温室大棚二氧化碳浓度检测系统设计
摘要：当代农业的发展应用中广泛需要监控二氧化碳的浓度。该系统适于应用于温室大棚CO2监测，便于农作物较好生长。本系统内含采集模块，显示模块，报警模块，主控模块四个部分。通过采集模块对CO2的浓度进行采集，并将具体的浓度值显示出来，如温室大棚CO2浓度低于400ppm或高于550ppm时，系统自动报警。达到经济与高效的目的。软件方面选择keli语言进行开发，完成采集模块，显示模块，报警模块，主控模块的程序编写。该系统的优点为简单，实用，方便较多群体使用。
关键词： 温室大棚；CO2监控； AT89C51; keli ；
Monitoring system of CO2 concentration in Greenhouse
(Wenlong Duan，WuXi，214000)
Abstract: the concentration of carbon dioxide is widely monitored in the development of modern agriculture. The system is suitable for the application of CO2 monitoring in greenhouse, so that the crops can grow well. The system includes four parts: collection module, display module, alarm module and main control module. The collection module will collect the CO2 concentration of greenhouse greenhouse and show the specific value on the LCD screen. If the CO2 concentration in greenhouse greenhouse is lower than 400ppm or higher than 550ppm, the system will automatically report to the alarm. Achieve economic and efficient goals. Select C language for development, complete acquisition module, display module, alarm module, master control module programming. The advantages of the system are simple, practical and convenient for many groups.
Key words: greenhouse; greenhouse; greenhouse CO2 monitoring; AT89C51. keli language;
目 录
第一章 绪论 1
1.1温室大棚CO2监控系统的背景及意义 1
1.2温室大棚CO2监控系统国内外研究现状 2
1.3温室大棚CO2监控系统技术特点 3
1.4温室大棚CO2监控系统课题研究的内容 4
第二章 温室大棚二氧化碳监控系统的总体设计 5
2.1温室大棚CO2监控系统系统整体方案设计 5
2.2 系统器件选择 6
2.2.1单片机器件选择 6
2.2.2 二氧化碳浓度传感器 7
2.2.3显示模块 7
第三章 温室大棚二氧化碳监控系统的硬件设计 10
3.1温室大棚系统硬件设计 10
3.2 AT89C51主控模块设计 10
3.2.1AT89C51单片机简介 10
3.2.2 AT89C51主控模块电路设计 12
3.3传感器模块设计 12
3.3.1MG811简介 12
3.3.2 传感器模块电路设计 13
3.4 显示模块 13
3.4.1 显示模块电路设计 14
3.5 按键设定模块 15
第四章 温室大棚二氧化碳系统的软件设计 16
4.1温室大棚二氧化碳监控系统软件设计 16
4.2程序设计软件介绍 16
4.3 系统模块主程序及流程图 17
4.4 单片机初始化程序设计 17
4.5 CO2浓度采集程序设计 18
4.6 CO2浓度显示程序 18
4.7风扇、蜂鸣器、警报灯控制程序 19
第五章 系统监控中心设计与功能介绍 20
第六章 总结与展望 22
小结 23
致谢 23
附录一 25
第一章 绪论
1.1温室大棚CO2监控系统的背景及意义
随着当今社会经济的发展，我国已逐步进入小康社会，人们的物质需求也逐步提高，对于新鲜跨季节的瓜果蔬菜，花卉等的需求也越来越高。温室大棚作为常见的培育设施得到了很大的重视和应用。现代化农业不再同小农经济时代一样的精工细作，已转向大规模机械化甚至只能培育生产，因为必须兼顾经济性和效率性。农作物光合作用的一大原料-----CO2,尤其应该得到首要重视。控制二氧化碳的浓度在合适的范围内既可以满足农作物的生理需求，又可以得到最大化的经济效益。因此，当今农业十分需要温室大棚CO2监控系统。
植物光合作用的主要碳源是CO2。生物学界一般认为C02浓度应保持在500~1000(mg·kg)，若达到3000mg·kg将对人体有害，会导致中毒，严重可能会致死。正常大气中CO2浓度在340一350mg·kg,,光合作用会随着光照强度的增加而变快,在饱和点后就趋于缓和。在此情况下,温度的影响不大,但增加二氧化碳（气肥）的浓度达1000mg·kg或以上,光合效应率将大大加快。而不同的植物存在着不同的二氧化碳补偿点和饱和点,长时间的高二氧化碳饱和浓度会破坏绿色植物光合系统而反而降低光合作用速率了。因此实时监控温室内的CO2浓度是保证农业发展的必要条件。
在现代化农业中，二氧化碳的地位极其重要。它是农作物光合作用暗反应的重要物质，是产生有机物的原料，并可以调节呼吸作用。是植物不可缺少的养分，因此二氧化碳丰富的空气环境有助于植物的健康生长。但要注意的是，强烈的二氧化碳水平可能会使环境恶化，使得植物碳中毒。作物对二氧化碳的需求是负相关的关系，而传统温室环境的二氧化碳调控仅仅依赖于单因子，无法按照植物的生理需求进行相关调控，反而使得作物的光合效应速率较低，降低了经济收益。且CO2的调控时空均匀性在国内尚未得到深入研究，导致温室内CO2的浓度分布不均匀也不平衡。
针对这一事实，本文基于单片机设计了一种温室设施监控系统，实现对二氧化碳参数的采集与显示，同时能够实现温室调控智能化。
整个温室工程是建立我国当前高度发达的科学技术生产力的基础上的，以农业应用为基础，辅以工程技术、IT技术为发展依托的新崛起的产业技术。但毕竟起步较晚，相比国外成型先进的技术，我国的这项技术仍有待完善提高。
1.2温室大棚CO2监控系统国内外研究现状
人类对于温室大棚监控的应用始于很早的时期。在早期，环境调控只是来自种农民的经验，用以调控改善其中的较差环境来保护作物。早期的手段包括人工的加热以防止低温，密封以增加二氧化碳的浓度。在二战以后，该项技术走向机械化，引入了调温仪和环境控制盒。在20世纪70年代后，伴随计算机技术的变强，温室大棚二氧化碳监控技术也得到了长远的发展。CCS(计算机控制系统)取代了环境控制盒。
国外的温室设施已发展到高度成熟的阶段，以日本、美国，荷兰、英国、以色列为代表，已形成了一定的技术标准。上述国家都着力发展集约化的大规模温室，同时监控着温室内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度，湿度，气压等，并都实现了计算机调控。韩日的园艺农业等设施的相关技术相当发达，集约化大棚应用的相当广泛。整个温室面积领先于世界其他地区。这两个国家，尤其是南韩早在20世纪90年代初，就使得使用环境控制的园艺农业设备占比超过10%。有微型超级大国之称的以色列则在40年前就已更新了三代二氧化碳监控系统，实现了智能化滴灌，施肥并保证了环境的湿度和二氧化碳浓度。有郁金香之国美誉的荷兰，该项技术发展更早，于20世纪70年代就研发出了计算机环境控制系统。英国也为农作物环境控制投入相当数量的资金技术，先后将遥感技术、CAN、WSN技术投入到其中。在ISIE’98国际大会上，上述国家已将温室大棚内气候调节，植物所需养料供给连成整体，已可以实现无线控制。
温室控制系统技术在中国起步较晚，1980年后期才有相关研究。1997年中国农业大学关于温室大棚自动化控制的项目，其他科研机构也在逐步建立温室大棚监控系统框架。近10年这项在我国发展迅速,并从有线技术发展到无线技术。于此同时生物农业科学的发展也给这项技术提供了助力。PingPing Lee、Flow Leaf与2007年研究黄瓜叶片光合速率模型；李天来研究了番茄不同二氧化碳浓度中生成有机物量不同；Vencent Xu 构建了基于人工智能网络的光合作用模型，确定了试验模型参数，提供了多个光合作用原型。Kanghua Jin研究出在暗反应中农作物呼吸作用受二氧化碳浓度的影响。李瑶考证出湿度和二氧化碳浓度对农作物的影响。这些都给这项迅猛发展中的技术提供生物科学基础。
范薇设计了无线二氧化碳监测技术，根据每日的时间和温度，为农作物和花卉提供不同浓度的二氧化碳。刘一光搭配温光耦合技术开发了基于WSN的无线温室大棚二氧化碳控制仪。但应该清楚地认识到，我国的温室大棚二氧化碳浓度监控技术，比之世界先进水平，仍然需要发展。该类监控设备主要依赖于自反馈调节系能，做不到环境与网络的内涵与外延，还不能称得上是真正的智能化、无线化。而本文的研发，综合了前人的成果，为的是突破传统温室大棚二氧化碳监控系统的缺点，更多的考虑到作物在不同时段所需的二氧化碳浓度，并使用了、LCD1602显示屏，制作了智能的终端，是一次CO2监控系统可视化智能化的积极尝试。
目前共有5大类二氧化碳浓度检测系统：
1.泵吸氏气体检测仪：其运作方式是气泵被电源所带动对待检测区域的气体加以抽气采样选取，随后将样本信息传送至单片机处理。此类检测仪的优点是：检测速度灵敏，可以远距离检测二氧化碳信息。
2.扩散式气体检测仪：工作原理是随着空气的布朗运动而将样本送入仪表进行检测。这种仪器易受检测环境影响，优点是成本较低。
3.分光式气体浓度检测仪：使用光源照射样本，得到一定带宽的准单色光。根据红外传感器在经过滤光片后转变的电压信号来得出能量参数和温度参数，来进行气体定量分析。
1.3温室大棚CO2监控系统技术特点
本文所开发的系统是以单片机为核心，与LCD1602屏、采集器、控制器进行通信，实时显示信息。终端触控屏用主控制器发送指令给子控制器，控制执行电机对CO2的浓度进行控制，在此之后采集器将信息反馈到LCD1602液晶显示屏和控制器，上位机的LCD1602屏幕处理完数据后，通过RS485把数据传到LCD1602显示屏，并实时显示。
本系统针对中国家庭种植户规模小，水平不够高的现状设计。着力于实时监控CO2浓度监控，根据测来的数据与该植物相应生长期CO2的环境因子的峰值谷值做比较。当LCD1602显示屏的示数大于所需的二氧化碳峰值时，打开相应的通风稀释设备，并启动报警装置，提醒农民注意进行检查；当LCD1602显示屏的二氧化碳浓度示数小于最小值时，打开二氧化碳气瓶，及时补充所需二氧化碳（气肥），从而使植物始终处于较好生长趋势，同时兼顾效率性经济性。这一切反馈操作都可通过LCD1602屏幕的实时显示数据则实现了可视性，比过往温室大棚的二氧化碳监测系统有了一定的进步性。系统采用了人脑和电脑相结合，人工和自动相匹配，运行简单可靠，设备价格低廉，控制的核心是单片机。
本设备既可以用于二氧化碳监测，同时有可调控温室大棚的二氧化碳浓度。软件弹性很大，各设备间可以灵活通信。
1.4温室大棚CO2监控系统课题研究的内容
主要工作任务：在对各类CO2传感器原理介绍的基础上根据实际的任务，要求确定系统芯片、CO2传感器芯片、液晶显示芯片选型；完成CO2模块、显示模块、报警模块、显示模块的程序编写。系统开始工作后如果发现当前的CO2超限，则发出报警信号；未超限时，系统显示正常的CO2值。
（1）掌握CO2系统电路工作原理与结构特点。
（2）画出原理框图，正确叙述工作原理。
（3）实现对现场CO2的采集与显示及告警功能。
（4）配备复位按钮，当单片机工作不正常时，可以复位至初始状态
系统的主要性能技术指标为:
（1）测温范围: 0-4000ppm
（2）温度测量精度: ±50ppm±5%
（3）设置下限报警值200ppm，当CO2超限时发出报警信号
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