《基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計》畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p>　　基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計（論文）題目： 基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求</p><p><b>　?。?）總體方案設(shè)計</b&g

2、t;</p><p>　　（2）硬件系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　?。?）軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　（4）控制系統(tǒng)樣機制作</p><p>　?。?）編寫設(shè)計說明書，完成系統(tǒng)控制硬件圖</p><p>　　2．指定查閱的主要參考文獻及說明</p><p>　　（1）單片機實用接口技

3、術(shù)</p><p>　?。?）微型計算機原理與開發(fā)</p><p><b>　　（3）電路基礎(chǔ)</b></p><p>　?。?）傳感器技術(shù)手冊</p><p><b>　　3．進度安排</b></p><p><b>　　摘 要</b></p&g

4、t;<p>　　溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點之一。溫室種植的實踐經(jīng)驗表明，提高溫室的自動控制水平可充分發(fā)揮溫室生產(chǎn)的效率；我國廣大農(nóng)戶購買能力有限，而市場上現(xiàn)有的針對現(xiàn)代試試環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)成本高、價格貴、使用較為復雜。針對這一問題，本文設(shè)計了一種成本較低、集環(huán)境監(jiān)控和自動滴灌于一體的檢測與控制系統(tǒng)。</p><p>　　系統(tǒng)利用STC89C516RD+單片機實現(xiàn)對溫室環(huán)境參

5、數(shù)的實時監(jiān)測，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)和控制模型，對溫室滴灌系統(tǒng)進行控制，是溫室土壤濕度環(huán)境參數(shù)處于設(shè)定值之間。系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換模塊、參數(shù)測量模塊、實時控制模塊等幾部分組成。</p><p>　　整個系統(tǒng)由太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能提供能源，從而驅(qū)動整個系統(tǒng)裝置。再由溫度傳感器和土壤濕度傳感器采集環(huán)境參數(shù)，并且通過AD模塊轉(zhuǎn)換數(shù)值在LED數(shù)碼管上顯示。同時單片機對實時數(shù)據(jù)進行處理判斷，根據(jù)對環(huán)境參數(shù)影響最大的濕度參數(shù)

6、及設(shè)定值發(fā)出控制命令，對電動機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)自動化控制，從而實現(xiàn)整個滴灌系統(tǒng)的自動化控制。此外，當實時監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定限值時，電動機停止工作，并且蜂鳴器進行報警，以便于工作人員實施緊急措施。</p><p>　　關(guān)鍵詞：自動控制；滴灌系統(tǒng)；單片機；太陽能</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Greenho

7、use is not only an important part of facility agriculture,but also one of the developing emphases of the developing of modern agriculture. Greenhouse cultivation practices show that improve the level of automatic control

8、 of greenhouse can give full play to the efficiency of the greenhouse production; In the broad masses of farmers to buy ability is limited, and the existing on the market of intelligent monitoring system for modern try e

9、nvironment cost high, the price is expensive, it is c</p><p>　　System using STC89C516RD+ single-chip-microcomputer to realize real-time monitoring of greenhouse environment parameters and control model, and

10、according to the real-time data to control greenhouse drip irrigation system, is the greenhouse soil moisture environment parameters between the set value. System is mainly composed of energy conversion module, parameter

11、 measurement module, real time control module, etc. </p><p>　　The whole system is provided by solar panels to convert solar energy into electricity energy, so as to drive the whole system device. Again by th

12、e temperature sensor and soil humidity sensor to collect environmental parameters, and through the AD conversion module value on the LED digital tube display. Single chip microcomputer to deal with real-time data to judg

13、e at the same time, according to the humidity parameter and setting of the biggest impact on the environment parameter control command,</p><p>　　Keywords:automatic control ;Drip irrigation system ;Single chi

14、p microcomputer;solar energy </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書I</p><p><b>　　摘 要II</b></p><p>　　ABSTRACTIII</p><p><b&g

15、t;　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2國內(nèi)外自動灌溉控制系統(tǒng)的灌溉2</p><p>　　1.3滴灌控制系統(tǒng)研究的目的和意義3</p><p>　　第二章 基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計4</p><p&

16、gt;　　2.1 滴灌控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計4</p><p>　　2.1.1滴灌控制系統(tǒng)組成4</p><p>　　2.1.2滴灌控制系統(tǒng)選型5</p><p>　　2.2 太陽能供能系統(tǒng)選型6</p><p>　　2.2.1太陽能應(yīng)用背景6</p><p>　　2.2.2太陽能電池板選型7</p&g

17、t;<p>　　2.2.3太陽能控制器選型9</p><p>　　2.3 單片機選型10</p><p>　　2.3.1 STC89C516RD+單片機介紹10</p><p>　　2.3.2 STC89C516RD+單片機結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.4 溫度傳感器選型12</p><p>

18、;　　2.5 土壤濕度傳感器選型15</p><p>　　2.6 光照強度傳感器選型18</p><p>　　2.7 AD轉(zhuǎn)換模塊選擇20</p><p>　　2.8 顯示模塊選擇22</p><p>　　2.9 報警模塊選擇25</p><p>　　2.10 執(zhí)行模塊選擇27</p><

19、;p>　　2.11 晶振模塊設(shè)計27</p><p>　　第三章 基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計29</p><p>　　3.1 編程環(huán)境介紹29</p><p>　　3.2 主程序設(shè)計31</p><p>　　3.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計33</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)處理設(shè)計34</p>

20、;<p>　　3.5 報警程序設(shè)計35</p><p>　　3.6 顯示程序設(shè)計36</p><p>　　3.7 執(zhí)行程序設(shè)計38</p><p>　　第四章 基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)調(diào)試39</p><p>　　4.1 軟件調(diào)試39</p><p>　　4.2 硬件調(diào)試40</p>

21、;<p>　　4.2.1 protues電氣調(diào)試40</p><p>　　4.2.2實物實驗43</p><p><b>　　第五章 總結(jié)45</b></p><p>　　5.1 本文的主要特點和意義45</p><p>　　5.2本文的不足之處與進一步研究的建議45</p><

22、;p><b>　　參考文獻47</b></p><p><b>　　致謝48</b></p><p>　　附錄A：滴灌控制系統(tǒng)電路圖49</p><p>　　附錄B：源程序50</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p&g

23、t;<b>　　1.1引言</b></p><p>　　建設(shè)社會主義新農(nóng)村，是當前全黨全社會面臨的重大而緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)，是未來五年經(jīng)濟社會發(fā)展的重中之重【1】。</p><p>　　發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟，促進農(nóng)民增收，是新農(nóng)村建設(shè)第一重要的任務(wù)"發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟，首先應(yīng)大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)【2】。</p><p>　　設(shè)施農(nóng)業(yè)是高效農(nóng)業(yè)的重要組成部分

24、，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，設(shè)施園藝是設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)容，隨著人們生活水平和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要，近年來我國設(shè)施園藝取得了飛速發(fā)展，己顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景。</p><p>　　發(fā)展設(shè)施園藝可以大幅度提高土地利用率、資源產(chǎn)出率、勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品商品率，可實現(xiàn)規(guī)范化、標準化生產(chǎn)，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，加速傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高效、持續(xù)發(fā)展，培育農(nóng)村經(jīng)濟新的增長點。&

25、lt;/p><p>　　設(shè)施園藝包括現(xiàn)代化溫室、日光溫室和塑料大棚等設(shè)施，目前，在現(xiàn)代的大型溫室生產(chǎn)中，已經(jīng)達到較為先進的程度，大都配有帶加熱設(shè)備，并采用噴灌、滴灌和地下灌溉等技術(shù)，有的還使用無土栽培法"溫室還裝備有電腦控制系統(tǒng)，以變化的光照強度為中心，隨時調(diào)節(jié)室溫和空氣中二氧化碳濃度，或輔以濕度、風速、溫度、光照乃至營養(yǎng)液濃度的調(diào)節(jié)，為作物創(chuàng)造適合生長的最佳環(huán)境。</p><p>

26、　　功能齊全的完全智能化的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴，同時要求使用者具備一定的計算機操作技能和溫室種植管理知識【3-5】，因此較適用于現(xiàn)代化溫室，而對于目前擁有量最多的簡易溫室或塑料大棚來說，其通風、遮陽、滴灌等系統(tǒng)基本采用手動裝置進行操作，不僅控制精度無法保證，而且無法考察多因子相互禍合關(guān)系，使得溫室的種植完全依照種植者的經(jīng)驗。</p><p>　　近年來，市場上也出現(xiàn)了針對溫室加溫、通風、滴灌等系統(tǒng)的控制裝置，

27、多是單因子控制器、自動化程度不高、環(huán)境調(diào)控能力比較差，又難以滿足以上控制要求【6】。也有一些國內(nèi)外的大公司生產(chǎn)智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)或控制器，但一般價格昂貴，對于大部份農(nóng)民來說還是可望而不可及的。</p><p>　　因此，為了實現(xiàn)農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)、高效和高產(chǎn)，開發(fā)成本較低、功能較全、實用型的農(nóng)業(yè)溫室大棚控制系統(tǒng)己迫在眉睫，這對于促進農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)、增收，推進我國農(nóng)業(yè)智能化進程具有極為重要的意義，同時也具有很大的市場商機。&l

28、t;/p><p>　　1.2國內(nèi)外自動灌溉控制系統(tǒng)的灌溉</p><p>　　在節(jié)水灌溉方面，以色列是世界上微灌技術(shù)的發(fā)展比較先進的國家之一，其溫室種植全部采用微灌，以滴灌為主。他們對農(nóng)作物的灌溉采用了現(xiàn)代化的滴灌和微噴灌系統(tǒng)，在作物附近都安裝了傳感器以測定水、肥狀況，辦公室里的中心計算機對田間的控制器進行通訊，即可方便地遙控灌溉和施肥，使水肥的利用率達到80%-90%，使得原本資源匾乏的以色

29、列成為沙漠上的蔬菜出口國圈。</p><p>　　我國水資源總量為2.8萬億立方米，但可利用量只有40%-50%左右。目前全國農(nóng)業(yè)用水利用率低，我國灌溉用水的利用系數(shù)只有0.3-0.4，與發(fā)達國家0.7-0.9相比，不及1/2。農(nóng)作物水分生產(chǎn)率平均1kg/m3左右，與以色列2.32kg/m3相比相差1倍以上。隨著人口增長，經(jīng)濟發(fā)展，特別是工業(yè)化，城市化對水需求的快速增長以及對水量、水質(zhì)的更高的要求，使得農(nóng)業(yè)用水必

30、將受到更大的限制，因而農(nóng)業(yè)節(jié)水必將成為節(jié)約水資源的核心內(nèi)容。</p><p>　　我國從開始的大水漫灌，發(fā)展到定額灌溉，再演進到節(jié)水灌溉(其中包括充分灌溉、非充分灌溉、調(diào)虧灌溉控制性分根交替灌溉等)，對大田作物需水規(guī)律及節(jié)水灌溉的研究已趨于成熟，但在露地蔬菜，設(shè)施蔬菜等方面卻研究較少，缺乏成熟的認識，目前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中水、肥管理基本仍處于經(jīng)驗階段，缺乏科學量化指標，對于大棚蔬菜栽培而言，傳統(tǒng)灌水方式是溝畦灌，水的

31、利用率只有40%。為使棚室蔬菜產(chǎn)量、產(chǎn)值再上新臺階，需對傳統(tǒng)灌水方式進行改革。在溫室大棚中大力推廣現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)，將更有利于我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。采用先進灌溉設(shè)備，根據(jù)作物生產(chǎn)過程中對水的需要，按時按量對作物進行灌溉，可使作物產(chǎn)量高，品質(zhì)好，節(jié)水明顯，水的利用率可在90%以上。所以節(jié)水灌溉與設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一系統(tǒng)工程更體現(xiàn)出對高技術(shù)集成要求的緊迫性。</p><p>　　我國現(xiàn)有溫室大棚絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)的灌溉的模

32、式，尤其在微灌設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)利用上相差甚遠。近些年來，改進和研制了一些新的滴灌設(shè)備，制定了滴灌滴頭和滴灌管的技術(shù)標準和技術(shù)規(guī)范。進入20世紀90年代，國家對農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉更加重視，投入相對增加。各地紛紛建立了設(shè)施農(nóng)業(yè)的示范點，促進了滴灌和微灌節(jié)水技術(shù)在我國的應(yīng)用，并且引進了以色列、美國、法國、韓國等國的部分先進技術(shù)和設(shè)備，國內(nèi)溫室大棚微灌有了較大的發(fā)展。但國內(nèi)溫室灌溉設(shè)備，在主要材質(zhì)、技術(shù)精度和工藝水平上比較落后，整個系統(tǒng)配套性差，自動控

33、制灌溉系統(tǒng)未有成型產(chǎn)品，基本用手動閥控制?，F(xiàn)在市場上能批量使用的滴灌管主要是引進以色列等國外技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品價格高，很大程度上限制了設(shè)施農(nóng)業(yè)先進灌溉技術(shù)的推廣。</p><p>　　1.3滴灌控制系統(tǒng)研究的目的和意義</p><p>　　綜合前面現(xiàn)狀所述，可以看出國外發(fā)達國家的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)起步早，技術(shù)成熟，功能完善。而我國針對溫室大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)的研制則剛剛起步，還存在以下

34、問題:</p><p>　　1、目前我國主要采用單因子方法進行控制，農(nóng)戶適用裝置較少。即便是有的使用多因子控制裝置，但使用復雜、價格昂貴，農(nóng)戶一次性投入太高。</p><p>　　2、大棚生產(chǎn)中，農(nóng)戶急需具備在線顯示和自動控制裝置的控制系統(tǒng)，為現(xiàn)場指導溫室生產(chǎn)和今后進行管理分析提供依據(jù)。</p><p>　　3、溫室滴灌系統(tǒng)如何更好地和環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)合一直是溫室生產(chǎn)

35、中待解決的問題。</p><p>　　本論文要完成的主要任務(wù)是開發(fā)一種成本較低、功能較全、集數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控和自動灌溉于一體的自動滴灌控制系統(tǒng)。</p><p>　　研究的關(guān)鍵問題是:智能溫濕度傳感器的硬件與軟件設(shè)計，溫室大棚環(huán)境模糊控制系統(tǒng)設(shè)計。由于我國人多地少、氣候條件惡劣、農(nóng)業(yè)用戶購買能力有限，因此開發(fā)低價位、低成本、實用型的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的必要性和重要的實際意義

36、。</p><p>　　第二章 基于太陽能的滴灌控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計</p><p>　　自動滴灌系統(tǒng)是通過測定濕度、溫度，根據(jù)植物自動選擇滴灌開時始時間、滴灌時間及出水量。這樣可以將水和養(yǎng)份直接而精確地輸送到作物根部，是一種低成本、長壽命、免維護、高效節(jié)能的澆水方式。它適用于單行或多行盆栽、吊藍式種植、培植袋栽種作物、庭院式花園等，也適合家居大小花盆栽種的植物澆灌。自動滴灌系統(tǒng)目前在缺水

37、的發(fā)達國家應(yīng)用十分廣泛，目前在我國部分地區(qū)也逐漸應(yīng)用。自動滴灌系統(tǒng)要求滴灌時間準確、出水量適中、系統(tǒng)操作方便，對于更好的輔助作物生長、節(jié)約水資源起到了極其重要的作用。</p><p>　　2.1 滴灌控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.1.1滴灌控制系統(tǒng)組成</p><p>　　在本文中，滴灌控制器主要由三部分構(gòu)成，整個系統(tǒng)組成如下圖圖2-1所示。<

38、/p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)整體工作流程圖示</p><p>　　一是供電系統(tǒng)，該部分利用太陽能作為供電來源，完成儲能、電壓轉(zhuǎn)換的功能，為控制系統(tǒng)供電。供電系統(tǒng)主要由太陽能板、電壓轉(zhuǎn)換芯片、備用蓄電池和開關(guān)電路組成。二是控制系統(tǒng)，該部分利用溫度、濕度傳感器、單片機完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸與相應(yīng)的滴灌控制功能，實現(xiàn)自動控制。三是顯示報警系統(tǒng)，主要由LED數(shù)碼管、蜂鳴器組成，實現(xiàn)實時環(huán)境

39、參數(shù)顯示及超限報警功能。</p><p>　　2.1.2滴灌控制系統(tǒng)選型</p><p>　　控制系統(tǒng)按照控制方法來分，可分為手動控制和自動控制兩種類型。手動控制系統(tǒng)簡單可靠，一般由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關(guān)等電氣元件組成。但一般來說，即使在自動控制系統(tǒng)中，往往也包含有手動控制方式，手動控制系統(tǒng)是環(huán)境控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。環(huán)境自動控制系統(tǒng)按采用的控制儀表可分為數(shù)字式控制儀控制系統(tǒng)、控制器控制

40、系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)字式控制儀控制系統(tǒng)往往只通過傳感器對內(nèi)的某一環(huán)境因子進行監(jiān)測，并對其設(shè)定上限值和下限值，然后控制儀自動對驅(qū)動設(shè)備進行開啟或關(guān)閉，從而使的該環(huán)境因子控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，屬單因子控制。這種系統(tǒng)因其不考慮其他要素的影響和變化，局限性非常大，但由于成本較低，對運行要求不高的來說很適用。</p><p>　　計算機控制系統(tǒng)又可分為集中式控制系統(tǒng)和分布式控

41、制系統(tǒng)(即集散式控制系統(tǒng))。集中式控制系統(tǒng)，就是用一臺計算機直接控制執(zhí)行機構(gòu)，使被調(diào)量保持在給定值。這類控制系統(tǒng)為主機一終端模式，即以計算機主機為控制中心，負責對其他各子系統(tǒng)進行控制管理，這種模式不靈活，適合于控制點數(shù)集中、規(guī)模小、控制機房和溫室距離近的情況。分布式控制系統(tǒng)采用了所謂的服務(wù)器一客戶機模式，是目前計算機控制系統(tǒng)的主流。它是由許多分布在各中的可編程控制器(PLC)或者子處理器組成，每一個控制器連接到中心監(jiān)控計算機或稱主處理器

42、上，由每個子處理器處理所采集的數(shù)據(jù)并進行實時控制，而由主處理器存儲和顯示子處理器傳送來的數(shù)據(jù)，主處理器可以向每個子處理器發(fā)送控制設(shè)定值和其它控制參數(shù)。它不僅具有傳統(tǒng)的控制功能和集中化的信息管理及操作顯示功能，而且還有大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、處理的功能以及較強的數(shù)據(jù)通信能力，為實現(xiàn)高等過程控制和生產(chǎn)管理提供了先進的工具和手段。此類控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化中已經(jīng)應(yīng)用廣泛，對于普通農(nóng)民來說，其最大的缺陷就是價格昂貴，一次性投資太大，而且對于普通大棚來說，實用

43、性不高。</p><p>　　控制器控制系統(tǒng)采用了綜合環(huán)境控制，可根據(jù)作物對各種環(huán)境要素的配合關(guān)系，在某一環(huán)境要素發(fā)生變化時，相關(guān)的其他要素可自動做出相應(yīng)改變和調(diào)整，以優(yōu)化環(huán)境組合條件?？刂破骺梢允菃纹瑱C、可編程序控制器(PLC)、工控機等。此類控制系統(tǒng)價格相對較低，尤其是以單片機為控制核心的控制器，適用于簡易大棚的控制，價格也處于普通農(nóng)民用戶所承受范圍之內(nèi)。</p><p>　　現(xiàn)代傳感

44、器技術(shù)、通信技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的架構(gòu)提供了多種可選方案。目前國內(nèi)研究方案見表2.1。</p><p>　　表2.1方案優(yōu)缺點比較</p><p>　　鑒于降低成本的需要，本系統(tǒng)將選用以多功能單片機為環(huán)境的核心控制器。</p><p>　　2.2 太陽能供能系統(tǒng)選型</p><p>　　2.2.1太陽能應(yīng)用背景&l

45、t;/p><p>　　太陽能（solar energy），是指太陽的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。在現(xiàn)代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，太陽能發(fā)電是一種新興的

46、可再生能源。廣義上的太陽能也包括地球上的風能、化學能、水能等。</p><p>　　太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。</p><p>　　中國蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。目 前，中國太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產(chǎn)量和使用

47、量最大的國家和重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國。中國比較成熟太陽能產(chǎn)品有兩項：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)。</p><p>　　太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。太陽能發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：</p><p>　　1、離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。</p><

48、;p>　　2、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，還沒有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是目 前并網(wǎng)發(fā)電的主流。</

49、p><p>　　太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，太陽能電池板的作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價值的重要因素。 組件設(shè)計：按國際電工委員會IEC：1215：1993標準要求進行設(shè)計，采用36片或72片多晶硅太陽能電池進行串聯(lián)以形成12V和24V各種類型的組件。該組件可用于各種戶用光伏系統(tǒng)、獨立

50、光伏電站和并網(wǎng)光伏電站等。</p><p>　　2.2.2太陽能電池板選型</p><p>　　利用太陽能發(fā)電的方式有多種。已實用的主要有以下兩種。</p><p>　　1、光—熱—電轉(zhuǎn)換。即利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。前一過程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱—電轉(zhuǎn)換。這種方式簡單易

51、行，成本低廉回報大，適合在中國大面積推廣。</p><p>　　2、光—電轉(zhuǎn)換該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。</p&

52、gt;<p><b>　　太陽能電池：</b></p><p>　　1、材料要求：耐紫外光線的輻射，透光率不下降。鋼化玻璃作成的組件可以承受直徑25毫米的冰球以23米/秒的速度撞擊。</p><p>　　2、裝用的EVA膠膜固化后的性能要求：透光率大于90%；交聯(lián)度大于65-85%；剝離強度（N/cm），玻璃/膠膜大于30；TPT/膠膜大于15；耐溫性：

53、高溫85℃、低溫－40℃；太陽電池的背面，耐老化、耐腐蝕、耐紫外線輻射、不透氣等。</p><p>　　3、用途：太陽能發(fā)電廣泛用于太陽能路燈、太陽能殺蟲燈、太陽能便攜式系統(tǒng)，太陽能移動電源，太陽能應(yīng)用產(chǎn)品，通訊電源，太陽能燈具，太陽能建筑等領(lǐng)域。</p><p>　　太陽能在2050年前可能將成為電力的主要來源，受助于發(fā)電設(shè)備成本大跌。IEA報告表示，2050年前太陽能光伏(PV)系統(tǒng)將

54、最多為全球貢獻16%的電力，來自太陽能發(fā)電廠的太陽能熱力發(fā)電(STE)將提供11%的電力。</p><p>　　光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導體物料（例如硅）制成的固體光伏電池組成。簡單的光伏電池可為手表以及計算機提供能源，較復雜的光伏系統(tǒng)可為房屋提供照明以及交通信號燈和監(jiān)控系統(tǒng)，并入電網(wǎng)供電。光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電能。天臺及建筑物表面均可

55、使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)</p><p>　　電池片原材料特點：采用高效率（16.5%以上）的單晶硅太陽能片封裝，保證太陽能電池板發(fā)電功率充足。 玻璃： 采用低鐵鋼化絨面玻璃(又稱為白玻璃)， 厚度3.2mm,在太陽電池光譜響應(yīng)的波長范圍內(nèi)(320-1100nm)透光率達91%以上，對于大于1200 nm的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時

56、能耐太陽紫外光線的輻射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外劑、抗氧化劑和固化劑的厚度為0.78mm的優(yōu)質(zhì)EVA膜層作為太陽電池的密封劑和與玻璃、TPT之間的連接劑。具有較高的透光率和抗老化能力。TPT：太陽電池的背面覆蓋物—氟塑料膜為白色，對陽光起反射作用，因此對組件的效率略有提高，并因其具有較高的紅外發(fā)射率，還可降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。當然，此氟塑料膜首先具有太陽電池封裝材料所要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等基本要

57、求。邊框：所采用的鋁合金邊框具有高強度，抗機械沖擊能力強。也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。組成如圖2-2.</p><p>　　圖2-2 太陽能電池板組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　經(jīng)過分析考慮，該系統(tǒng)環(huán)境要求較低，選用平板型單晶硅太陽能電池板。具體需要可根據(jù)實際情況將電池板進行并聯(lián)和串聯(lián)，便可達到要求。</p><p>　　2.2.3太陽能控制器選型</p

58、><p>　　太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設(shè)備。太陽能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一個微機數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制系統(tǒng)。既可快速實時采集光伏系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，隨時獲得PV站的工作信息，又可詳細積累PV站的歷史數(shù)據(jù)，為評估PV系統(tǒng)設(shè)計的合理性及檢驗系統(tǒng)部件質(zhì)量的可靠性提供了準確而充分的依

59、據(jù)。此外，太陽能控制器還具有串行通信數(shù)據(jù)傳輸功能，可將多個光伏系統(tǒng)子站進行集中管理和遠距離控制。太陽能控制器通常有6個標稱電壓等級：12V、24V、48V、110V、220V、600V ，如圖2-3。</p><p>　　圖2-3 太陽能控制器</p><p>　　太陽能控制器是由專用處理器CPU、電子元器件、顯示器、開關(guān)功率管等組成。其主要特點：</p><p>

60、　　1、使用了單片機和專用軟件，實現(xiàn)了智能控制；</p><p>　　2、利用蓄電池放電率特性修正的準確放電控制。放電終了電壓是由放電率曲線修正的控制點，消除了單純的電壓控制過放的不準確性，符合蓄電池固有的特性，即不同的放電率具有不同的終了電壓。</p><p>　　3、具有過充、過放、電子短路、過載保護、獨特的防反接保護等全自動控制；以上保護均不損壞任何部件，不燒保險；</p>

61、;<p>　　4、采用了串聯(lián)式PWM充電主電路，使充電回路的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM高3%-6%，增加了用電時間；過放恢復的提升充電，正常的直充，浮充自動控制方式使系統(tǒng)由更長的使用壽命；同時具有高精度溫度補償；</p><p>　　5、直觀的LED發(fā)光管指示當前蓄電池狀態(tài)，讓用戶了解使用狀況；</p><p>　　6、所有控制全部采用工業(yè)級

62、芯片（僅對帶I工業(yè)級控制器），能在寒冷、高溫、潮濕環(huán)境運行自如。同時使用了晶振定時控制，定時控制精確。</p><p>　　7、取消了電位器調(diào)整控制設(shè)定點，而利用了E方存儲器記錄各工作控制點，使設(shè)置數(shù)字化，消除了因電位器震動偏位、溫漂等使控制點出現(xiàn)誤差降低準確性、可靠性的因素；</p><p>　　8、使用了數(shù)字LED顯示及設(shè)置，一鍵式操作即可完成所有設(shè)置，使用極其方便直觀的作用是控制整個

63、系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當是控制器的可選項。</p><p>　　根據(jù)工作情況要求，該設(shè)計選用12VDC的太陽能控制器滿足系統(tǒng)運行條件。</p><p><b>　　2.3 單片機選型</b></p><p>　　在現(xiàn)今

64、市場上，單片機的生產(chǎn)廠商很多、單片機的類型也很多。作為通用智能終端的控制器，在這眾多的單片機類型中選擇一款合適的型號至關(guān)重要。對于本終端，進行單片機選型應(yīng)該遵循的原則或要求主要是:</p><p>　　(1)選擇的單片機必須有較好的穩(wěn)定性，這是因為在溫室或其它環(huán)境中存在有很多的干擾，為了使單片機能夠正常的工作，單片機內(nèi)部必須有較好的內(nèi)部復位和內(nèi)部延時等功能，如在單片機內(nèi)部的程序運行時，若程序/跑飛0(指程序不按照

65、指定的順序運行)，可進行復位操作。</p><p>　　(2)選擇的單片機必須具有豐富的片上外圍設(shè)備，因為這樣可以簡化電路的設(shè)計，也可以讓電路的調(diào)試更加容易。</p><p>　　(3)選擇的單片機要有方便的調(diào)試功能，單片機生產(chǎn)廠商要提供免費的調(diào)試軟件，使單片機程序大部分能夠在PC機上仿真出來而且無誤;而且，單片機程序語言要多樣化，要既可以用單片機匯編語言也可以用C語言編寫程序。</

66、p><p>　　(4)選擇的單片機功耗要低，由于設(shè)計的通用智能終端長期在環(huán)境現(xiàn)場工作，為了節(jié)能，應(yīng)選擇功耗低的單片機。</p><p>　　本設(shè)計采用宏晶科技公司出產(chǎn)的STC89C516RD+單片機。</p><p>　　2.3.1 STC89C516RD+單片機介紹</p><p>　　STC89C516RD+單片機是STC推出的新一代高速、低

67、功耗、超強抗干擾的單片機。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以在任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。該單片機的主要特性如下：</p><p>　　1、增強型8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以在任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；</p><p>　　2、工作電壓：3.3V-5.5V；</p><p

68、>　　3、工作頻率范圍：0-40MHz，相當于普通8051的0-80MHz，世紀工作頻率可達48MHz；</p><p>　　4、用戶應(yīng)用程序空間64K；</p><p>　　5、片上集成1280字節(jié)RAM；</p><p>　　6、通用I/O接口39個，復位后為P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱向上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），P0口是開漏輸出，作為總線

69、擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻；</p><p>　　7、ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編輯器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成；</p><p>　　8、具有EEPROM功能；</p><p>　　9、內(nèi)部自帶看門狗程序；</p><

70、;p>　　10、內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，外部晶體20M以下時，可省略外部復位電路；</p><p>　　11、共3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用；</p><p>　　12、外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；</p><p>　　13、通用異步串行口

71、（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART；</p><p>　　14、工作溫度范圍：0-75攝氏度。</p><p>　　2.3.2 STC89C516RD+單片機結(jié)構(gòu)</p><p>　　該款單片機中包括中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看門狗等模塊，幾乎包括了數(shù)據(jù)采

72、集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4，管腳分布如圖2-5。</p><p>　　圖2-4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2-5 單片機管腳圖</p><p>　　2.4 溫度傳感器選型</p><p>　　溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個很重要而普遍的測量參數(shù)。溫度的測量及控制對保證

73、產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位，約占50%。</p><p>　　溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨著

74、生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會不斷涌現(xiàn)。</p><p>　　溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸，而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅?，以達到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。</p>

75、<p>　　本次設(shè)計采用DS18B20常用溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。</p><p>　　DS18B20的主要特性：</p><p>　　1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；</p><p>　　2、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)

76、微處理器與DS18B20的雙向通訊；</p><p>　　3、 DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；</p><p>　　4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；</p><p>　　5、溫范圍－55℃～+125℃，在-10～+85℃時精度為

77、7;0.5℃；</p><p>　　6、可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫；</p><p>　　7、在9位分辨率時最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；</p><p>　　8、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以&qu

78、ot;一 線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；</p><p>　　9、負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。</p><p>　　DS18B20的外

79、形及管腳排列如下圖2-6:</p><p>　　圖2-6 DS18B20外形及管腳排列圖</p><p>　　DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s 減為750ms。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)

80、器1對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。工作原理圖如下圖2-7。</p><p>　　圖2-7

81、 DS18B20測溫原理框圖</p><p>　　DS1820使用中注意事項：</p><p>　　DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：</p><p>　　1、較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此 ，在對DS1820進行讀寫編程時，

82、必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。</p><p>　　2、在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個 DS1820，在實際應(yīng)用中并非如此。當單總線上所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時 要加以注意

83、。</p><p>　　3、連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的 測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正 常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問題

84、。</p><p>　　4、在DS1820測溫程序設(shè)計中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦 某個DS1820接觸不好或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予 一定的重視。 測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地。</p>

85、<p>　　2.5 土壤濕度傳感器選型</p><p>　　在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，和溫度一樣，需要對環(huán)境濕度進行測量及控制，準確地測量濕度更是至關(guān)重要的。但是在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是比較難準確測量的一個參數(shù)。過去用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜得多，溫度是個獨立得被測量，而濕度卻受到其他因素得影響，濕度與大氣壓強、溫度呈函數(shù)關(guān)系。

86、因此，用常規(guī)方法測量濕度得誤差可達士%5~20%。此外，濕度的校準也是一個難題。干濕球濕度計和普通得濕度計并不能用作標定，就是因為標定后的精度無法保證。</p><p>　　濕度有多種表示方法，根據(jù)測量對象、環(huán)境以及時測量所要求的不同，也有多種不同的測量方法與測量儀器。水分是決定土壤介電常數(shù)的主要因素。測量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反應(yīng)各種土壤的真實水分含量。FC-28土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，

87、與土壤本身的機理無關(guān)，如圖2-8。</p><p>　　圖2-8 FC-28土壤濕度傳感器模塊</p><p>　　該傳感器模塊特性如下：</p><p>　　1、采用FC-28土壤傳感器做土壤濕度的檢測，表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導電性能，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命；</p><p>　　2、產(chǎn)品可以寬范圍控

88、制土壤的濕度，通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閥值，濕度低于設(shè)定值時，DO輸出高電平，高于設(shè)定值時，DO輸出低電平；</p><p>　　3、比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定；</p><p>　　4、工作電壓3. 3V-5V；</p><p>　　5、設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝；</p><p>　　6、 PCB尺寸:3. 2cm*1. 4cm。&l

89、t;/p><p>　　該傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖2-9如下。</p><p>　　圖2-9 傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　FC-28傳感器在土壤飽和含水率范圍內(nèi)具有良好的線性特征，下圖是40%濕度前典型的標定曲線及參數(shù)，用戶可以參考使用，如果要獲得高精度的測量結(jié)果，需進行二次標定。</p><p>　　圖2-10 標定關(guān)系曲線圖</p>

90、;<p><b>　　標定公式:</b></p><p>　　0%-40%濕度為:y=10.688*x- 0.132</p><p>　　40%一100%濕度為:y=47.772*x一138.86</p><p>　　(X為采集器采集到的電壓值)</p><p><b>　　公式選擇方式為:<

91、;/b></p><p>　　先使用第一個公式進行運算，如果結(jié)果大于40，則使用第二個公式重新進行運算。</p><p><b>　　注意事項：</b></p><p>　　1、不要將探針接入硬的土塊中，以免損壞探針；</p><p>　　2、測量時一，被測土壤密度應(yīng)盡量均勻；</p><p&g

92、t;　　3、將傳感器移出土壤時一，不要直接拉電纜；</p><p>　　4、使用完成后，應(yīng)清洗并擦干，保護濕度探頭干凈。</p><p>　　圖2-11 土壤濕度傳感模塊電路圖</p><p>　　2.6 光照強度傳感器選型</p><p>　　光敏傳感器的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即利用光子照射在器件上，使電路中產(chǎn)生電流或使電導特性發(fā)生變化的效應(yīng)。目

93、前半導體光敏傳感器在數(shù)碼攝像、光通信、航天器、太陽能電池等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代科技發(fā)展中起到了十分重要的作用。</p><p>　　在植物的生理生態(tài)的綜合測試中，光照度也是非常重要的參數(shù)，它與植物的蒸騰流速率成顯著正相關(guān)。</p><p>　　光照強度,簡稱照度。一個被光線照射的表面上的照度（illumination/illuminance）定義為照射在單位面積上的光通量。設(shè)面元dS

94、 上的光通量為dΦ，則此面元上的照度E為：E=dΦ/dS 。照度的單位為lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/㎡。照度表示物體表面積被照明程度的量。夏季在陽光直接照射下，光照強度可達6萬～10萬lx，沒有太陽的室外0.1萬～1萬lx，夏天明朗的室內(nèi)100～550lx，夜間滿月下為0.2lx。</p><p>　　光照度傳感器的轉(zhuǎn)換元件能將光量轉(zhuǎn)換為電量。通常分為3類:</p><p&

95、gt;　　一是外光電效應(yīng)元件，此類光電轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管等；</p><p>　　二是內(nèi)光電效應(yīng)元件，此類光電轉(zhuǎn)換元件有光敏電阻、光導管等；</p><p>　　三是光生伏特效應(yīng)元件，此類光電轉(zhuǎn)換元件有光電池、光電晶體管等。</p><p>　　其中，光電池具有性能穩(wěn)定、壽命長、光譜響應(yīng)范圍寬、頻率特性好和耐高溫等優(yōu)點，在光照度檢測圍寬、頻率特性好和耐高溫

96、等優(yōu)點，在光照度檢測系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而目前應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。因此，選用硅光電池作為光照度傳感器的轉(zhuǎn)換元件。</p><p>　　能源--硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航標燈、無人氣象站等設(shè)備的電源；也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源。</p><p>　　硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導體器件。它的

97、結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的PN 結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時，你就會看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。</p><p>　　晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或n型）硅襯底，通過磷（或硼）擴散形成Pn結(jié)

98、而制作成的，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場上的主導產(chǎn)品。采用埋層電極、表面鈍化、強化陷 光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為Φ10至20cm的圓片，年產(chǎn)能力46MW/a。目前主要課題是繼續(xù)擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀硅光電池技術(shù)，提高材料利用率。國際公認最高效率在AM1.5條件下為24%，空間用高質(zhì)量的效率在A

99、M0條件約為13.5-18%，地面用大量生產(chǎn)的在AM1條件下多在11-18%之間。以定向凝固法生長的鑄造多晶硅錠代替單晶硅，可降低成本，但效率較低。優(yōu)化正背電極的銀漿和鋁漿絲網(wǎng)印刷，切磨拋工藝，千方百計進一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率最高達18.6%。</p><p>　　a-Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、

100、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜，易于大面積化 （0.5m×1.0m），成本較低，多采用pin結(jié)構(gòu)。為提高效率和改善穩(wěn)定性，有時還制成三層pin 等多層疊層式結(jié)構(gòu)，或是插入一些過渡層。其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長，年產(chǎn)能力45MW/a，10MW生產(chǎn)線已投入生產(chǎn)，全球市場用量每月在1千萬片左右，居薄膜電池首位。發(fā)展集成型a-Si光電池組 件，激光切割的使用有效面積達90%以上，小面積轉(zhuǎn)換效率提高到14.6%，大面積大量生產(chǎn)的為8-10%

101、，疊層結(jié)構(gòu)的最高效率為21%。研發(fā)動向是改善薄膜特性，精確設(shè)計光電池結(jié)構(gòu)和控制各層厚度，改善各層之間界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。</p><p>　　圖2.12 硅光二極管的光照特性</p><p>　　硅光電池有一個能射入光線的窗口，窗口上鑲嵌著玻璃透鏡;其NP結(jié)面積較大，電極面積則較小，以增加受光面積;NP結(jié)的結(jié)深較淺(<100nm)，以提高光電轉(zhuǎn)換效率;且管心表面有一層5

102、102保護層。</p><p>　　硅光電池的工作原理為:</p><p>　　當光照射到PN結(jié)上時，便在NP結(jié)內(nèi)產(chǎn)生一個與NP結(jié)自建場相反的光生電場(方向由P區(qū)指向N區(qū))。此電場使勢壘降低，于是有結(jié)電流從P區(qū)流向N區(qū)在開路情況，結(jié)電池與光生電池平衡，勢壘高度的降低量就是器件的開路電壓。硅光電池的短路電流與光照度成線性關(guān)系。所謂短路電流是指外接負載相對硅光電池的內(nèi)阻而言是很小的。利用硅光電

103、池的這個特性，光照度傳感器的信號調(diào)節(jié)電路如圖所示。</p><p>　　圖2-13光照度采集電路</p><p>　　該電路由精密運算放大器OP07及其它元件組成一個直流前置的電流一電壓變換，它能提供正比于輸入電流的輸出電壓。光照度采用國產(chǎn)ZDU硅光電池。</p><p>　　光照度傳感器的輸入信號(光量子通量密度)與輸出信號(電壓)成線性關(guān)系，無須標定。</

104、p><p>　　2.7 AD轉(zhuǎn)換模塊選擇</p><p>　　AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，也可以是整流。顧名思義，就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器是用來通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。</p><p>　　模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換

105、成電壓信號。A/D轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號可以有8位、10位、12位、14位和16位等。本設(shè)計中采用常見的PCF8591型AD轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I²C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PC

106、F8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。</p><p>　　PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定。</p><p>　　PCF8591引腳圖如下。</p><p>

107、;　　圖2-14 PCF8591引腳圖</p><p>　　PCF8591的特性如下：</p><p><b>　　1、單獨供電；</b></p><p>　　2、PCF8591的操作電壓范圍2.5V-6V；</p><p><b>　　3、低待機電流；</b></p><p&g

108、t;　　4、通過I2C總線串行輸入/輸出；</p><p>　　5、PCF8591通過3個硬件地址引腳尋址；</p><p>　　6、PCF8591的采樣率由I2C總線速率決定；</p><p>　　7、4個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入；</p><p>　　8、自動增量頻道選擇；</p><p>　　9、PCF8

109、591的模擬電壓范圍從VSS到VDD；</p><p>　　10、PCF8591內(nèi)置跟蹤保持電路；</p><p>　　11、8-bit逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器；</p><p>　　12、通過1路模擬輸出實現(xiàn)DAC增益。</p><p>　　PCF8591是比較常見的一種逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。其工作基本原理是從高位到低位

110、逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi進行比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的 Vo再與Vi比較，若Vo<Vi，該位1被