本發(fā)明涉及一種植物培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)，尤其是基于單片機(jī)的植物培養(yǎng)箱的智能控制系統(tǒng)和控制方法。

背景技術(shù)：

植物組培是設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的重要節(jié)點(diǎn)，溫度、濕度、光照、CO₂是影響植物組培最重要的外界條件。目前植物組培所采用的熒光燈光源，其發(fā)射的帶狀光譜與植物選擇性吸收光譜不完全匹配，用于植物組培補(bǔ)光，針對(duì)性差、光效低，發(fā)熱量大，能耗高；加溫裝置以電加熱方式為主，但電加熱元件多為旁熱式電熱管、電熱板，存在熱慣性大、轉(zhuǎn)化效率低、儲(chǔ)能高等不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種光譜符合植物生長(zhǎng)需要、溫度溫度、能耗低的基于單片機(jī)的植物培養(yǎng)箱的智能控制系統(tǒng)和控制方法，具體技術(shù)方案為：

基于單片機(jī)的植物培養(yǎng)箱的智能控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)模塊、檢測(cè)模塊、環(huán)境控制模塊、存儲(chǔ)模塊和輸入輸出模塊，所述檢測(cè)模塊、環(huán)境控制模塊、存儲(chǔ)模塊和輸入輸出模塊均與單片機(jī)模塊連接；所述單片機(jī)模塊保存運(yùn)行程序，同時(shí)完成培養(yǎng)箱內(nèi)部環(huán)境參數(shù)信息的采集和存儲(chǔ)，單片機(jī)模塊再將收到的信息在內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算和與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，從而做出相應(yīng)的判斷，最后再根據(jù)判斷的結(jié)果輸出報(bào)警信號(hào)和通過(guò)環(huán)境控制模塊調(diào)控培養(yǎng)箱內(nèi)部的環(huán)境；所述檢測(cè)模塊用于檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO₂濃度；所述環(huán)境控制模塊用于控制培養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO₂濃度；所述存儲(chǔ)模塊保存程序運(yùn)行參數(shù)、當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的情況記錄和歷史數(shù)據(jù)；所述輸入輸出模塊用于設(shè)置參數(shù)和實(shí)時(shí)顯示培養(yǎng)箱內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)。

優(yōu)選的，所述單片機(jī)模塊包括MSP430F149單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路；所述晶振電路包括一個(gè)12MHz的晶振和兩個(gè)30pf的電容，通過(guò)晶振的振蕩提供需要的時(shí)鐘信號(hào)；所述復(fù)位電路為上電復(fù)位。

優(yōu)選的，所述檢測(cè)模塊包括溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO₂傳感器和濕度傳感器。

其中，所述溫度傳感器為PT100，溫度傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)放大電路與A/D轉(zhuǎn)換器連接；所述光照強(qiáng)度傳感器為SM3560M，光照強(qiáng)度傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)換電路與A/D轉(zhuǎn)換器連接；所述CO₂傳感器為SM6070B，CO₂傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)模塊連接；所述濕度傳感器為SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，溫濕度傳感器與單片機(jī)模塊連接。

優(yōu)選的，所述輸入輸出模塊為觸摸屏，所述觸摸屏通過(guò)RS232與單片機(jī)模塊連接。

優(yōu)選的，所述環(huán)境控制模塊包括加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和CO₂濃度系統(tǒng)。

其中，所述加熱系統(tǒng)包括均與固體繼電器連接的加熱器和加熱風(fēng)扇，加熱風(fēng)扇將將培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)加熱；所述加濕系統(tǒng)包括固體繼電器和加濕鍋爐，所述加濕鍋爐與固體繼電器連接，加濕鍋爐通過(guò)管道將蒸汽送入培養(yǎng)箱內(nèi)部；所述光照系統(tǒng)包括固體繼電器和LED燈，所述LED燈與固體繼電器連接；所述固體繼電器均與單片機(jī)模組的PWM控制器連接；所述的制冷系統(tǒng)包括制冷機(jī)組和制冷風(fēng)機(jī)，所述制冷機(jī)組和冷風(fēng)機(jī)均與電磁繼電器連接，制冷風(fēng)機(jī)對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)制冷；所述CO₂濃度系統(tǒng)包括電磁繼電器、電磁閥和CO₂氣瓶，所述電磁繼電器與電磁閥連接，所述電磁閥與CO₂氣瓶連接；所述電磁繼電器均與單片機(jī)模組的連接。

優(yōu)選的，所述LED燈是三基色燈即包含紅光、白光、藍(lán)光三種顏色的燈，所述紅光的波長(zhǎng)為600nm-700nm，藍(lán)光的波長(zhǎng)為400nm-500nm，三種光源是分別與固態(tài)繼電器連接完成光照強(qiáng)弱的控制。

基于單片機(jī)的植物培養(yǎng)箱的智能控制方法，包括以下步驟：

S1系統(tǒng)啟動(dòng)，通電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

S2參數(shù)設(shè)置，在觸摸屏上選擇參數(shù)設(shè)置，根據(jù)植物培養(yǎng)的需要設(shè)置溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO₂濃度以及運(yùn)行時(shí)間；

S3溫度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出溫度檢測(cè)指令，溫度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度，然后將檢測(cè)的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)模塊發(fā)出降溫控制信號(hào)，通過(guò)電磁繼電器啟動(dòng)制冷機(jī)組和制冷風(fēng)機(jī)，制冷風(fēng)機(jī)對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)制冷，降低空氣的溫度，當(dāng)檢測(cè)的溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)，單片機(jī)模組發(fā)出升溫控制信號(hào)，通過(guò)PWM控制器對(duì)加熱器和加熱風(fēng)扇進(jìn)行控制，加熱風(fēng)扇對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)加熱，提高空氣的溫度；

S4濕度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出濕度檢測(cè)指令，濕度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的濕度，然后將檢測(cè)的濕度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的濕度與設(shè)定的濕度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的濕度低于設(shè)定的濕度時(shí)，單片機(jī)模組發(fā)出加濕控制信號(hào)，通過(guò)PWM控制器對(duì)加濕鍋爐進(jìn)行控制，將冷水燒成蒸汽送入到培養(yǎng)箱內(nèi)部提高空氣的濕度，當(dāng)檢測(cè)的濕度高于設(shè)定濕度時(shí)，單片機(jī)模塊發(fā)出除濕控制信號(hào)，通過(guò)電磁繼電器啟動(dòng)制冷機(jī)組和制冷風(fēng)機(jī)，制冷風(fēng)機(jī)對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)制冷，通過(guò)降溫除濕來(lái)降低空氣的濕度；

S5光照強(qiáng)度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出光照強(qiáng)度檢測(cè)指令，光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的光照強(qiáng)度，然后將檢測(cè)的光照強(qiáng)度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的光照強(qiáng)度與設(shè)定的光照強(qiáng)度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的光照強(qiáng)度與設(shè)定光照強(qiáng)度不同時(shí)，單片機(jī)模塊發(fā)出光照強(qiáng)度控制信號(hào)，通過(guò)PWM控制器對(duì)LED燈進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度；

S6二氧化碳濃度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出二氧化碳濃度檢測(cè)指令，二氧化碳濃度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的二氧化碳濃度，然后將檢測(cè)的二氧化碳濃度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的二氧化碳濃度與設(shè)定的二氧化碳濃度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的二氧化碳濃度低于設(shè)定的二氧化碳濃度時(shí)，單片機(jī)模組發(fā)出電磁閥控制信號(hào)，通過(guò)電磁繼電器打開(kāi)電磁閥，將二氧化碳?xì)馄恐械亩趸技尤氲脚囵B(yǎng)箱內(nèi)部提高空氣的二氧化碳濃度。

其中，所述步驟S3和S4中溫度和濕度的控制均采用PID調(diào)節(jié)，根據(jù)PID的輸出量控制PWM波的占空比，從而達(dá)到控制溫度和濕度的穩(wěn)定性；所述步驟S5中三種光源是通過(guò)獨(dú)立的固態(tài)繼電器完成光照強(qiáng)弱的控制，根據(jù)設(shè)定的光照強(qiáng)度進(jìn)行單獨(dú)控制或交叉控制；所述步驟S6中電磁閥的開(kāi)啟為點(diǎn)開(kāi)啟即開(kāi)啟時(shí)間很短，通過(guò)多次開(kāi)啟逐漸提高二氧化碳濃度，防止二氧化碳濃度過(guò)沖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的基于單片機(jī)的植物培養(yǎng)箱的智能控制系統(tǒng)和控制方法操作方便、功能齊全、高效節(jié)能，且具擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境中光照、溫度、濕度和CO₂濃度等參數(shù)智能模擬和控制，溫度、濕度控制系統(tǒng)采用的PID控制方式，溫度的最大絕對(duì)誤差1℃、濕度最大相對(duì)誤差控在±5%，實(shí)現(xiàn)恒定的溫度和濕度場(chǎng)，光照強(qiáng)度和CO₂濃度控制精確，滿足植物的生長(zhǎng)需要。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)通過(guò)實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

基于單片機(jī)的植物培養(yǎng)箱的智能控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)模塊、檢測(cè)模塊、環(huán)境控制模塊、存儲(chǔ)模塊和輸入輸出模塊，所述檢測(cè)模塊、環(huán)境控制模塊、存儲(chǔ)模塊和輸入輸出模塊均與單片機(jī)模塊連接；所述單片機(jī)模塊保存運(yùn)行程序，同時(shí)完成培養(yǎng)箱內(nèi)部環(huán)境參數(shù)信息的采集和存儲(chǔ)，單片機(jī)模塊再將收到的信息在內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算和與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，從而做出相應(yīng)的判斷，最后再根據(jù)判斷的結(jié)果輸出報(bào)警信號(hào)和通過(guò)環(huán)境控制模塊調(diào)控培養(yǎng)箱內(nèi)部的環(huán)境；所述檢測(cè)模塊用于檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO₂濃度；所述環(huán)境控制模塊用于控制培養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO₂濃度；所述存儲(chǔ)模塊保存程序運(yùn)行參數(shù)、當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的情況記錄和歷史數(shù)據(jù)；所述輸入輸出模塊用于設(shè)置參數(shù)和實(shí)時(shí)顯示培養(yǎng)箱內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)。

優(yōu)選的，所述單片機(jī)模塊包括MSP430F149單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路；所述晶振電路包括一個(gè)12MHz的晶振和兩個(gè)30pf的電容，通過(guò)晶振的振蕩提供需要的時(shí)鐘信號(hào)；所述復(fù)位電路為上電復(fù)位。

優(yōu)選的，所述檢測(cè)模塊包括溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO₂傳感器和濕度傳感器。

其中，所述溫度傳感器為PT100，溫度傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)放大電路與A/D轉(zhuǎn)換器連接；所述光照強(qiáng)度傳感器為SM3560M，光照強(qiáng)度傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)換電路與A/D轉(zhuǎn)換器連接；所述CO₂傳感器為SM6070B，CO₂傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)模塊連接；所述濕度傳感器為SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，溫濕度傳感器與單片機(jī)模塊連接。

優(yōu)選的，所述輸入輸出模塊為觸摸屏，所述觸摸屏通過(guò)RS232與單片機(jī)模塊連接。

優(yōu)選的，所述環(huán)境控制模塊包括加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和CO₂濃度系統(tǒng)。

其中，所述加熱系統(tǒng)包括均與固體繼電器連接的加熱器和加熱風(fēng)扇，加熱風(fēng)扇將將培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)加熱；所述加濕系統(tǒng)包括固體繼電器和加濕鍋爐，所述加濕鍋爐與固體繼電器連接，加濕鍋爐通過(guò)管道將蒸汽送入培養(yǎng)箱內(nèi)部；所述光照系統(tǒng)包括固體繼電器和LED燈，所述LED燈與固體繼電器連接；所述固體繼電器均與單片機(jī)模組的PWM控制器連接；所述的制冷系統(tǒng)包括制冷機(jī)組和制冷風(fēng)機(jī)，所述制冷機(jī)組和冷風(fēng)機(jī)均與電磁繼電器連接，制冷風(fēng)機(jī)對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)制冷；所述CO₂濃度系統(tǒng)包括電磁繼電器、電磁閥和CO₂氣瓶，所述電磁繼電器與電磁閥連接，所述電磁閥與CO₂氣瓶連接；所述電磁繼電器均與單片機(jī)模組的連接。

優(yōu)選的，所述LED燈是三基色燈即包含紅光、白光、藍(lán)光三種顏色的燈，所述紅光的波長(zhǎng)為600nm-700nm，藍(lán)光的波長(zhǎng)為400nm-500nm，三種光源是分別與固態(tài)繼電器連接完成光照強(qiáng)弱的控制。

實(shí)施例2

基于單片機(jī)的植物培養(yǎng)箱的智能控制方法，包括以下步驟：

S1系統(tǒng)啟動(dòng)，通電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

S2參數(shù)設(shè)置，在觸摸屏上選擇參數(shù)設(shè)置，根據(jù)植物培養(yǎng)的需要設(shè)置溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO₂濃度以及運(yùn)行時(shí)間；

S3溫度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出溫度檢測(cè)指令，溫度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度，然后將檢測(cè)的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)模塊發(fā)出降溫控制信號(hào)，通過(guò)電磁繼電器啟動(dòng)制冷機(jī)組和制冷風(fēng)機(jī)，制冷風(fēng)機(jī)對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)制冷，降低空氣的溫度，當(dāng)檢測(cè)的溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)，單片機(jī)模組發(fā)出升溫控制信號(hào)，通過(guò)PWM控制器對(duì)加熱器和加熱風(fēng)扇進(jìn)行控制，加熱風(fēng)扇對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)加熱，提高空氣的溫度；

S4濕度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出濕度檢測(cè)指令，濕度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的濕度，然后將檢測(cè)的濕度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的濕度與設(shè)定的濕度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的濕度低于設(shè)定的濕度時(shí)，單片機(jī)模組發(fā)出加濕控制信號(hào)，通過(guò)PWM控制器對(duì)加濕鍋爐進(jìn)行控制，將冷水燒成蒸汽送入到培養(yǎng)箱內(nèi)部提高空氣的濕度，當(dāng)檢測(cè)的濕度高于設(shè)定濕度時(shí)，單片機(jī)模塊發(fā)出除濕控制信號(hào)，通過(guò)電磁繼電器啟動(dòng)制冷機(jī)組和制冷風(fēng)機(jī)，制冷風(fēng)機(jī)對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)部的空氣進(jìn)行循環(huán)制冷，通過(guò)降溫除濕來(lái)降低空氣的濕度；

S5光照強(qiáng)度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出光照強(qiáng)度檢測(cè)指令，光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的光照強(qiáng)度，然后將檢測(cè)的光照強(qiáng)度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的光照強(qiáng)度與設(shè)定的光照強(qiáng)度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的光照強(qiáng)度與設(shè)定光照強(qiáng)度不同時(shí)，單片機(jī)模塊發(fā)出光照強(qiáng)度控制信號(hào)，通過(guò)PWM控制器對(duì)LED燈進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度；

S6二氧化碳濃度的控制，單片機(jī)模塊發(fā)出二氧化碳濃度檢測(cè)指令，二氧化碳濃度傳感器檢測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)部的二氧化碳濃度，然后將檢測(cè)的二氧化碳濃度信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對(duì)當(dāng)前的二氧化碳濃度與設(shè)定的二氧化碳濃度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的二氧化碳濃度低于設(shè)定的二氧化碳濃度時(shí)，單片機(jī)模組發(fā)出電磁閥控制信號(hào)，通過(guò)電磁繼電器打開(kāi)電磁閥，將二氧化碳?xì)馄恐械亩趸技尤氲脚囵B(yǎng)箱內(nèi)部提高空氣的二氧化碳濃度。

其中，所述步驟S3和S4中溫度和濕度的控制均采用PID調(diào)節(jié)，根據(jù)PID的輸出量控制PWM波的占空比，從而達(dá)到控制溫度和濕度的穩(wěn)定性；所述步驟S5中三種光源是通過(guò)獨(dú)立的固態(tài)繼電器完成光照強(qiáng)弱的控制，根據(jù)設(shè)定的光照強(qiáng)度進(jìn)行單獨(dú)控制或交叉控制；所述步驟S6中電磁閥的開(kāi)啟為點(diǎn)開(kāi)啟即開(kāi)啟時(shí)間很短，通過(guò)多次開(kāi)啟逐漸提高二氧化碳濃度，防止二氧化碳濃度過(guò)沖。