人工氣候箱模擬氣候環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　人工氣候箱是把無法控制的大自然環(huán)境搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)人為地通過計(jì)算機(jī)實(shí)施模擬自然環(huán)境中與生物生長發(fā)育有關(guān)的溫度，濕度和光照三大主要因素，創(chuàng)造局部人工氣候，尋求各種農(nóng)作物的最佳生長條件，探索其生長發(fā)展的規(guī)律，培養(yǎng)新品種，獲取優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)，高產(chǎn)的新技術(shù)。在計(jì)算機(jī)輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中，人工氣候箱是農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的有效工具。
　　本文介紹的人工氣候模擬系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、測(cè)控電路和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。在研制人工氣候箱的過程中，廣泛的應(yīng)用到了傳感技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)。
　　1 傳感系統(tǒng)的組成
　　氣候箱內(nèi)的環(huán)境主要由溫度、濕度、光照三個(gè)參數(shù)來衡量。由各自的傳感器來獲取這三個(gè)參數(shù)，通過傳感器將非電量溫度、濕度和光照轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬量。這樣在系統(tǒng)的信號(hào)采集部分設(shè)計(jì)了三個(gè)探測(cè)環(huán)境參數(shù)的探頭：
　　1.1 溫度探頭
　　根據(jù)實(shí)際情況選用了NTH5D153A熱敏電阻，它的性能參數(shù)如下：
　　標(biāo)稱電阻-15 000歐   B常數(shù)-4 100
　　溫度系數(shù)--4.6    最大允許功率-0.56W
　　熱時(shí)間常數(shù)-20秒    使用環(huán)境溫度--30~+125℃
　　1.2 濕度探頭
　　采用不用電熱清洗的氧化鋅-五氧化二鉻陶瓷濕敏元件。該濕敏元件的電阻率幾乎不隨溫度改變，老化現(xiàn)象很小，長期使用后電阻變化只有百分之幾。元件的響應(yīng)速度快，（0~100）%RH時(shí)，約10秒，濕度變化±20%時(shí)，響應(yīng)時(shí)間僅2秒；吸濕和脫濕時(shí)幾乎沒有濕滯現(xiàn)象。
　　1.3 光照探頭
　　采用硅光電池，將光照參數(shù)轉(zhuǎn)換成光電流。該元件靈敏度高，穩(wěn)定性好，輸出電流與光亮度成線性關(guān)系。在自然光條件下，其光電流約為0.1~10mA,可經(jīng)前置放大器輸出完成放大和I/U轉(zhuǎn)換。
　　2 測(cè)控電路
　　由于所用到的熱敏電阻和濕敏電阻的電阻值相對(duì)溫度變化是對(duì)數(shù)關(guān)系。為了軟件設(shè)計(jì)的方便，應(yīng)用對(duì)數(shù)二極管使其等間隔表示，因此，輸出端都需要與對(duì)數(shù)二極管相連。然后通過前置放大電路輸出。而硅光電池的輸出本身是線性度好，可直接連接前置放大器。再通過零點(diǎn)調(diào)節(jié)電路和靈敏度調(diào)節(jié)電路送ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。通過主控芯片8031,測(cè)得的數(shù)據(jù)在這里分兩路輸出：一路送顯示器，采用三片三位半LED顯示，分別顯示當(dāng)前的溫度、濕度、光照參數(shù)。另一路數(shù)據(jù)通過與存儲(chǔ)器的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)值比較，如果超過誤差范圍則反饋到控制設(shè)備如加濕器、加熱管等，調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)以適應(yīng)實(shí)際需要。
　　電路各模塊的組成如圖1所示。

　　圖1 測(cè)控電路的組成原理
　　溫度模擬自然環(huán)境中一天24小時(shí)溫度變化規(guī)律，把一年四季不同時(shí)間的溫度值預(yù)設(shè)在存儲(chǔ)器中，誤差為±0.5℃。在主控在測(cè)得環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度相比，差值越過±0.3℃時(shí)，執(zhí)行加熱/制冷，實(shí)現(xiàn)反饋控制。
　　由濕度傳感器檢測(cè)濕度值實(shí)際是氣候箱內(nèi)的相對(duì)濕度，自然環(huán)境中的相對(duì)濕度一般在30%~80%之間。環(huán)境相對(duì)濕度低于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度1%時(shí)，由8031啟動(dòng)加濕器；反之啟動(dòng)干燥風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)干。
　　采用模擬光源，可按要求（春，夏，秋，冬）設(shè)定光照時(shí)間。照度按模擬自然規(guī)律變化。采用與陽光光譜接近的可調(diào)亮度多個(gè)白熾燈組合光源，按設(shè)定時(shí)間開/關(guān)各組光源，模擬自然光由弱→強(qiáng)→弱→暗→弱，周而復(fù)始。其開關(guān)時(shí)間及亮度均由單片機(jī)控制。
　　3 模塊化程序設(shè)計(jì)
　　結(jié)合硬件電路的設(shè)計(jì)，對(duì)環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)由軟件控制，以達(dá)到模擬自然環(huán)境的效果。軟件設(shè)計(jì)中加入了以下任務(wù)：
　�。�1）調(diào)換標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度、光照參數(shù)；
　�。�2）數(shù)據(jù)采樣、濾波及處理；
　�。�3）鍵盤輸入及顯示輸出功能；
　　（4）報(bào)警功能；
　�。�5）實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)功能。
　　在總體設(shè)計(jì)的的程序模塊基礎(chǔ)上，注入采用中斷服務(wù)程序，子程序調(diào)用或直接相連等，各模塊程序的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 人工氣候箱應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)框圖
　　4 結(jié)束語
　　本系統(tǒng)經(jīng)過長期測(cè)試和觀察，運(yùn)行良好，對(duì)人工氣候箱的各種參數(shù)設(shè)定計(jì)累了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)指導(dǎo)科學(xué)農(nóng)業(yè)有一定的實(shí)際意義。隨著傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，以及對(duì)氣候認(rèn)識(shí)模型的進(jìn)一步深化，人工氣候箱的設(shè)計(jì)將更加接近真實(shí)自然效果。