后，棚內(nèi)的C〇2濃度比外界的濃度高，有利于促進(jìn)植物的 光合作用，不需要額外施加 C〇2氣肥。本實(shí)用新型控制系統(tǒng)在日出1-2小時(shí)后，再根據(jù)當(dāng)前的 日照強(qiáng)度等環(huán)境因素，考慮C〇2施肥。在陰雨天氣，光合作用不強(qiáng)，不適合施加氣肥。
[0027] 具體的，在3-4月中旬，日出1小時(shí)后檢測(cè)C〇2的濃度，4月下旬到5月，日出半小時(shí)后 檢測(cè)C〇2的濃度，在11月到2月，日出2小時(shí)檢測(cè)C〇2濃度，因?yàn)槎镜臏囟认鄬?duì)較低，日照強(qiáng)度 也偏低，光合速率較低，一般兩小時(shí)后C〇2的濃度下降到較低水平。夏季溫度較高，需要通風(fēng) 給大棚內(nèi)降溫，但是即使一直保持通風(fēng)，大棚內(nèi)部的C〇2濃度也要低于外界的5%-10%，夏 季大棚C〇2的施肥濃度不宜過(guò)高，維持近于大氣的C〇2濃度水平，具有顯著的效果。很大程度 上提高植物的凈光合速率。將C〇2濃度增施到室外水平，即使大棚的換氣速度很快，也不會(huì) 有C〇2逸散到室外，此時(shí)，增施C〇2的利用效率約為1。
[0028] 在大棚內(nèi)設(shè)置TPS-2便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)量C〇2的濃度，用光照強(qiáng)度傳感器測(cè) 量室內(nèi)的光照強(qiáng)度，光照強(qiáng)度會(huì)對(duì)C〇2的補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)產(chǎn)生影響，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在 8.5,27,61，129,26抓.111-2光強(qiáng)下，分別觀察300到100011111〇1.111〇1-1的〇)2濃度下的光合速 率，發(fā)現(xiàn)8.5W · πΓ2光強(qiáng)下，增加 C〇2的濃度對(duì)光合速率提高不明顯，27W · πΓ2光強(qiáng)下，光合速 率從加111〇1.111-2.3-1增加到1〇11111〇1.111-2.3-1，增加較為明顯，61，129,26抓.111- 2光強(qiáng)下，光 合速率更為明顯，因此，本實(shí)用新型選用27W · πΓ2作為參考值，在27W · πΓ2光強(qiáng)W上，考慮給 植物施加 C〇2氣肥。
[0029] 不同的植物種類(lèi)對(duì)C〇2的吸收效率也不同，C3植物對(duì)C〇2的吸收效率隨C〇2的濃度、 光強(qiáng)等因素的影響變動(dòng)較大，但是C4植物在其他條件滿(mǎn)足的情況下，330umol · m〇ri時(shí)，光 合速率基本不再增加，而室外的C〇2濃度基本可W滿(mǎn)足運(yùn)一要求。
[0030] 在實(shí)際的使用過(guò)程中，將設(shè)置C〇2的施放量比實(shí)際的飽和點(diǎn)低，因?yàn)镃〇2的吸收還受 到其他環(huán)境因子的影響，但是運(yùn)是一個(gè)復(fù)雜的處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，很難確定一個(gè)定值，因 此，將C〇2的飽和點(diǎn)設(shè)置的比實(shí)際值低，可W保證C〇2濃度不會(huì)超過(guò)飽和點(diǎn)，避免過(guò)度的C〇2濃 度，對(duì)植物生長(zhǎng)不利，也浪費(fèi)C〇2氣源。
[0031] 施放過(guò)C〇2氣體后，大棚緊閉，植物進(jìn)行光合作用，隨著光合作用的進(jìn)行，室內(nèi)的C〇2 濃度開(kāi)始降低，0)2濃度檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)C〇2的濃度，當(dāng)降到外界環(huán)境水平時(shí)，可W打開(kāi)溫 室大棚，強(qiáng)制通風(fēng)，使大棚內(nèi)的氣體換氣。運(yùn)時(shí)，可W關(guān)閉圖2中的一側(cè)風(fēng)機(jī)，使氣體向著一 個(gè)方向流通。風(fēng)機(jī)控制模塊用于控制溫室內(nèi)的氣體流通，設(shè)置好風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟時(shí)間間隔和每 次的工作時(shí)間。
[0032] 本實(shí)用新型提供的溫濕度傳感器使用解析法從多種激勵(lì)因素中分離出相應(yīng)的轉(zhuǎn) 換響應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種由彈性膜片和U型支座組成的溫濕度傳感器，彈性膜片和U型支座間形 成一個(gè)干燥空氣密封腔，在膜片外表的圓屯、和靠周邊的合適位置各配置了一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變 片。W此裝置來(lái)接收空氣中的多種激勵(lì)信息，再經(jīng)過(guò)二次變換和信號(hào)處理后，就可得到溫 度，相對(duì)濕度和大氣壓等數(shù)據(jù)信息。該裝置沒(méi)有傳統(tǒng)濕敏元件的時(shí)滯長(zhǎng)、不穩(wěn)定性和難W維 護(hù)保養(yǎng)的問(wèn)題，在惡劣環(huán)境中能保持轉(zhuǎn)換精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，且便于維護(hù)。本實(shí)用新型的溫 濕度傳感器只用應(yīng)變電阻傳感器W轉(zhuǎn)換多種大氣狀態(tài)參數(shù)，相比于傳統(tǒng)的溫濕度傳感器， 實(shí)現(xiàn)了單一的敏感結(jié)構(gòu)具有多種轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計(jì)方法。
[0033] 所述溫濕度傳感器包括半導(dǎo)體檢測(cè)單元、二次轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元，半導(dǎo)體 檢測(cè)單元中設(shè)有兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片Rei和Re2安裝在半徑為ro的圓形膜片上，半導(dǎo)體應(yīng)變片受 壓電阻發(fā)生變化輸出電阻響應(yīng)，二次轉(zhuǎn)換單元接收半導(dǎo)體檢測(cè)單元的輸出信號(hào)，將電阻響 應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬信號(hào)，信號(hào)處理單元解禪分析二次轉(zhuǎn)換單元的輸出信號(hào)，分離出溫度、相 對(duì)濕度和大氣壓數(shù)據(jù)。
[0034] 所述半導(dǎo)體檢測(cè)單元中，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片在氣壓激勵(lì)下各自產(chǎn)生的電阻增量數(shù) 值相同，正負(fù)相反，其中一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片安裝在圓屯、位置，另一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片安裝在半 徑0.89Π )的同屯、圓的位置上。所述二次轉(zhuǎn)換單元包括兩個(gè)相同的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，一個(gè) 半導(dǎo)體應(yīng)變片對(duì)應(yīng)連接一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路包括555定時(shí)器、電阻R 和電容C，電阻R連接在555定時(shí)器的2號(hào)引腳和3號(hào)引腳之間，電容C連接在555定時(shí)器的2號(hào) 引腳上，2號(hào)引腳和6號(hào)引腳短接，3號(hào)引腳和7號(hào)引腳短接，555定時(shí)器的7號(hào)引腳輸出脈寬信 號(hào)連接到信號(hào)處理單元。所述脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的脈寬轉(zhuǎn)換公式為τ = 1η2 · C · R，式中τ為 輸出脈寬，R是電路中的電阻，C為云母標(biāo)準(zhǔn)電容，脈寬輸出τ與各自所接電阻R成正比。所述 圓形膜片根據(jù)半導(dǎo)體檢測(cè)單元中的兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變變化分為正應(yīng)變片區(qū)和負(fù)應(yīng) 變片區(qū)，W半徑0.63Π )的同屯、圓為界。所述信號(hào)處理單元中設(shè)有GPS單元和大氣壓數(shù)值表， GPS單元連接在信號(hào)處理單元上用來(lái)定位傳感器安裝點(diǎn)的經(jīng)締度，查詢(xún)安裝點(diǎn)的大氣壓數(shù) 值。所述信號(hào)處理單元中設(shè)有溫度飽和水汽分壓表，信號(hào)處理單元利用溫度調(diào)用相應(yīng)的飽 和水汽分壓值。所述溫濕度傳感器設(shè)置在圓柱形的U型支座1上，圓形膜片3設(shè)置在U型支座1 的上表面，圓形膜片3選用黃銅膜片，U型支座1和黃銅膜片之間設(shè)有空氣密封腔2,兩個(gè)半導(dǎo) 體應(yīng)變片安裝在黃銅膜片的表面。
[0035] 所述信號(hào)處理單元利用大氣中水蒸氣分壓力與敏感電阻之差，經(jīng)二次變換后的脈 寬及其對(duì)始終頻率的計(jì)數(shù)之差成正比，大氣環(huán)境溫度與敏感元件的計(jì)數(shù)之和呈單值對(duì)應(yīng) 函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出應(yīng)變片所受差壓值、水蒸氣分壓值和溫度值。所述信號(hào)處理單元利用溫度 飽和水汽分壓表，利用溫度值調(diào)用相應(yīng)的飽和水汽分壓值，根據(jù)相對(duì)濕度的公式計(jì)算出相 對(duì)濕度。
[0036] 本實(shí)用新型的溫濕度傳感器檢測(cè)模塊的具體檢測(cè)方法如下：步驟一、連接安裝傳 感器電路;步驟二、調(diào)整兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片的安裝位置，使兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片受氣壓激勵(lì)作 用產(chǎn)生的電阻增量相等，正負(fù)相反;步驟Ξ、半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化量輸入到二次轉(zhuǎn)換單 元進(jìn)行脈寬轉(zhuǎn)換，輸出脈寬信號(hào)；步驟四、信號(hào)處理單元接收二次轉(zhuǎn)換單元輸出的脈寬信 號(hào)，利用道爾頓定律、應(yīng)變片原理和解析法分析半導(dǎo)體應(yīng)變片的變化量、溫度和水蒸氣分壓 數(shù)據(jù)，計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度和大氣壓值。
[0037] 所述信號(hào)處理單元利用大氣中水蒸氣分壓力與敏感電阻半導(dǎo)體應(yīng)變片之差，經(jīng)二 次變換后的脈寬及其對(duì)始終頻率的計(jì)數(shù)之差成正比，大氣環(huán)境溫度與敏感電阻的計(jì)數(shù)之和 的對(duì)數(shù)成反比關(guān)系，計(jì)算出應(yīng)變片所受差壓值A(chǔ) P、水蒸氣分壓Pw和溫度值t。所述信號(hào)處理 單元利用溫度飽和水汽分壓表，根據(jù)溫度值調(diào)用相應(yīng)的飽和水汽分壓值，根據(jù)相對(duì)濕度的 公式
計(jì)算出相對(duì)濕度，式中中為相對(duì)濕度，Pws為大氣壓中在某一溫度下的飽和 水汽分壓力。下文通過(guò)公式推導(dǎo)詳述本實(shí)用新型的溫濕度傳感器檢測(cè)溫度、濕度W及氣壓 值的過(guò)程。
[0038] 一、大氣狀態(tài)參數(shù)
[0039] 道爾頓定律指出，混合大氣的總壓力等于各組成氣體的分壓力之和，如公式（1)所 示：
[0040] PM=Pd+Pw(Pa) (1)
[0041 ]式中PM(Pa)為混合氣體的總壓力，Pd(Pa)為干燥大氣的分壓力，Pw(Pa)為空氣中所 含水蒸氣分壓力，其中Pw在Pm占最大份額，為5%左右，故Pm和Pd壓力均比較接近標(biāo)準(zhǔn)大氣 壓。
[0042] 相對(duì)濕度取(畑％ )的公式為
[0043] 式中φ表示相對(duì)濕度，Pws為大氣壓在某一溫度下，飽和水汽分壓力(Pa)，它隨溫度 而變，可通過(guò)已知溫度查表或由回歸擬合曲線方程求得。由公式（1)可得，若通過(guò)儀表能測(cè) 出差壓PM-Pd，即可計(jì)算出Pw，再W所測(cè)溫度，在濕空氣密度、水蒸氣壓力、含濕量對(duì)照表中找 至iJPws，便可由公式(2)算出相對(duì)濕度φ (RH% )。
[0044] 二、應(yīng)變片及其轉(zhuǎn)換特性
[0045] 傳感器中應(yīng)變片的安裝示意圖如圖3所示，傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，應(yīng)變 片的轉(zhuǎn)換特性及應(yīng)變分布如圖5所示。溫濕度傳感器為圓柱狀結(jié)構(gòu)，外殼包括U型支座1和圓 形膜片3,圓形膜片3覆蓋在U型支座1上，二者之間形成一個(gè)空氣密封腔3,兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變 片安裝在圓形膜片3上，通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化計(jì)算出溫濕度傳感器安裝環(huán)境 中的溫度、相對(duì)濕度和大氣壓數(shù)據(jù)。
[0046] 混合大氣壓Pm均勻作用于彈性膜片的外表面，于是膜片兩側(cè)的差壓為：
[0047] AP = PM-Pre = Pw+Pd-Pre^a) (3)
[004引式中Pre = 4 · 104(Pa)為密封腔中設(shè)定的參照壓力，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值為Pd=101325 (Pa)，從而可算出大氣中水汽分壓力Pw(Pa)。
[0049]在差壓ΔΡ作用下，膜片表面上應(yīng)力和應(yīng)變的分布如下式所示：
[0052]式(4)和(5)中，本實(shí)用新型選用彈性較好的黃銅膜片，E(Pa)為膜片彈性模量，約 為7*1〇1中曰，4為泊松比，約為0.33，^)為圓形膜片3的外半徑40(臟），}1為圓形膜片3的膜片厚 度0. l(mm)，b為U型支座1的厚度5(mm)，U型支座1的高度為lO(mm)，A P為作用在膜片兩側(cè)的 差壓(Pa)，r(mm)為應(yīng)變片位置的半徑。 柳對(duì)若將已知常數(shù)代入(4)式，可得圓屯、應(yīng)力〇r=〇 = 8*104*AP^a) (6)。
[0054]應(yīng)變片的靈敏系數(shù)Κε和轉(zhuǎn)換特性如公式(7)所示：
[0化5]
[0化6] 式中Ro為t = 0°C和Er = 0時(shí)應(yīng)變片電阻（Ω )，Κε約為125, ΔΚε則為應(yīng)變片在Er激勵(lì) 下電阻的變化量（Ω )，將(6)式代入(7)可得：
[0化7]
[0058] 若將E = 7*1〇1中a代入式可知，應(yīng)變片所能輸出的相對(duì)電阻變化，在最大量程下也 只有10-2量級(jí)，故需在裝置中加入二次變換和信號(hào)處理電路，W獲取所需的靈敏度和分辨 力。
[0059] Ξ、二次變換和信號(hào)傳送流程
[0060] 工作原理結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，溫濕度傳感器包括半導(dǎo)體檢測(cè)單元、二次轉(zhuǎn)換單 元、信號(hào)處理單元，半導(dǎo)體檢測(cè)單元中設(shè)有兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片，半導(dǎo)體應(yīng)變片受壓電阻發(fā)生 變化輸出電阻響應(yīng)，半導(dǎo)體檢測(cè)單元的輸出端連接二次轉(zhuǎn)換單元，二次轉(zhuǎn)換單元接收半導(dǎo) 體檢測(cè)單元的輸出信號(hào)，二次轉(zhuǎn)換單元將電阻響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬信號(hào)，二次轉(zhuǎn)換單元的 輸出端連接信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元解禪分析二次轉(zhuǎn)換單元的輸出信號(hào)。
[0061] 信號(hào)流程框圖如圖7所示，二次轉(zhuǎn)換單元包括兩個(gè)相同的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路由555定時(shí)器C1和C2組成，二次轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元還設(shè)有選通開(kāi)關(guān)，選 用C3開(kāi)關(guān)，信號(hào)處理單元主要組成為C4單片機(jī)。圖7中Rei和Re2在Pw和t激勵(lì)下，各自產(chǎn)生不同 的化和R2響應(yīng)，它們經(jīng)兩個(gè)相同的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的C1、C2忍片555變換后，各自產(chǎn)生τι和 T2(S)脈寬輸出，該脈寬信號(hào)經(jīng)C3開(kāi)關(guān)選通后再送至C4單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換 電路如圖8所示，電阻R連接在C定時(shí)器555的2號(hào)引腳和3號(hào)引腳之間，電容C連接在555定時(shí) 器的2號(hào)引腳上，2號(hào)引腳和6號(hào)引腳短接，3號(hào)引腳和7號(hào)引腳短接，555定時(shí)器的7號(hào)引腳輸 出脈寬信號(hào)連接到信號(hào)處理單元。由于應(yīng)變片的不同，兩個(gè)脈沖電路中的電阻和輸出脈寬 可W用Rl和化、Τι和T2表示。
[0062] 脈寬轉(zhuǎn)換公式:τ = 1η2 · C · R(S)對(duì)應(yīng)到兩個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換電路即為：
[0063] τι = 1η2 · Co · Ri(S) (9)
[0064] Τ2 = 1η2 · Co · R2(S) (10)
[0065] 式中τι和Τ2為兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的兩路脈寬輸出信號(hào)，Ri和R2為半導(dǎo)體應(yīng)變 片的電阻變化值計(jì)量單位為Ω，Co(F)為云母標(biāo)準(zhǔn)電容，約為0.72 X 10-中，上式表明脈寬輸 出與各自所接電阻Ri和化成正比。
[0066] 四、在多因素輸入時(shí)，合成響應(yīng)的解禪處理
[0067] 在τι和T2中隱含有水汽分壓Pw和溫度t兩種信息，如何能讓其在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中 分離，需通過(guò)數(shù)據(jù)解禪技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息分離和復(fù)原。
[0068] 化和化電阻變化公式為：
[0071] 式中Ro=100〇Q為基準(zhǔn)電阻;B = 485(KK)為半導(dǎo)體應(yīng)變片的阻溫系數(shù);Τ〇 = 273化） 為參照溫度;Τ化)為輸入溫度；ARu和ΔΚ。分別為Ri和R2在大氣壓力激勵(lì)下各自產(chǎn)生的電 阻增量。由W上兩式可知，如能讓A Rei和AR。數(shù)值相同，但正負(fù)相反，即（11)和（12)式可變 成：
[0074] 將W上兩式相減或相加，就可分離出Pw和t兩種輸入信息，即相加時(shí)Rl+R2 = ft(T)， 和相減時(shí)Rl-R2 = fe(Pw)，即和與差的結(jié)果只與單一輸入信息一一對(duì)應(yīng)，ARel = -ARe2= Δ 〇
[0075] 參見(jiàn)圖4,整個(gè)膜片外表面在差壓ΔΡ作用下，W半徑r = 0.63r〇為界，區(qū)分為正負(fù) 兩個(gè)應(yīng)變區(qū)?？繄A屯、部分內(nèi)圓為正ε區(qū)，而靠周邊外圓部分則為負(fù)ε區(qū)，在此兩個(gè)區(qū)域的合 適位置上，可W找到ε數(shù)值相等但極性相反的兩個(gè)點(diǎn)，其一在圓屯、處，ri = 0,而另一點(diǎn)經(jīng)(5) 式計(jì)算為η = 0.89π)處。在此兩點(diǎn)上配置兩片性能相同的半導(dǎo)體應(yīng)變片，并讓其中屯、與膜片 上參照點(diǎn)重合，于是就實(shí)現(xiàn)了式（13)和（14)的定量關(guān)系。
[0076] 將式(13)加式(14)得
[0077] 上式中已消除了 ε信息對(duì)(R1+R2)數(shù)量上的干擾，然而化和R2分別聯(lián)接到555忍片的 充放電電路中，故已無(wú)法將Ri和R2直接相加，此時(shí)就需經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。若讓脈寬 τι和T2在單片機(jī)中對(duì)時(shí)鐘頻率fo計(jì)數(shù)，則有計(jì)數(shù)值化和化為：
[007引化= Ti?f0 (16)
[0079] 化= T2*f〇 (17)
[0080] τι+Τ2=(Νι+化）/fo(S) (18)
[0081] 聯(lián)立W上公式，并經(jīng)過(guò)整理可得：
[0082]
[0083] 攝氏溫度:t = T-273(°C) (20)
[0084] 式中各常系數(shù)是在Κ〇 = 100〇Ω，Co = 7.2*l〇-中和fo = 10MHZ條件下算出的。從Ri和 R2的二次轉(zhuǎn)換信息中分離出應(yīng)變和水蒸氣分壓Pw等信息，將（13)式減去（14)式，可得
[0085] Rl-R2 = 2ARe = 2RoKe · ε( Ω ) (21)
[0086] 再利用τ廣T2=(N廣N2)/f日和巧）、（9)、（10)式等聯(lián)立，經(jīng)整理可得，
[0087] ΔΡ = 1〇 ?(化-N2)^a) (22)
[0088] 公式（19)和(22)即為傳感器的兩種輸入-輸出特性方程，均有足夠的靈敏度和分 辨力。已知φ (RH%) = Pw/ ，式中pws可通過(guò)溫度t經(jīng)查表或下述回歸方程算出， ^ WS.
[0089] Pws = a · EXP(b · t)(Pa) (23)
[0090] 式中a為6.16(Pa)，b為0.064(1/°C)為擬合常數(shù)，于是得
[0091] Pws = 6.16 · EXP(0.064 · 〇(化）（24)
[0092] 大氣壓力不是一個(gè)定值，隨著地區(qū)海拔高度的不同而存在差異，同時(shí)還隨季節(jié)溫 度變化而稍有改變，對(duì)Pw計(jì)算可近似地用下式描述：
[0093] Pw= AP+Pre-Bf(T)+h · 8.76(Pa) (25)
[0094] 式中h為當(dāng)?shù)睾０胃叨?m)，系數(shù)8.76(Pa/m)為大氣壓衰減斜率，f(T)為溫度修正 系數(shù)可經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合曲線而加 W估算。由于在沿海地區(qū)冬夏氣壓變化比為 1.02,而在青海地區(qū)冬夏比僅為1.0026。均隨溫度下降而略有增加。故當(dāng)不考慮溫度微小影 響，且在沿海地區(qū)時(shí)，式(25)可簡(jiǎn)化為：
[0095] Pw= AP+(Pre-B) = 10(NH^) + (Pre-B)(I^) (26)
[0096] 本實(shí)用新型解析過(guò)程的理論基礎(chǔ)之一是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為常數(shù)，實(shí)際的大氣壓隨當(dāng)?shù)?海拔高度而變，當(dāng)裝置使用地區(qū)海拔高度與參照高度差異較大時(shí)，公式(3)中Pd應(yīng)通過(guò)軟件 予W校正，W維持水汽分壓力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度。所W本實(shí)用新型在信號(hào)處理單元中設(shè)有GPS 單元和大氣壓數(shù)值表，GPS單元連接在信號(hào)處理單元上用來(lái)定位傳感器安裝點(diǎn)的經(jīng)締度，查 詢(xún)安裝點(diǎn)的大氣壓數(shù)值即傳感器中的干燥空氣腔內(nèi)的分壓力，結(jié)合信號(hào)處理單元計(jì)算出的 大氣中水蒸氣分壓力值，進(jìn)而利用公式（l):PM = Pd+Pw(Pa)計(jì)算出混合大氣的壓力值，即安 裝點(diǎn)的壓力值。
[0097] 至此，溫度、相對(duì)濕度和大氣壓的數(shù)值都能計(jì)算求解出來(lái)，本實(shí)用新型提供的溫濕 度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)施。本實(shí)用新型中經(jīng)解析法得到:大氣中水蒸氣分壓力與敏 感電阻之差，即經(jīng)二次變換后的脈寬及其對(duì)始終頻率的計(jì)數(shù)之差，成正比，而大氣環(huán)境溫度 則與敏感元件的計(jì)數(shù)之和的對(duì)數(shù)成反比關(guān)系。本實(shí)用新型解析過(guò)程的理論基礎(chǔ)是物理大氣 壓為常數(shù)，實(shí)際的大氣壓隨當(dāng)?shù)睾０胃叨榷儯?dāng)裝置使用地區(qū)海拔高度與參照高度差異 較大時(shí)，應(yīng)通過(guò)軟件予W校正，W維持水汽分壓力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度。
[0098] 上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了示例性描述，顯然本實(shí)用新型具體實(shí)現(xiàn)并不受 上述方式的限制，只要采用了本實(shí)用新型的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改 進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本實(shí)用新型的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本實(shí)用新型 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器、按鍵采集模塊、光照強(qiáng)度 采集模塊、閥門(mén)控制模塊和溫濕度傳感器，所述處理器內(nèi)置存儲(chǔ)器和參數(shù)設(shè)置模塊，存儲(chǔ)器 內(nèi)保存各種植物在不同光照強(qiáng)度下的CO 2飽和點(diǎn)，溫濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)輸出給處 理器，處理器讀取按鍵采集模塊輸入的植物品種數(shù)據(jù)和光照強(qiáng)度采集模塊檢測(cè)到的光照強(qiáng) 度，查找存儲(chǔ)器中該種植物在某一光照強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的CO 2飽和點(diǎn)，確認(rèn)CO2施放量，通過(guò)閥門(mén) 控制模塊實(shí)現(xiàn)CO2的釋放控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)還包括 風(fēng)機(jī)控制模塊和風(fēng)機(jī)(6)，所述風(fēng)機(jī)(6)在大棚內(nèi)部雙向循環(huán)排列，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槭勾笈飪?nèi) 部形成循環(huán)氣流。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)機(jī)(6)高度距 離地面10到20厘米，與地面形成10-20度仰角，風(fēng)機(jī)(6)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槭箽饬鲝牡吞幭蚋咛?流動(dòng);所述風(fēng)機(jī)(6)風(fēng)速設(shè)在0.3~1.0m· ?Γ1范圍內(nèi)；所述風(fēng)機(jī)(6)的換氣速度為IOh'每 6min風(fēng)機(jī)(6)啟停一次。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述閥門(mén)一端與0)2氣 源聯(lián)通，另一端連接導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管直徑為2cm，另一端封閉，所述導(dǎo)氣管上每間隔1米設(shè)有 一個(gè)直徑為2mm的小孔。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)還包括 CO2濃度檢測(cè)模塊，CO2濃度檢測(cè)模塊在施放CO2氣肥后，實(shí)時(shí)檢測(cè)CO 2濃度變化，大棚內(nèi)外的 CO2濃度一致后，給大棚強(qiáng)制通風(fēng)，給大棚強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)，大棚內(nèi)單側(cè)的風(fēng)機(jī)(6)工作，其旋轉(zhuǎn) 方向?yàn)槭勾笈飪?nèi)部形成單向流動(dòng)氣流。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述CO2的施放量比 CO2的飽和點(diǎn)低。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫濕度傳感器包 括半導(dǎo)體檢測(cè)單元、二次轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元，半導(dǎo)體檢測(cè)單元包括兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變 片R 61⑷和Re2(5)，半導(dǎo)體應(yīng)變片Re1⑷和Re2(5)設(shè)在半徑為ro的圓形膜片⑶上，圓形膜片 (3)設(shè)在U型支座（1)上，膜片(3)與U型支座（1)間形成一個(gè)干燥的空氣密封腔(2)，兩個(gè)半導(dǎo) 體應(yīng)變片受到膜片(3)內(nèi)外兩側(cè)的壓力差和溫度激勵(lì)作用下輸出電阻響應(yīng)，二次轉(zhuǎn)換單元 將電阻響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬信號(hào)，信號(hào)處理單元通過(guò)數(shù)據(jù)解耦分離出溫度、內(nèi)外壓力差和 相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫室大棚的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的半導(dǎo)體應(yīng)變片 ―⑷設(shè)置在圓心位置，RM5)設(shè)置在膜片(3)0.89π)的圓上，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片在氣壓激勵(lì) 下各自產(chǎn)生的電阻增量數(shù)值相等，正負(fù)相反。
【文檔編號(hào)】G05D11/13GK205485655SQ201620228130
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日
【發(fā)明人】慕孟麗, 孫月圣, 王軍
【申請(qǐng)人】安徽工程大學(xué)