1、基于太陽能供電的溫室環境智能監控系統研制報告1 .系統概述隨著能源的日益短缺，利用太陽能供電系統的溫室大棚智能控制系統越來越 受歡迎。溫室大棚又稱暖房，具有透光、保溫的作用，是栽培農作物的設施。多 用于低溫季節喜溫蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。溫室的種類多，依不 同的屋架材料、采光材料、外形及加溫條件等又可分為很多種類。 溫室結構應密 封保溫，但又需要通風降溫?，F代化溫室中用電腦自動控制技術來創造植物所需 的最佳環境條件，使其具有控制溫度、濕度、CO2濃度等條件的功能。本裝置采用太陽能光伏系統進行供電，使用轉換效率較高的多晶硅太陽能電 池板進行能源轉化，所轉化的電能儲存在蓄電池中，并為整

2、個溫室環境檢測裝置 提供電能。裝置主要針對溫室大棚環境中的溫度、濕度、以及CO2濃度這些對農作物的生長起著重要作用的環境參數進行實時測量，并將采集的數據進行存儲和顯示，通過控制輸出啟動各種設備制造出適宜農作物生長的溫室環境。硬件電路核心部分采用 STC公司生產的具有高速，低功耗的、自帶 A/D轉換的 STC12C5A60S2單片機，傳感器選擇成本較低、有一定集成度、應用比較廣泛、 精度較高、可靠性良好的產品。本次課題主要設計利用實現溫度、濕度以及 CO2濃度實時自動監測，實現， 最大程度地提高農作物的產量與質量。2 .系統總體組成及總體設計方案溫室環境智能監控系統由檢測系統、集中控制系統和太陽

3、能供電系統共同組 成。采用太陽能供電技術，利用 MPPT方法進行太陽最大功率點跟蹤，從而實 先太陽能最大化利用。通過太陽能電池板將太陽能轉化為所需的電能，通過穩壓電源模塊將輸出電源轉化為各個負載所需的電源電壓，從而給各個電路供電。集中控制系統電路部分包括：電源模塊、通訊模塊、時鐘電路模塊、人機對話接口 模塊以及CPU接口電路模塊。檢測系統電路部分包括：電源模塊、傳感器電路 模塊、單片機最小系統模塊、輸出控制電路模塊。檢測系統將采集到的數據傳輸 到單片機中之后將信息發送給控制系統， 控制系統讀取各種數據，進行處理并作 出適當的應答。其核心是利用單片機進行控制，利用太陽能光伏系統供電、對溫 室大棚

4、內溫度、濕度、CO2濃度的實時監測以及采集數據的人機交互，具有實時 檢測、自動監控功能，實現的溫室大棚技術的自動化、智能化、無線化。其原理 框圖如圖2.1所示。在設計總體方案時，首先設計太陽能供電系統，其主要包括太陽能電池板選 擇、MPPT的實現、蓄電池充放電監控以及電壓轉換 4個部分。利用BUCK變 換器來實現MPPT,通過調節BUCK變換器的PWM占空比輸出，使負載等效阻 抗跟隨太陽能光伏組件陣列的輸出阻抗， 從而使光伏陣列在任何條件下均可獲得 最大功率輸出。檢測部分主要是傳感器的選擇，測溫度、濕度設備選擇DHT11溫濕度數字傳感器，CO2濃度的測定可采用MG811CO2濃度傳感器。升溫設

5、備，白天可采用太陽能加熱器加熱，在太陽不足時，采取電加熱器， 由蓄電池組供電。降溫設備采用濕簾/風機，當實際濕度低于所需要濕度時，通 過控制安裝在大棚頂端的噴嘴來實現。CO2濃度的控制，可通過控制 CO2發生 器的開關來提高；當濃度過高時，通過打開通風機即可。圖2.1系統結構圖3 .檢測系統硬件電路設計3.1 傳感器的選擇在設計該溫室大棚環境自動監控系統時，具檢測系統中要采用傳感器的特點 要具有微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化等特點。所以本設 計中檢測溫濕度傳感器使用是 DHT11數字式溫度傳感器；而檢測CO2氣體傳感 器使用MG811CO2氣體傳感器。3.1.1 DHT11數

6、字式溫濕度傳感器DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳 感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、 抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個 DHT11傳感器都在極為精確的濕度校 驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛

7、刻的應用場合的最佳選擇。產品為4針單排引腳 封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。其實物圖如圖3.1所示。圖3.1 DHT11數字式溫濕度傳感器3.1.2 MG811CO氣體傳感器MG811型CO2傳感器的特點是對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的 變化影響較小，具有快速響應恢復特性，帶有溫度補償輸出，標稱溫度環境下Tcm 輸出為VCC/2電壓，當環境溫度變化時，輸出電壓信號變化，溫度變化量轉換為 對應的電壓輸出變化量，從而通過程序補償該溫度變化量，控制探頭更有效的檢測。而且還有良好的穩定性與再現性，其主要應用領域有，空氣質量控制系統、發酵過程控制、溫室CO2濃度檢測等，其中

8、在溫室CO2濃度檢測中廣為應用。該傳感器由固體電解質層（1）,金電極（2）,鉆引線（3）,加熱器（4）, 陶瓷管（5） , 100目雙層不銹鋼網（6）,鍍鍥銅卡環（7）,膠木基座（8）, 針狀鍍鍥銅管腳（9）組成。具組成結才圖及實物圖如圖3.2所示。圖3.2 MG811結構圖及實物圖3.2 傳感器電路設計3.2.1 溫濕度傳感器電路設計本裝置采用DHT11傳感器的供電電壓為直流 3.3V5.5V,輸出單總線數字 信號模式，具測量范圍在濕度為 20%90%RH內，溫度為050C,可以完全互 換。其電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3 DHT11數字溫濕度傳感器原理圖VCC勺4 ,§旨本設

9、計將傳感器（CER）的2腳DATA接到單片機P1.5I/O 口，同時在1腳VCC電源端連接一個4.7k的電阻與2引腳相連，由于溫室大棚內不可能只放一 個DHT11傳感器，所以在其電路外圍引出兩個接線端子（XIN7、XIN8）,用 于在大棚各個地方安放傳感器。當溫室內的溫濕度不符合所設定的參數值時， 傳 感器動作，將檢測到的信號通過引腳 2 (DATA )傳送到單片機，經過A/D轉換 形成數字信號輸送到CPU進行數據分析、處理然后發出相應的命令，完成溫室 大棚內的溫濕度實時監測。3.2.2 CQ濃度傳感器電路設計本設計采用CO2濃度MG811傳感器對溫室內CO2進行檢測，在CO2濃度傳 感器外圍

10、電路設計中，輸出為差動輸出，有可能產生負電壓。放大器放大環節對 于負電壓的放大效應無法被 MCU識別，所以利用TL082運算放大器對檢測信號 進行放大，它具有輸出為差動輸出，有可能產生負電壓的通用J-FET雙運算放大 器。TL431元件是可控精密穩壓源，所以選擇 TL431作為本次設計中的穩壓元34件。則MG811CO2濃度傳感器電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4 MG811CQ濃度傳感器電路原理圖當溫室大棚內的CO2濃度不符合所設定的標準參數時，MG811傳感器動作, 把檢測到的溫室內的CO2濃度情況經過TPL082放大器將信號放大送入單片機進 行數據處理，其中MG811傳感器所需的工作電壓

11、為+6V,而放大器所需要的工 作電源為+5V,所以使用TL431可控精密穩壓源進行穩壓，從而完成溫室大棚內 的CO2濃度的檢測。B3.3 穩壓電源電路設計由于考慮到CO2傳感器所需電源為+6V,所以該設計中采用LM2596降壓開關穩壓芯片將+12V降至+6V給CO2傳感器供電LM2596具有3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調電壓輸出；可調電壓 輸出范圍1.2V37V±4%;輸出線性好且負載可調節；功耗小，效率高；低功耗； 具有TTL斷電能力，具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷等電路功能，比 較符合本次設計的需求，在基于 LM2596芯片的+12V降壓穩壓電源電路原理圖 如圖

12、3.5所示。12+12VV1圖3.5降壓穩壓電源電路在該電路圖中，其輸出電壓是可調的，通過調節電阻R207與R208比值來控制輸出電壓。由于該設計中其他部分電路的供電電源為+5V,所以采用 AMS1117-5.0正向低壓降穩壓器，它的穩壓調整管是由一個 PNP驅動和NPN管 組成的。為了確保AMS1117-5.0的穩定性，對可調電壓版本，輸出需要連接一 個至少是22 口的鋰電容。本設計采用可調版本。其原理圖如圖3.6所示。3VT3AMS1117-5.03VD 3VVCCLC905| 104+ C906+ C907圖3.6AMS1117-5.0正向低壓降穩壓電路圖當+6V直流電壓輸送過來經過 A

13、MS1117-5.0降壓模塊將其降為+5V電壓為 其他電路設備進行供電。3.4 輸出控制電路的設計本系統中不但要完成對溫室大棚內部溫濕度及 CO2濃度等相關參數的采集 分析，還要實現對大棚的智能化控制，即 CPU分析處理后的輸出控制部分，包 括對加熱器、濕簾/風機、室內噴霧設備、通風設備、 CO2發生器、遮陽設備以及補光設備等。要實現單片機對這些輸出設備的控制就必須引入繼電器作為開關 來控制這些輸出的外圍電路。在本系統中我們采用8050NPN型晶體三極管，作為電磁繼電器開關電路， 電磁繼電器采用JQC-3F(T37)電磁繼電器作為輸出電路控制開關，其實物圖如圖 3.7所示。圖3.7 JQC-3

14、F(T37)電磁繼電器D為防止瞬間斷電電流的回流效應，我們在電磁繼電器線圈的兩端并聯 1個二 極管4148。這樣由總線的+12V、繼電器線圈、8050三極管、地(GND)以及防止回流的4148二極管共同構成了輸出控制電路部分電路圖如圖3.8所示。圖3.8輸出控制電路原理圖圖3.8當JJ1端由單片機輸出高電平時，三極管導通，整個輸出控制電路導 通，線圈帶電，電磁繼電器觸點吸合，外圍電路閉合導通，從而實現外圍電路所 連接的各種大型設備開關量控制。4 . B集中控制系統硬件電路設計4.1 單片機最小系統的設計STC12C5A60S2單片機自帶時鐘、機器周期，速度快，是高速、低功耗、超 強干擾的新一代

15、單片機，內部集成了復位電路，高速 A/D轉換，看門狗電路， 雙串口，全雙工異步用行口，性價比較高。故在此設計中選用這款芯片作為核心 3CPU對整體系統進行控制。單片機最小系統包括晶體振蕩電路、 復位開關電路等。本系統中所選用的品 振大小為11.059MHz,其一個機器周期為1.09us,足以滿足本設計的運算速度。 單片機復位電路是單片機最小系統中不可缺少的一部分。單片機復位系統設計的好壞直接影響到整個系統工作的可靠性。由于實驗室與實際應用環境存在很大的 差異，有時在實驗室調試成功后，在實際現場卻出現了 “死機、程序飛走”等現 象，這主要是單片機的復位電路設計不可靠所引起的。在時鐘電路工作后，只

16、要在單片機RESET引腳上出現24個時鐘振蕩脈沖（兩個機器周期）以上的高電平， 單片機就能實現復位。本設計采用上電復位電路，可以很好的利用電容器充電來 實現復位。當加電時，電容 C10充電，電路有電流流過，構成回路，在電阻 R25 上產生壓降，RESET引腳為高電平；當電容 C10充滿電后，電路相當于斷開， RESET的電位與地相同，復位結束。其最新系統原理圖如圖4,1所示。VCC3H1-41D32DXDVa.p41P5 6 72dxdt 門OTP1.P3np OCCL dnp nHP ccvPDn11234P34/T0P33/INT1P32/INT0P31/TXDP43/TXD2P30/RX

17、DRST4 5 6 7 ooo O ppp Pi/T1D 2 1NP46P41P45P44/NAP27P26P2533323?302928VCC272625RwC102kV1O6X X35 1X4 2X327 1 12 2 2RST圖4,1單片機最小系統原理圖39p4.2時鐘電路設計TitleSizeNumberRevisionA4Date:3-Mar-2015Sheet ofFile:C:Docu ments and SettingsAdm inistrato 桌面 DrOWnByi：太陽能L500時鐘電路是在電腦啟動時提供初始化時鐘信號， 并在主板正常運行時及時向 CPU、芯片組、各級總線

18、（包括 CPU總線、AGP總線、PCI總線等）及各種接 口提供基本時鐘信號。本設計采用PCF8563時鐘芯片，它是一款極低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯 片，具有報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能，能完成各種 復雜定時服務，甚至可以為單片機提供看門狗功能。 它提供一個可編程的時鐘輸 出，一個中斷輸出和一個掉電檢測器，所有的地址和數據都通過I2C總線接口用 行傳遞。最大總線速度為400Kbits/s,每次讀寫數據后，內嵌的字地址寄存器會 自動遞增。其時鐘電路如圖4.2所示。3. 6VVCC圖4.2時鐘電路圖4.3通信接口電路設計C 1 0 10ufR STR 25 C 91 0 k

19、3 9P C 14X 1JT1 1 1 .0 5 9X23 9p在該系統上包含兩種通訊路徑。一條由通訊芯片通過光電耦合器和數據線實現遠程PC機的實時監測與控制。由于數據線暴露于室外，考慮到雷擊等自然因素影響我們采用光耦元件對主線與 PC機通訊間進行隔離，防止雷擊電壓經由通訊線路擊壞PC機，這種通信中，光耦元件采用 6N137光耦合器。它是一款用于單通道高速光耦合器，其內部有一個850nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，具檢測器有一個光敏二極管、高增益線性運放及肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。該光耦元件在接收到信號后，發光二極管發光，經片內光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管

20、光照后導通，經電流-電壓轉換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端為高時，與門輸出高電平，經輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入信號電流小于觸發閾值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓2調整電路。其通信電路如圖4.3所示。3圖4.3 PC機相連通訊電路圖另一條經由通訊芯片通過主線與各檢測系統相連， 實現控制系統與檢測系統之間的實時通訊，該通信接口采用了 RS485總線做現場總線，可通過RS485總線與檢測系統通訊，來獲得室內外溫度、濕度及室外光照、雨量、風速、風向等參量，還可與其他控制器及上位機進行通訊， 構成更大范

21、圍的溫室環境自動控制系統。RS485® 口信號白電平比RS232低，可以保護接口電路的芯片；其通信電路B 圖如圖4.4所示。12X inDate:2-Mar-2 01 5Sh eet of圖 4 4 RS485 通信接 口 電幡圖 C Usersh pDesk top 太陽fg -副本M5 5D 0aWdibBy: 34R ev isio n這兩個串口通信電路實現了檢測系統與控制系統對溫室大棚內部環境的實 時監測以及控制系統與PC機之間的信息數據采集、處理和顯示等功能4.4人機對話接口電路設計本設計中人機對話接口電路部分采用19264LCD液晶顯示屏對相關參數進行可視化實時監測以及矩

22、陣式 4 *5鍵盤。19264LCD液晶顯示屏內置2M位中文字型ROM ,總共提供8192個中文字 型（16*16點陣）；16K位半寬字型ROM,總共提供126個符號字型（16*8點陣）； 64*16位字型產生RAM ,另外繪圖顯示畫面提供一個 64*256點的 繪圖區域， 可以和文字畫面混合顯示。提供多功能指令：畫面清除、光標歸位、顯示開 /關、 光標顯示/隱藏、顯示字符閃爍、光標移位、顯示移位、直畫面旋轉、反白顯示、 待命模式等。其實物圖如圖4.5所示。 123圖4.5 19264液晶顯示屏報警電路采用一個非門的作用是為了防止系統上電時， 峰鳴器發出聲音，因 為系統復位以后，I/O 口輸出

23、的是高電平。具顯示、鍵盤以及報警原理圖如圖4.6 所示。DD_Jx5k4-Cy4A05R/W6EN7DO8D19D210D311D412D513D614D715CS116ST17CS218CS319_20 .RP1GA0DB0DB1DB2DB3DB4DB7CS2CS3VoutVCCLED+ioRLR/WENDB5DB6CS1RSTVCCVin192 64T XAKEY10k10k10k10k10kVCC圖4.6顯示、鍵盤以及報警原理圖5.太陽能供電系統硬件電常設計SizeNumberRevision-1-.-. 235.1 太陽能板及蓄電池的選擇Titl11tleaDate:2-Mar-201

24、5Sheet ofFile:C:Docu ments andNiSeWngsAdministrato 桌面 DrOWnBI：陽能太陽能M550 O.ddb目前，有許多材料可以用來做太陽能光伏電池的半導體層，但是能產生高能Date:2-Apr-2015Sheet ofFile:C:Docu ments and SettingsAdm inistrato 桌面DOWn汨費畢業設計太陽能電路圖網550 O.ddb量轉換效率的光伏材料并不多。全世界應用和研究的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、神化鐵晶體材料以及非晶硅、磅化錫等薄膜材料。而廣泛應用的主要是 單晶硅，其次是多晶硅，非晶硅使用比較少。近年來某

25、些性能更加先進的太陽電 池目前正在研例開發中。本設計選用的光電轉化電池為多晶硅太3日能電池，其實物圖如圖5,1所示。多晶太陽能電池板是由多晶硅高效太陽能電池片、EVA膠膜低鋼化玻璃、輕質電鍍金組成。圖5.1多晶硅太陽能電池板圖5,2鉛酸蓄電池目前我國還沒有專門用于可再生能源發電系統的蓄電池， 最常使用的有鉛酸 蓄電池、堿性電池和膠體電池等。因此本系統選擇鉛酸蓄電池作為儲能裝置。 具 實物圖如圖5,2所示。5.2 常見MPPT空制算法分析及選擇目前太陽能電池的轉換效率都不高，為了能充分利用太陽能許多 MPPT的 方法被提出，如恒定電壓控制法（CVT）,擾動觀測法（P&O）,電導增量法（I

26、NC） 等等。本文所研究的系統主電路采用 Buck變換器來實現MPPT,用于負載端+12V 蓄電池的充電，如圖5,3所示Dpv圖5,3最大功率點跟蹤系統等效電路通過調節占空比,當阻抗變換滿足Req= Rs時，太陽能電池輸出功率最大:PmVs24?Rs(5-1)在最大功率點時，對應的4U出電壓與電流分別為Vm=Vs Z2, Im= Vs /(2Rs)。5.3 充放電控制系統電路設計本設計中，采用具有PWM降壓模式鉛酸電池充電管理集成電路 CN3717芯片 進行充電控制，該芯片具有涓流，包流，過充電和浮充電模式，非常適合鉛酸電 池的充電。在過充電和浮充電模式，充電電壓由外部電阻分壓網絡設置；在恒流

27、充電模式，充電電流通過一個外部電阻設置；對深度放電的電池進行涓流充電； 在過充電階段，充電電流逐漸減小，當充電電流降低到外部電阻所設置的值時， CN3717進入浮充電狀態。在浮充電狀態，如果電池電壓下降到所設置的過充電 電壓的81.8%時，自動開始新的充電周期。當輸入電源掉電或者輸入電壓低于電 池電壓時，CN3717自動進入低功耗的睡眠模式。具充放電原理圖如圖 5.4所示。圖5.4充放電電路原理圖在圖5.4充放電電路中，其工作過程是當太陽能能電池板兩端的電壓大于蓄電池兩端的電壓時，MOS管M1打開對蓄電池進行充電，當太陽能電池板兩端電 壓小于蓄電池兩端的電壓時， MOS管M1關斷，停止對蓄電池

28、進行充電 CN3717 自動進入睡眠狀態，內部電路被關斷；當蓄電池電壓大于10.8V時，MOS管M2打開，對系統各個負載進行放電，當蓄電池電壓小于 10.8V時，MOS管M2關斷， 停止對各個負載進行供電。Title5.4電壓轉換電路設計234SizeNumberBDate:7-Apr-2015File:C:Documents and SettingsAdm5Revisiont of成珠畢業謝太汨能鄙圖5.4.1 DC-DC電壓轉換由于太陽能一一蓄電池的充放電電路輸出的電壓不具有穩定的，所以要進行電壓轉換，以便輸出穩定的電壓供系統使用。本設計將輸出的電壓+12V利用DC-DC進行升壓至+24V

29、,在利用DC-DC將+24V降壓至穩定的+12V、+6V、+5V 以便各個系統電路使用。在升壓穩壓電路中，采用LM2577集成電路進行升壓。其電路原理圖如圖5.5所示。在該升壓電路中，其輸出電壓可以根據電阻Ri和可變電阻R來確定。電阻Ri、R和Vo的關系式，式（5-14）中1.23V為片內基準電壓：(5-2)VO1.23 31當通過調節滑動變阻器R時，來控制輸出的電壓5.4.2 DC-AC電壓轉換因為太陽能供電輸出的電壓為+12V直流電壓，但是在溫室大棚內，一些大 型設備需要220V交流電壓，所以設計一個直流變交流（DC-AC）的電壓轉換電 路，從未驅動該溫室大棚內的各種設備。本設計采用頻率固

30、定的脈沖寬度控制器TL494進行逆變電路控制該逆變電路采用頻率固定的脈沖寬度控制器 TL494進行逆變電路控制，該逆變電路輸出 為400W/220V穩壓交流電，為各個溫室內各個大型設計進行供電，本電路采用 TL494組成的400W大功率穩壓逆變器。它激式變換部分采用TL494、VT1、VT2、 VD3、VD4構成灌電流驅動電路，驅動兩路兩只60V/30A的MOS開關。如需要 提高輸出功率，每路可采用34只開關管并聯應用，電路不變，該逆變器采用容 量為400VA的工頻變壓器，鐵芯采用 45*60mm2的硅鋼片。初級繞組采用直徑 1.2mm的漆包線，兩根并繞2*20匝。次級取樣繞組采用0.41mm

31、漆包線繞36匝,123456中心抽頭。次級繞組按230V計算，采用0.8mm漆包線繞400匝。開關管VT4VT6可用60V/30A任何型號的N溝道MOS管。VD7可用1N400X系列普通二極管電路原理圖如圖5.6所示。圖5.5 TL494逆變電路圖6 .軟件設計6.1 太陽能供電系統程序設計TitleSizeBNumberRevisionDate:File:太陽能供電系統其程序流程圖如圖6.1所示。7-Apr-2015Sheet of 、，.C:Docu ments and SettingsAdmnistrato 桌面露w藺y：畢業設計太陽能6太陽能供電系統作為該溫室大棚所有電源的來源，其中通過單片機檢測太陽能電池板和蓄電池兩端的電壓來控制供電系統的充放電，從而達到為各個負載供電的目的。6.2 集中控制系統程序設計集中控制系統是溫室大棚環境控制的主機，當檢測系統掃描到的環境參數傳 送到其主系統中，經過數據比較，發送電磁繼電器是否動作命令到檢測系統同時 是否啟動報警，從而完成集中控制系統的功能。其程序流程圖如圖 6.2所示。圖6.2控制系統程序流程圖6.3 檢測系統程序設計檢測系統相當于溫室大棚環境控制系統中的分機，