一种温室大棚智能控制系统-j9九游会真人

文档序号:35596357发布日期:2023-09-27 19:09阅读:16来源:国知局


1.本实用新型涉及智能大棚技术领域,具体是一种温室大棚智能控制系统。


背景技术:

2.理解:随着科学技术的不断提升以及人们对美好生活的向往,相关的农业种植生产不仅要维持蔬菜等相关产品的供应力度,还要能够提升市场蔬菜所供应的品类和质量,而温室大棚智能控制系统就是解决这一突出问题现象的方案。温室大棚智能控制作为农业生产生活中的基本设施,它可以根据环境参数的感知去适当调节温室大棚内部的温度、湿度、空气二氧化碳浓度以及光照强度等对温室大棚内生物生长影响的关键因素,来实现大棚作物的高质量和高产量。同时,为大棚种植的生物提供反季节性的生长环境以及最适合该生物生长的适宜环境。
3.从目前发展状况来看,大多数使用的还是传统的种植模式来管理控制大棚,需要依靠人工力量和经验来判决。普遍的存在着自动化程度不高、调节能力差、转化效率低等问题。


技术实现要素:

4.针对上述情况,为克服现有技术的缺陷,本实用新型提供一种温室大棚智能控制系统,有效的解决了大棚自动化程度不高、调节能力差、转化效率低的问题。
5.一种温室大棚智能控制系统,包括控制模块、监测模块和驱动设备,其特征在于,控制模块包括单片机,监测模块包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、烟雾气敏传感器、led灯,驱动设备包括排风扇、水泵和舵机,所述单片机分别连接温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、烟雾气敏传感器、led灯、液晶显示屏、排风扇、水泵和舵机。
6.优选的,所述光照传感器连接外置芯片后再连接至单片机,烟雾气敏传感器连接外置芯片后再连接至单片机,所述水泵和单片机之间连接有继电器。
7.优选的,所述单片机型号为stc15w4k,湿度传感器型号为dht11,温度传感器型号为ds18b20,烟雾气敏传感器型号为mq-2,二氧化碳传感器型号为ndir,舵机型号为sg90,外置芯片型号为pcf8591,液晶显示屏型号为lcd12864。
8.优选的,所述单片机为u1,所述单片机u1的引脚p54连接复位电路的p54,p54的另一端连接电阻r、电容c、开关s,电阻r的另一端接gnd,电容c和开关s的另一端接vcc,单片机u1的引脚p17连接晶振电路的xtal1,xtal1连接电容c、石英振荡器y,电容c2的另一端连接gnd,单片机u1的引脚p16连接晶振电路的xtal2,xtal2连接石英振荡器y的另一端、电容c,电容c连接gnd。
9.优选的,所述外置芯片为u2,所述外置芯片u2的引脚p20和引脚p21接单片机u1的引脚p20和引脚p21,u2的引脚16接电容c7、电容c8的一端,电容c7和电容c8的另一端接gnd,u2的引脚14接vcc,u2的引脚5、引脚6、引脚7、引脚8、引脚12和引脚13接gnd。
10.优选的,所述led灯有八个,led灯连接锁存器74hc573,锁存器为u3,所述u3的引脚p00、引脚p01、引脚p02、引脚p03、引脚p04、引脚p05、引脚p06、引脚p07分别连接u1的引脚p00、引脚p01、引脚p02、引脚p03、引脚p04、引脚p05、引脚p06、引脚p07,u3的led0、led1、led2、led3、led4、led5、led6、led7分别连接八个led灯。
11.优选的,所述u1连接排风扇模块u4,排风扇模块u4连接排风扇的开关,u4为 5vcc、接gnd,其dout连接发光二极管的负极,放大器的输出端,电容c1的一端,发光二极管的另一端连接电阻r3,电阻r3接vcc、放大器电源正极,放大器的反相输入端接电阻r2和气敏电阻,气敏电阻连接vcc和电阻r1,aout连接电阻r2和气敏电阻。
12.优选的,所述led灯连接有补光灯模块。
13.具有如下技术效果:
14.本实用新型的温室大棚智能控制系统综合采用电子技术、计算机技术、传感器技术、控制技术等现代化先进技术和农业相关知识进行融合,以提升温室大棚智能化,自动化,便捷化。通过实现温室大棚的智能感知自动控制来更加科学的解决问题。
附图说明
15.附图用来提供对本实用新型的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型,并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
16.图1为本实用新型控制系统整体设计图。
17.图2为本实用新型硬件电路模块示意图。
18.图3为本实用新型单片机、复位电路、晶振电路、电源开关、引脚电路图。
19.图4为本实用新型电源处理电路图。
20.图5为本实用新型外置芯片电路图。
21.图6为本实用新型led灯电路图。
22.图7为本实用新型排风扇电路图。
23.图8为本实用新型led灯补光电路图。
24.图9为本实用新型按键电路图。
具体实施方式
25.有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点与功效,在以下配合参考附图1至图9对实施例的详细说明中,将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的内容,均是以说明书附图为参考。
26.下面将参照附图描述本实用新型的各示例性的实施例。
27.本实用新型基于单片机设计了温室大棚智能控制系统,实现温室大棚内部各项环境参数自动监测、能够根据实际状况判断阈值,自动调节控制,进而实现了自动化、科技化、智能化。本系统的控制系统整体设计图如图1所示,由监测模块、控制模块以及驱动设备三部分组成,在此要说明的是,本实用新型不对软件程序编程、改进,只设计硬件连接及电路连接。
28.监测模块设备主要使用各类传感器进行监测。温度传感器、湿度传感器来监测大棚内部种植农作物本身区域土壤的温湿度状况和整个大棚内部的温湿度状况;使用光照传
感器对农作物接受太阳照射的情况进行监测;使用二氧化碳浓度传感器来反馈大棚内部整体环境的二氧化碳浓度情况判断是否适合。
29.将反馈回来的这些数据传入到控制模块进行数据处理,因为需要监测参数的类型各不相同,所以使用的通信协议和数据格式也不相同。这就需要核心处理控制单元去适配各种各样的传感器协议和解析不同种类的数据格式。
30.在环境参数感知和数据处理分析后,就要进行控制决断。根据获取的数据与提前设定的阈值进行比较,判断是否需要采取相应的控制行为。主要控制的驱动设备由排风扇、水泵、舵机卷动等方式。
31.温室大棚智能控制系统是依靠单片机为整体控制系统,还包括总体电路控制系统、供电控制系统设计、有led指示灯的路线设计系统,有对各种外来数据收集分析和处理的adc数字模拟量转换电路设计系统和各种数据通信电路设计系统,还有数据可视化输出电路设计等等。总体硬件设计电路电源由外部适配器供电,再由电源稳压降压处理模块对总体系统进行供电,主要总体控制就是由外部各种设备采集数据,收集、分析、处理,最后在进行外部可视化输出,通过按键控制进入两种不同的模式进行实际操作。
32.具体连接设计为:一种温室大棚智能控制系统,包括控制模块、监测模块和驱动设备,控制模块包括单片机,监测模块包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、烟雾气敏传感器、led灯,驱动设备包括排风扇、水泵和舵机,单片机分别连接温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、烟雾气敏传感器、led灯、液晶显示屏、排风扇、水泵和舵机。
33.光照传感器连接外置芯片后再连接至单片机,烟雾气敏传感器连接外置芯片后再连接至单片机,水泵和单片机之间连接有继电器。
34.单片机型号为stc15w4k,湿度传感器型号为dht11,温度传感器型号为ds18b20,烟雾气敏传感器型号为mq-2,二氧化碳传感器型号为ndir,舵机型号为sg90,外置芯片型号为pcf8591,液晶显示屏型号为lcd12864。
35.单片机为u1,单片机u1的引脚p54连接复位电路的p54,p54的另一端连接电阻r、电容c、开关s,电阻r的另一端接gnd,电容c和开关s的另一端接vcc,单片机u1的引脚p17连接晶振电路的xtal1,xtal1连接电容c、石英振荡器y,电容c2的另一端连接gnd,单片机u1的引脚p16连接晶振电路的xtal2,xtal2连接石英振荡器y的另一端、电容c,电容c连接gnd。
36.该电路中的电阻r、电容c、开关s只指在该电路中电路图中所连接的元器件。
37.外置芯片为u2,外置芯片u2的引脚p20和引脚p21接单片机u1的引脚p20和引脚p21,u2的引脚16接电容c7、电容c8的一端,电容c7和电容c8的另一端接gnd,u2的引脚14接vcc,u2的引脚5、引脚6、引脚7、引脚8、引脚12和引脚13接gnd。
38.led灯有八个,led灯连接锁存器74hc573,锁存器为u3,所述u3的引脚p00、引脚p01、引脚p02、引脚p03、引脚p04、引脚p05、引脚p06、引脚p07分别连接u1的引脚p00、引脚p01、引脚p02、引脚p03、引脚p04、引脚p05、引脚p06、引脚p07,u3的led0、led1、led2、led3、led4、led5、led6、led7分别连接八个led灯。
39.u1连接排风扇模块u4,排风扇模块u4连接排风扇的开关,u4为 5vcc、接gnd,其dout连接发光二极管的负极,放大器的输出端,电容c1的一端,发光二极管的另一端连接电阻r3,电阻r3接vcc、放大器电源正极,放大器的反相输入端接电阻r2和气敏电阻,气敏电阻
连接vcc和电阻r1,aout连接电阻r2和气敏电阻。
40.led灯连接有补光灯模块。
41.核心控制芯片选用了stc15w4k58s4系列芯片控制整个温室大棚智能控制系统,再通过各种外置传感器对外界信息进行采集和处理,之后通过需求按下各个功能所对应的按键实现所需功能。
42.1. 使用传感器感知到被测量的数据,并且能将被测量的数据按照一定的规律转换成可用输出信号,包括大棚内空气温湿度、土壤温湿度以及光照强度等影响植物生长的参数。
43.感应外界光源变化选用了光照传感器模块进行数据采集,通过感应外界光源强度变化使光敏电阻阻值也进行变化,之后通过pcf8591外置芯片将数据进行转换后发送到单片机上。采集外界温湿度使用了dht11温湿度传感器模块直接读取其采集数据。采集温度使用ds18b20温度传感器对外界温度进行采集。对外界氨气检测选用了mq-2烟雾气敏传感器模块也是通过外置pcf8591芯片把数据进行处理后传输到主控芯片上。对外界二氧化碳浓度的检测使用了二氧化碳传感器ndir红外模组可以高精度的感应外界二氧化碳的浓度变化。
44.2. 可视化输出选用了lcd12864液晶显示屏模块将采集的数据进行对外输出。
45.3. 对大棚的打开与关闭选用了sg90舵机进行转动控制,可以很好的实现具体功能。对大棚内的水流灌溉使用了水泵抽取水流进行自动灌溉,增加了继电器来控制水泵,这样使用起来更加的安全和可靠。使用排气扇加速大棚内气体流动可以实现快速降温功能。系统总体运行是通过按键进行功能选择,控制外部设备实现相对应功能。硬件总体电路结构如图2所示。
46.单片机总体系统是经过各部分组合而成的,其中构成单片机的最小系统是通过核心控制芯片、复位控制电路和晶振控制电路互相联合而构成的。本系统所使用的是stc15w4k58s4单片机。外部时钟电路选用了11.0592兆赫兹的晶振作为时钟生成模块,再分别使用两个22皮法的电容支撑整个电路的起振。外部复位按键电路采用最为通用的外部按键rst引脚复位方式,而且单片机p54引脚上就存在着外部引脚的复位功能,将i/o连接到外部复位按键引脚上,就可以实现系统复位的功能。它是通过电源模块处理后可直接为单片机供电。
47.单片机引脚及电源外引图如图3所示,这里把单片机的所有引脚都进行了二次引出,目的是为了方便各种扩展和调试的使用,最后还预留了一些3.3v、5v、gnd电源类的引脚,这样就可以便于其他外设部件的加入和提供电源和公共地端。
48.选用了9v1a的电源直流适配器为总体系统的电能来源。然后再选用稳定性较好,且可靠性比较高的dc005头作为总体系统和外界电源的交集口,最后在通过自锁开关对总体电路是否通断电源进行控制。如图3所示。
49.对于整个电路电源降压和稳压处理部分,本项目分别使用ams公司的ams177-5v和ams177-3.3v这两种通常使用的电源降压芯片对总体电路的电源进行降压和稳压的处理。如图4是电源部分处理原理图。
50.因为系统所选用的stc15w系列的单片机是拥有四路完全独立的和高速异步串行通信端口,并且它还可以在有需要的时候对其进行定向复用和转移到其他的i/o口进行使
用的功能,当在对其进行分时切换复用时也是可以被充当九组串口来使用的。
51.又为了适应和避免其他外部通信元器件所使用不同电压的问题,还特意在串口三的p00、p01和串口四的p02、p03端口设计时提供了双路供电跳线帽和单路选择的模式。又考虑到在平时实时使用过程中,依据被通信元器件使用的耐受电压,只需要在硬件的层次进行调整跳线帽的选择,然后就可以随意的选择5v或者3.3v供电方式。如图4所示,把该芯片所有的串口引脚包括串口一的定向复用引脚都依据统一vcc、gnd、rxd、txd的顺序引出到外界接口可以方便随时进行使用。
52.由于外界所采集到的数据主要是数字量数据和模拟量数据,因为数字量数据是可以直接被单片机芯片的i/o口分析、收集和进行处理,但是模拟量数据是需要特定的方式进行ad或da转换才可以能够被单片机系统所识别,对于外部需要进行的数模转换要求,这里选用了pcf8591芯片,由于这个芯片拥有4个模拟量到数字量的转换能力和还有1路的数字量到模拟量的转换功能,而且是可以对于精度进行调节的,所以选用了通过i2c的通信协议将数据传送给单片机主控芯片。如图5所示,c8和c7分别使用了100nf的普通电容和10uf的电解电容,用于对芯片所产生的高频部分进行了滤波处理,最后所得到的数据由p20和p21这两个i/o口对芯片进行直接通信。
53.因为整个系统的设计和调试过程中想要直观的反应出程序是否能够正常运行下去,所以需要用不同的显示来表现出程序所运行到的位置。这里根据本项目的需求和芯片的控制能力,系统就使用了8个led灯作为本系统的各种反应指示灯。但是这里又考虑到主控芯片i/o口的使用过多和防止冲突死锁,所以就使用了74hc573硬件锁存器来控制i/o口再对led的亮灭进行控制。如图6所示的锁存器中的le门为锁存器的控制门经过芯片i/o口的p12进行控制,对灯光的控制信号通过芯片的p1端口输出,在p12的相互配合下控制锁存器的打开或关闭,最终实现了对led的实时控制,但是又因为led灯没有办法直接经受5伏的电平进行使用,因此在led的后面增加了330欧姆左右的电阻进行分压处理,才得以将电压降低到适合的范围保证led正常的长时间使用。
54.温度传感器相连的led灯为供电电源指示灯,与光敏电阻相连的两个led灯,分别表示电源指示灯,和补光灯;与氨气检测模块相连的是电源指示灯,与继电器相连的两个led灯,打开电源时,红灯亮起表示通电,为电源指示灯,当打开水泵时,继电器绿灯亮起,表示水泵开始工作;与温度传感器相连的led灯是电源指示灯,通电时,红灯亮起。与单片机 相连的两个led灯分用来显示供电电源的电压情况,判断是输出5v还是3.3v的供电电源。
55.本系统可以通过监控端对大棚的执行设备进行控制,执行设备主要包括:sg90舵机、水泵、排风扇以及补光灯等设备。
56.本次设计中选用的电机为sg90作为驱动控制模块,它的自动化程度较高,同时兼具稳定性好的优点。它与数字电机最大的区别便是,整个系统为其提供不间断的控制脉冲,舵机可以维持一个很好的角度并且能够维持下去。
57.连接线路总共是三条,其中供电线路为 5v左右的vcc,对应于红色的线路,棕黑色的线路是gnd用作接地线,信号的控制与信号的输出是暗橙色的线路,他们分别与基于arm架构的stm32系列的芯片上,分别于p10端口,用于高电平的供电,p12端口用于信号的输出。
58.大棚内的水流灌溉采用了水泵自动抽水灌溉。本实用新型选用的是微型隔膜泵,它的工作原理是利用内部驱动模块,持续不断的做圆周运动,对内部的空气进行了压缩。
59.该模块将会和继电器相连接,它使用的供电电压大概也是5v左右。它的工作原理是,通过主控芯片给其提供一定的信号,这种信号本质上是与电流的相互作用,类似放大器一样,给一个较小的电流输入,控制电路将这种小的电流进行放大。他具体有三个作用:调整、保护与转换。简而言之就是保护电路和转换信号。主控芯片对水泵的控制本质上是通过芯片对继电器的控制,它使用的i/o口是gpio,输出的电压大概是在3.3v左右,此时该模块的1引脚和4引脚大概的电压是1v不到,负载上是没有电流通过的,此时继电器的线圈要同时接地。还要在他的反方向接上一个二极管,此时继电器就可以作为水泵运行的控制开关了。
60.生长在大棚里的蔬菜也需要人为的调节其内部的二氧化碳的浓度,可以通过排风扇模块对大棚内的气体加以控制。本实用新型也采用两种模式,手动方式和自动模式。手动方式较为简单,只需要设置特定的按键便可以实现排气风扇的开启和关闭。自动模式依托于二氧化碳浓度传感器,根据浓度的变化决定是否开启,同时辅助的发光二极管,以发光的信号作为室内气体浓度高低的依据。vcc作为上拉电源,为每一个元器件上接一个供电端口,其中一个重要的信号转换机制就是,二氧化碳浓度的高低,对其电阻值的大小进行改变,流经电路的电流也随之发生改变,二极管的发光强度也会随之发生变化。另外,浓度的变化也会触发排风扇的开与关,它的控制原理是:室内的气体浓度是否达到临界值,在此之前,与之相连的p3端口,输出的是低电平,当达到临界值便会将其转换为高的电平信号,以此作为触发排风扇的开关。其部分电路原理图如图7所示。
61.该模块的设置主要是补光作用,延长蔬菜的光合作用,使其能够更好的生长,将种植和收获这个周期进行缩短,以便于农业从事者有更好的收益。本实用新型使用光敏电阻来动态的调整阻值的大小,来改变发光的强度。
62.(1)设定光照强度下限阈值1500勒克斯和上限阈值2000勒克斯;
63.(2)采集光照强度g,如果g≤1500时,唤醒该功能;
64.(3)补光程序唤醒后,继续采集当前光照强度g;
65.(4)判断光照强度g和设定阈值1500、2000的关系,当g《1500时,发送补光灯开启指令;当g≥2000时,发送补光灯关闭指令。光照强度的判断依赖于光敏电阻的判断。
66.在本实用新型中,传感器模块组对大棚环境进行感知,将得到的参数传到由stc15w4k58s4系列的芯片组成的单核心控制模块,根据得到的参数,控制执行设备对环境进行调控。在对总体供电方面也进行了巧妙的设计,使整体使用更加的合理和安全。对数据的收集也选用了外置的独立芯片pcf8591使其采集能力更加快速且稳定性更高,添加了led灯便于系统的调试和使用,增加了系统的可调式性和可视性。
67.本实用新型利用stc15w系列的单片机为控制核心,使用各种传感器以及智能设备,设计出一套性能稳定、价格低廉的智能大棚控制系统。可对大棚内农作物的生长环境进行实时监测,数据的采集、分析和处理,提供最佳方案,从而为农作物提供有利的生长条件。当大棚内温度过高或者光照强度过高时自动开启大棚和排气扇对大棚内进行物理降温,数据实时更新当温度达到合适状态后又自动关闭大棚和排气扇。对土壤湿度数据进行采集,如果湿度过低将自动打开水泵进行自动灌溉,数据实时更新当湿度达到合适的状态后又自动关闭水泵。也可对植物的光照强度数据进行采集,如果光照不足将自动打开补光灯进行补光,数据实时更新当光照达到合适的状态后又自动关闭补光灯。本系统除了使用自动控
制外也增加了按键控制,使整体系统使用起来更加的人性化和实用化。
68.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制,在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本实用新型的保护范围应有所附的权利要求来限定。
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