摘 要

温室中二氧化碳浓度影响着农作物的光合作用，从而在一定程度上决定着温室农作物的品质和产量。这使温室内二氧化碳浓度实时检测显得尤其重要。在本文中针对温室二氧化碳浓度设计了温室二氧化碳测控系统。本系统可以对二氧化碳浓度进行实时测量并且可以通过下位机上的LCD小屏和有蓝牙功能的计算机PC端上通过Labview软件显示实时数据，监测数据的查看很方便。本测控系统有人机交互功能，可设置二氧化碳低浓度和高浓度报警阈值，若测量到的二氧化碳浓度高于阈值，则系统将启动风扇对温室进行通气同时会通过声光报警来提示农夫。而在二氧化碳浓度低于温室内农作物进行正常光合作用的浓度时上位机端启动报警。农夫可以通过PC端远程查看浓度数据并根据所需二氧化碳浓度进行施二氧化碳气肥来提高二氧化碳浓度。

温室农业活动中利用本系统可以在二氧化碳浓度不足或者二氧化碳浓度过高的的情况下及时报警，然后使用气肥，保证农作物进行正常的，甚至是最饱和的光合作用，从而可以使蔬菜、水果、鲜花等提早上市、提高质量和产量。而且本系统具有易于操作、运行可靠，系统体积小，操作简单等特点，同时，功能强成本低，可以在温室农业中进行推广。

关键词：农业温室，二氧化碳浓度，AT89C51单片机，蓝牙，测控

Abstract

The concentration of carbon dioxide in the greenhouse directly affects the photosynthesis of crops, which in turn determines the production of greenhouse crops to a certain extent. Therefore, real-time detection of carbon dioxide concentrations in greenhouses is of great significance. In this paper, the greenhouse CO2 measurement and control system is designed for the greenhouse carbon dioxide concentration. The system can measure the CO2 concentration in real time and display real-time data on the LCD small screen on the circuit board and the mobile phone with Bluetooth function. The monitoring data can be easily viewed. The system can set low and high carbon dioxide alarm thresholds. If the measured carbon dioxide concentration is higher than the threshold, the system will start the fan to ventilate the greenhouse and alert the farmer through sound and light alarms. When the concentration of carbon dioxide is lower than the concentration of normal photosynthetic plants in the greenhouse, the farmer can check the concentration data on the mobile terminal and increase the concentration of carbon dioxide by applying carbon dioxide gas fertilizer as required.

The use of this system in greenhouse agricultural activities can promptly alert people in the event of insufficient CO2 concentration, timely use of gas fertilizers, and ensure that crops perform normal or even the most saturated photosynthesis, thus enabling vegetables, fruits, flowers, etc. Quality and output. Moreover, the system has the characteristics of easy operation, reliable operation, small system size, simple operation, etc. At the same time, the function is strong and the cost is low, and it can be promoted in greenhouse agriculture.

Key words : Agricultural greenhouse; carbon dioxide concentration; AT89C51 microcontroller ; measurement and control

目录

第1章 绪论 1

1.1 系统设计背景 1

1.2国内外发展状况 1

1.2.1 国外发展现状 2

1.2.2 国内发展现状 3

1.3 系统设计的主要内容和意义 3

1.4 本章小结 4

第2章 系统设计方案 5

2.1 多种系统设计方案 5

2.2 方案论证 5

第3章 硬件设计 7

3.1 系统的主要硬器件选择 7

3.1.1 微控制器AT89C52概述 7

3.1.2 二氧化碳浓度测量部分 10

3.1.3 LCD 1602 显示屏 13

3.1.4 HC-05 蓝牙模块 14

3.2 系统硬件电路设计 16

3.2.1 微处理器最小系统电路 16

3.2.2 显示模块LCD1602原理图 18

3.2.3 系统总体电路原理图 19

第4章 系统软件设计 20

4.1 系统软件需求分析 20

4.2 下位机部分软件设计及程序框图 20

4.2.1 主程序模块 20

4.2.2 LCD1602 显示屏程序部分 22

4.3 系统上位机软件设计 24

第5章 仿真和调试及其结果分析 25

5.1 仿真和调试 25

5.2 系统实物搭建及演示 26

5.3 二氧化碳浓度数据测量及分析 27

5.3 系统误差分析 29

第6章 结论 30

参考文献 31

附录A 本测控系统使用说明 32

附录B 元件清单 33

附录C 电路原理图 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1 系统设计背景

新世纪以来我国经济快速发展，人们生活水平和消费水平的提高，蔬菜水果全年的需求量越来越大。因此农业温室越来越普遍并快速发展。出现了一些自动化控制的温室，减少了人力成本并且运用科学知识提高了农作物产量。

农业温室大棚是一个相对密闭的环境，空气流通缺少这导致了温室栽培过程中出现一天内温室里二氧化碳浓度异常的变化，变化范围很大影响农作物正常的生理过程。由于农作物在夜里只能进行有氧呼吸，所以日出前 浓度会达到1000～1400ppm，日出后2～3小时则是因为农作物进行旺盛的光合作用降到100ppm左右，这个浓度仅为大气中 浓度的30%左右^【1】。 是植物，绿色农作物生长的源，是植物进行光合作用的原料之一，数据显示，作物干重的95%来自光合作用^【2】。因此在农作物的整个生育期中充当着重要的角色，参与植物体内的一系列生化反应，光合作用和植物的呼吸过程，对植物的生长产生直接影响^【3】。并且， 通过参与植物体内的一些生理活动或者影响一些生理活动，从而影响，甚至是控制着植物根，茎，叶等主要器官的生长和发育，并能够直接与农作物的产量和品质发生联系。一般多种绿色农作物随着环境 浓度的增加，其生育期缩短，株高增加，总生物量会增加，这使农作物将有更高的产量。

但对于某些农作物来说，浓度过高（一般是在高于2000ppm）时，农作物的呼吸作用受抑制，这过程中温室温度会增加，植物生育期缩短，这种情况可能对某些农作物的正常生长和发育抑制作用，反而造成农业减产。所以温室农业中很有必要进行二氧化碳浓度的实时检测，并且根据检测到的浓度做出相应的调整来增加农作物产量，提高质量，从而达到更高的经济效益。

1.2国内外发展状况

改革开放以来我国经济快速发展，人们生活水平和消费水平提高，人们在追求高质量的生活。所以近些年来四季鲜蔬菜和水果的需求量增加明显，而温室种植农作物不会受季节的限制，这使得温室种植成为农民提高收入的最好方法。但是温室内种植比室外种植难度大，成本高。尤其是因为温室是一个和外面隔离，相对封闭的环境，如果想要在其内种植出高品质，高产量的农产品需要实时检测并控制好温室内部影响农作物生长的各种因子，比如，温室内二氧化碳浓度，气温等。

从上世纪八十年代开始已经出现了很多针对农业温室的测控系统，致力于辅助农民管理好农业温室，生产品质更好和产量更高的农产品。而温室农业中对植物生长影响最大的因子二氧化碳浓度的检测和控制则成为一个热点。

1.2.1 国外发展现状

欧美发达国家以及日本在嵌入式系统和自动化技术方面发展较早，同时在农业生产和现代温室测控技术上起步也比较早。欧美国家在20世纪60年代就开始将自动化的高级温室技术开始应用到农业生产中，迈出了农业技术走向自动化的第一步。 70年代后欧美以及日本，以色列等国家的温室农业迅猛发展，温室设施的应用更加广泛，温室在农作作物生产、水产养殖业和畜牧业等方面的作用显著。这种发展趋势使这些国家在温室的发展上的技术和资金投入大量增加，助推农业温室的发展。计算机技术的进步，半导体生产水平提高使得电子元器件，可编程芯片的成本降低，同时智能控制理论的发展等有利的条件，加快了最新技术在农业温室中的应用。特别是二十世纪70年代电子技术，半导体技术的快速发展和MCU（微处理器）的出现，更使对温室大棚的自动化控制技术产生了颠覆传统农业的变化^{【4】【5】}。进入80年代，半导体技术的更成熟和普遍使得MCU（微处理器）价格大幅度下降，同时，对温室控制要求的提高等条件促使了以微处理器为核心的温室环境综合测量与控制系统在欧美迅速的发展。之后，欧美发达国家的温室测控系统进一步发展并开始实现网络化，智能化的新目标^【6】。

现阶段，欧美发达国家现代化自动控制型温室的内部设施己经比较完备，拥有完整的体系并且已经统一了标准。温室内的各环境因子（温度，湿度，营养液浓度，光照，二氧化碳浓度等等）大多由计算机集中控制，检测用的各类传感器也较为齐全，并且可以运用微型控制器基本上能实现对各个执行机构的自动控制。目前，微处理器对这些系统的控制是基于环境模型上的监督控制，以及人工智能和专家系统控制，欧美一些国家在实现温室农业自动化管理的基础上，已经在向着完全自动化和无人化的方向发展^【7】。

1.2.2 国内发展现状

建国初期我国工农业基础薄弱，和欧美一些发达国家比我国现代温室技术起步相对较晚，七十年代以来，我国政府开始大力发展以塑料大棚为主的设施现代化农业，以此促进了农村经济的发展并同时缓和了蔬菜季节性短缺的突出性矛盾。与此同时，积极从日本、欧美等国家引进了一系列现代化温室并对其进行实验研究，学习。这些引进的温室与我国现有的温室比较，其内部空间更大更加有利于进行机械作业，资源利用率与生产率比较高，这种现今的农业温室为我国温室发展提供了宝贵的借鉴和参考。但是仅靠引进，不能解决我国温室农业中的矛盾而且这也不是长久之计，引进国外温室普遍面临着许多现实问题，比如：

1.国外自动化温室产品价格昂贵，导致农作物生产成本很高，难以推广。

2. 测控软件针对性不强。目前我国引进的温室测控系统没有考虑到的国内环境参数和我国的气候特点，实际运用效果不是很理想。

综合我国各方面的科技水平考虑，目前我国自主开发的温室测控系统在技术水平和调控能力等方面与欧美发达国家还有较大的差距。而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，所以我们应该加强基础理论研究，在增加研发投入，研制出更符合我国农业温室发展的测控系统，同时在农业生产中增加运用。

1.3 系统设计的主要内容和意义

为解决现阶段农业温室发展中遇到的问题,本系统设计前充分了解目前温室农业中对测控系统的功能要求。然后经过分析研究，本论文设计了基于单片机的二氧化碳浓度测控系统。该系统在设计过程中对性价比进行充分考虑，选用价格相对较低、稳定，性能，测量精度满足要求的元器件和传感器，最终实现对温室大棚内二氧化碳浓度的实时检测和进一步作出相对于反应的测控系统。本系统运用AT89C51单片机对传感器检测到的 浓度数据进行处理，同时控制执行机构。二氧化碳浓度传感器实时监测温室内的 浓度，当浓度超过设定的上阈值时，会启动天窗通风系统，降低浓度。当浓度低于阈值时，通过声光报警告知农夫进行施二氧化碳气肥（或者系统中可以加自动施气肥部分来代替声光报警），从而使得大棚内的浓度在适合作物生长的范围内。本系统还设计了蓝牙通信部分，单片机通过蓝牙模块与PC上位机端进行无线通信，实时发送浓度数据，方便用户远程查看数据并及时做出应对措施。

本系统可以科学的，自动化的控制温室二氧化碳浓度，进而为农作物的生长和有高品质高产量提供协助。

此二氧化碳测控系统中主要包含以下几个方面的内容：

1.综合分析，选择合适的二氧化碳浓度传感器及设计出相应信号处理电路；

2.对温室内二氧化碳浓度实现实时，自动检测；

3.同时可以通过LCD屏幕和PC设备显示二氧化碳测量浓度；

4.设计出设置浓度报警阈值的按键，其包括硬件部分的实体按键和PC端在线修改阈值的虚拟按键和自行启动风扇系统关闭和开启的按键。

5.当二氧化碳浓度超过上下限值时启动报警功能，启动天窗通风系统或者启动施二氧化碳气肥系统。

1.4 本章小结

这章（绪论）中详细介绍了温室农业中二氧化碳浓度检测的意义以及必要性。通过查阅大量文献了解到了国内外目前相关测控系统的研究状况并且发现了目前我国温室农业中存在的问题。同时提出了我国农业自动化控制方面应该加强科学研究和资金投入，减少与欧美发达国家之间的差距，进而提高我国温室农产品的品质和增加产量，提高农民收入。最终达到提升第一产业的产值。

本章中针对目前存在的问题，提出了系统初步方案并且系统要实现的各项功能。在接下来我将详细介绍系统设计方案以及此二氧化碳测控系统的设计过程。

第2章 系统设计方案

2.1 多种系统设计方案

本次设计的目标是测量温室内二氧化碳浓度。当二氧化碳温度过低时能够自动报警，并且能够开启风扇通风换气。从而实现温室内二氧化碳浓度适当的提升，并通过警报告知农夫去施肥提高二氧化碳浓度。为此我预先设计出了两套符合系统要求的方案。

方案一：二氧化碳测控系统由上位机部分和下位机部分组成，下位机部分采用AT89S52单片机、YA-C21A二氧化碳传感器，显示部分由比较廉价的LCD1602显示。并且能够在二氧化碳浓度过低时启动风扇并开始报警。上位机部分为安卓平台设计一款二氧化碳浓度测控APP，通过上位机观察数据并控制下位机的执行机构。

方案二：为了便于实时检测和查看数据，此系统为由上，下位机组成的二氧化碳测控系统。其中，上位机部分在PC平台上实验Labview 软件来实现，二氧化碳浓度数据通过蓝牙无线通信方式传到上位机，并且上位机部分可以查看到数据，同时，在上位机能控制执行机构。，下位机是由AT89S52单片机为控制核心的测控系统硬件部分。单片机下位机部分应能完成以下工作：独立地进行二氧化碳浓度数据的采集和处理，通过人机接口（键盘和显示器）可设定二氧化碳浓度阈值、还可以显示数据和报警，能自行启动控制模块等功能；连接上位机时能实现通信功能。

本方案中下位机硬件同样是以单片机为核心的，包括二氧化碳传感器模块MH-Z14A、输出控制模块、键盘输入和显示模块以及数据通信模块等。二氧化碳传感器MH-Z14A模块能够完成对温室内二氧化碳浓度的实时，自动检测。微处理器通过将浓度数据与设定阈值进行比较，根据比较结果对天窗通风系统进行控制，HC-05蓝牙模块可以将二氧化碳浓度实时数据传送至PC端实现通信。

2.2 方案论证

本测控系统的两种预设方案在原理上都是可行的，并且都能够达到系统的要求，但是我们还是可以优中选优。

在方案一中，二氧化碳浓度传感器选用了YA-C21A二氧化碳传感器，此传感器是数字信号输出，系统当中不需要另加AD转换电路。但是这种传感器输出信号不稳定，没有内置温度补偿，精度不够高而且价格相对昂贵。而且这一方案的上位机部分为安卓设备移动端，安卓软件开发成本也相对较高，不利于对本系统的推广。

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