温室温度湿度控制.docx

1、温室温度湿度控制电子技术课程设计综述随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管 理因素是温湿度控制。传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试 纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降 温等工作。这种人工测试方法费时费力、 效率低，且测试的温度及湿度误差大， 随机性大 , 温室大棚的温度控制成为一个难题。现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大 棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统， 以控制蔬菜大棚温度， 适应生产需要。它以先进的技术和现代化

2、设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生 长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。该设计即是针对这一问题 , 设计出了能够实现温湿度自动检测 ,显示,上下限报警等多 功能的温湿度监测控制系统。温室温度湿度自动控制器1.温度、湿度传感器的介绍1.1温度传感器温度传感器根据其工作原理、测温范围等可以分为许多种，主要有热电阻测温传感器 和热电偶测温传感器。通常，在温度传感器的选择中应主要考虑以下因素：(1)温度范围：具体点使用温度范围、准确度及测量误差是否能达要求。(2)使用场合：根据实际工作环境来选择也是重要条件，经常要考虑尺寸、保护套材 料、结构、安装条件、耐垫

3、、耐蚀、耐震，防爆等级等方面的问题。(3)温度响应：响应速度主要由传感器的质量、材质和体积决定，接触式传感器时间 常数愈小，温度响应速度就愈快。(4)传输方式：温度信号输出模式、读取、显示、记录、控制、报警等方式的选择。1.1.1热电阻测温传感器热电阻温度传感器测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进 行温度测量的。热电阻温度传感器大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此 外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造。热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类，用于测量 -200-500 C 范围内的温度，少数情况下，低温可测至 1K，高温达 1000C。热电阻

4、传感器由热电阻、 连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号 输出。用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好 呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。1.1.2热电偶测温传感器(1)热电偶温度传感器基本原理将两种不同材料的导体或半导体 A和 B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体 A和 B的两个执着点 1和 2之间存在温差时，两者之间便产生电动势 ,因而在回路中形成一个大电子技术课程设计小的电流 ,这种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。(2)为了保证热电偶温度传感器可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：a

5、.组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；b.两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；c.补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；d.保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。(3)温度传感器热电偶冷端的温度补偿由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重 (特别是采用贵金属时 ) ，而测温点到仪 表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶温度传感 器的冷端 (自由端 ) 延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电 偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶温度传感器的冷端移动到控制室 的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温

6、度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还 需采用其他修正方法来补偿冷端温度 t 0时对测温的影响。1.2湿度传感器湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。(1) 湿敏电阻湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在 感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻 的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点 是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。(2) 湿敏电容湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的， 常用的高分子材料有聚苯乙烯、 聚酰亚胺、 酷酸醋酸纤维等。当环境

7、湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也 发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换 性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般 比湿敏电阻要低一些。温室温度湿度自动控制器2.各电路的设计和论证2.1温度控制器图 2-1 是采用 555 时基集成电路制作的温度控制器，它具有使用元件少、制作简单等 特点，可用于热带鱼池及温室大棚等场所的温度检测与控制。该温度控制器电路由电源电路和温度检测控制电路组成。图 2-1 温度控制电路电源电路由电源变压器 T、整流二极管 VDl-VD4、电阻器 Rl 、电源指示发光二极

8、管 VLl 、滤波电容器 Cl 和稳压二极管 VS等组成。温度检测与控制电路由热敏电阻器 RT、时基集成电路 IC、电位器 RPl-RP4、电阻器 R2-R4、电容器 C2-C4、继电器 Kl 、二极管 VD5和发光二极管 VL2 组成。交流 220V电压经 T 降压、VDI-VD4整流、Cl 滤波及 VS稳压后，产生 I2V(Vcc) 直流电 压，作为 IC 的工作电源。同时，将 VLl 点亮。IC的 6脚作为基准电压端， 2脚作为温度检测控制端， 3脚为控制输出端。 RPl用来 设定温度的下限值， RP2用来设定温度的上限值。 RT的阻值随着温度的上升而下降。当监控场所的温度上升时， RT

9、的阻值变小，使 IC 的 2脚、6 脚电压升高。当温度达 到设定的上限值， IC的6脚电压将高于 2Vcc/3时，3脚输出低电平， VL2熄灭，继电器 K 释放，其常开触头将加热器的工作电源切断，监控场所的温度又开始逐渐下降。同时亿的 2脚、 6脚电压也开始下降，当温度降至设定温度的下限值、 IC的 2脚电压低于 Vcc/3 时， IC 的 3 脚又输出高电平，使 VL2点亮， K吸合，其常开触头将加热器的工作电源接通。如 此周而复始，使监控场所温度维持在设定的温度范围内。电子技术课程设计元器件选择RPl和RP2均选用多圈高精度电位器。 Rl-R4 选用 1/4W碳膜电阻器或金属膜电阻器 ,R

10、P3 和 RP4均选用合成膜可变电阻器 ,RT 选用负温度系数的热敏电阻器。 C 选用耐压值为 25V 的铝电解电容器， C2-C4选用独石电容器或涤纶电容器。 VDl-VD4均选用 1N4007型礁整流 二极管， VD5选用 1N4148型硅开关二极管， VS选用 lW、l2V 硅稳压二极管， VLl 和 VL2均 选用5mm的发光二极管， VLI选红色，VL2选绿色。 IC选用NE555时基集成电路。 K选用 l2V 直流继电器，例如 JZC-22F 等型号。2.2湿度控制器在农业科学研究及生产过程中，均需要对湿度加以控制，例如禽蛋孵化、动物饲养、 植物培植及恒温室内的湿度控制等。如图 2

11、-2 介绍的湿度控制器，能在环境湿度较大时自 动接通干燥设备的工作电源，在环境湿度较小时自动接通加湿设备的工作电源，使受控场 所的空气湿度稳定在设定的湿度范围。该湿度控制器电路由电源电路、振荡器和湿度检测电路、控制电路组成。图 2-2 湿度控制电路温室温度湿度自动控制器电源电路由电源开关 S、电源变压器 T、整流二极管 VDl-VD4、滤波电容器 Cl 、C2、 三端稳压集成电路 ICl 、限流电阻器 R6和电源指示发光二极管 VL3 组成。振荡器电路由电阻器 Rl、 R2、电容器 C3和与非门集成电路 IC2（Dl 、D2）组成。 湿度检测电路由湿敏电阻器 RS、电位器 RPl、RP2、二极

12、管 VD5和电阻器 R3 组成。 控制电路由晶体管 Vl-V4 、发光二极管 VLl 、VL2、电阻器 R4、R5、电位器 RP3和继电 器 Kl 、 m组成。接通电源开关 S，交流 220V电压经 T降压、 VDl-VD4整流， Cl 滤波、 ICl 稳压后，为 振荡器、湿度检测电路和控制电路提供 +9V电压。 +9V电压还经 R6限流后供给 VL3，使VL3点亮。振荡器通电工作后，产生频率为 2.5kHz 的振荡脉冲电压信号，此脉冲电压 （4V左右）经RPl、RS分压及 VD5整流后，经 R3加至 V3的基极。RS的阻值随着湿度的变化而变化。当环境湿度变小时， RS的阻值增大，使 V3基极

13、电 压上升。当 V3的基极电压超过 0.7V时，V3导通，使 V2和Vl 导通，V4截止， Kl通电吸 合，其常开触头接通，加湿设备 （ 加湿器等）通电工作;同时 VLlA亮，指示加湿设备正在 工作。湿度增大时， RS的阻值减小，使 V3基极的电压降低。当 V3基极电压低于 0.7V 时， V3截止， V4导通， K2 通电吸合，其常开触头接通，干燥设备 （ 抽湿机或排风扇等 ） 通电工 作;同时VL2点亮， Vl和V2截止， Kl 释放。以上工作过程周而复始地进行，即可使受控场所的湿度达到 RPl 设定的湿度标准。调节 RP2的阻值，可改变 V3 导通的灵敏度。调节 RP3的阻值，可改变 V

14、I 和 V2 导通的灵敏度。RS选用通用型湿敏电阻器， 在湿度为 30%时，其对应阻值大于或等于 lOMn;湿度为 50% 时，其对应阻值应小于 200k; 湿度为 90%时，其对应阻值小于或等于 10k。元件选择RPl和 R甩应选用小型有机实心电位器 ;RP3选用合成膜电位器或可变电阻器。 VDl-VD4 均选用 1N4007型硅整流二极管， VD5选用 2A 凹或 2APlO型锗普通二极管， VLl-VL3 均选 用3mm的高亮度发光二极管。 Vl 和V4选用S8050或3DGl2、C8050型硅 NPN晶体管， V3 选用 3DG6或 S9013型硅 NPN晶体管， V2选用 S9012

15、或 3CG2l型硅 PNP晶体管。 ICl 选用电子技术课程设计LM7809或 CW7809型三端稳压集成电路， IC2 选用 CD401l 或 MCl401l、CC4011型四与非门 集成电路。 Kl 和 K2均选用 JRX-l3F 型 6V 直流继电器。2.3电源稳压电路采用整流桥堆 UR，及二极管正极和正极接在一起，负极和负极接在一起，其它的两个 头接在一起，组成方形。在电源电路中我们首先通过变压器将 220V 降压，然后再利用整 流桥堆 UR对降压后的的交流电进行整流，得到一个稳定的脉冲电压，然后利用电容 C1对得到的脉冲电压进行滤波，这里用到的电容滤波属于初步的滤波。电容滤波的原理：

16、滤波电容的作用是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压，其工作 原理是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放 电的过程中，使输出电压基本稳定。滤波电容容量大，因此一般采用电解电容。图 2-3 整流滤波电路当U 2为正半周并且数值大于电容两端电压 UC时，二极管 D1和 D3管导通， D2和 D4 管截止，电流一路流经负载电阻 RL，另一路对电容 C充电；当 UCU 2 ，导致 D1和 D3管反 向偏置而截止，电容通过负载电阻 RL放电， UC按指数规律缓慢下降。当U 2为负半周幅值变化到恰好大于 UC时，D2和 D4因加正向电压变为导通状态， U2再 次对 C充电

17、， UC上升到U 2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时 D2和 D4变为截止， C 对 RL放电， UC数规律下降；放电到一定数值时 D1和 D3变为导通，重复上述过程。 RL、C 对充放电的影响电容充电时间常数为 RDC，因为二极管的 Rd很小，所以充电时间常数小， 充电速度快； RLC为放电时间常数，因为 RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因 此，滤波效果取决于放电时间常数。电容 C 愈大，负载电阻 RL愈大，滤波后输电压愈平 滑，并且其平均值愈大。温室温度湿度自动控制器2.4温度、湿度超限报警器该温度、湿度超限报警器电路由温度检测电路、湿度检测电路和报警电路组成图 2-4 温度

18、、湿度超限报警器温度检测电路由热敏电阻器 RT（作为温度传感器）、电位器 RP3、RP4和非门集成电 路 IC1（Dl D6）内部的 D4D6组成。湿度检测电路由湿度检测电极 a、b（作为湿度传 感器）、电位器 RP1、RP2、IC1 内部的 Dl D3组成。报警电路由发光二极管 VL1 VL4、 电阻器 RIR3、晶体管 V、音效集成电路 IC2 和扬声器 BL 组成。RP1用来设定湿度下限值， RP2用来设定湿度上限值， RP3用来设定温度下限值， RP4 用来设定温度上限值。当湿度在设定的湿度范围内时， Dl 和 D3均输出高电平， VL1和 VL2 均处于截止状态， V不导通， IC2

19、 不工作， BL不发声。当湿度超过设定湿度的上限值时， 电极 a、b 之间的阻值变小，使 RP2的中点电位低于 27V，D2输出高电平， D3输出低电 平， VL2发光，指示棚内湿度过大；同时 V导通， IC2通电工作， BI，发出报警声。当棚 内的土壤湿度低于设定湿度的下限值时，电极 a、b 之间的阻值变大，使 RP1中点电位高 于2.7V，Dl 输出低电平， VL1点亮，指示棚内湿度偏小；同时 V导通， IC2通电工作， BL 发出报警声。当温度在设定的温度范围内时， D4和 D6均输出高电平， VL3和vu 均处于截止状态，电子技术课程设计V不导通， IC2 不工作， BL不发声。当温度

20、超过设定温度的上限值时， RT的阻值减小，使 RP4中点电位低于 2.7V，D5输出高电平， D6 输出低电平， VL3点亮，指示棚内温度偏高； 同时 V导通， IC2 通电工作， BL发出报警声。当温度低于设定温度的下限值时， RT的阻值 增大，使 RP3中点电位高于 2.7V ，D4输出低电平， VL3点亮，指示棚内温度偏高：同时 V 导通， IC2通电工作， BL发出报警声。元器件选择R1R3 选用 1/4W 金属膜电阻器或碳膜电阻器， RT选用 MF51型负温度系数热敏电阻 器。RP1RP4均选用有机实心电位器。 C选用耐压值为 10V的铝电解电容器。 VL1 VL4均 选用 5mm的

21、发光二极管。V 选用 S8550或 C8550、3CG8550型硅 PNP晶体管。ICl 选用 CD4069 或 CC4069、MC14069型六非门集成电路， IC2 选用 LC179 型三声模拟音效集成电路。 BI 选 用 0.25W、8 的电动式扬声器。 S选用小型单极拨动式开关。 CB使用 3节 5号干电池。电 极 a、b 铜丝或不锈钢丝制作，两电极之间距为 1012cm。3.方案的设计和比较3.1整体方案采用 555 时基集成电路制作的温度、湿度自动控制器 , 它能根据被监控场所内、外的 温度和湿度变化，自动控制排风扇或通风扇或风机的运转与停止 , 从而保证被监控所的温 度和湿度稳定

22、在设定值范围内。系统功能示例：当测温电路测出适时温度超过 25时，启动换气电路； 且当温度达到 30启动报警系 统。同理，当测温电路测出适时温度低于 20 时，启动加热电路，且当温度低于 15时， 启动报警电路。当温度在 20到 25 之间时，测湿系统测出适时湿度低于 70%RH时，启动 浇水系统。只有当温度在 20 到 25 之间，同时湿度在 70%RH以上时，系统不工作。该电 路可调节温度检测电路中的 RP，即调节温度检测电路的基准温度值，同理，又可调节湿度 检测电路中的基准湿度值，以适应在不同环境的需要。该温度、湿度自动控制器电路由电源稳压电路、温度与湿度检测电路和控制执行电路 组成，如

23、图 3-1温室温度湿度自动控制器3-1 温度湿度自动控制电路图电源稳压电路由电源变压器T、整流桥堆 UR、滤波电容器 Cl-C3 、三端稳压集成电路ICl 和电源指示灯 HLl 等组成。温度与湿度检测电路由热敏电阻器 RTl、RT2、湿敏电阻器 RSl、RS2、控制开关 S、电 位器 RPl、RP2、二极管 VD1、VD2和电阻器 Rl-R6 等组成。控制执行电路由时基集成电路 IC2、继电器 K、电源输出插座 XS、指示灯 HL、二极管 VD3、VD4、电位器 RP3、电容器 C4、C5和电阻器 R7等组成。交流 220V电压经 T降压、 UR整流、 Cl 滤波及 ICl 稳压后为 +l2V

24、 ，供给温度、湿度检 测电路和控制执行电路。电路中， RTl 为室外大气温度检测用热敏电阻器， Rm为室内温度检测用热敏电阻器，RSl 为室外大气湿度检测用湿敏电阻器， RS2为室内湿度检测用湿敏电阻器。 S为温度、湿 度调节/ 室内外温度、湿度自动判别比较转换开关。10电子技术课程设计lC2 的 5脚为基准电压 (5.03V) 端，6 脚为触发控制端， 3 脚为输出端。当监控室内的 温度和湿度在设定范围伪时， IC2 的 6 脚电压高于 5 脚电压时， 3 脚输出低电平，继电器 K 不吸合。当监控室内的温度和湿度超过设定值时， IC2 的 6脚电压将低于 5脚电压， IC2 的内 电路翻转，

25、 3脚输出高电平，使 K吸合，其常开触头 Kl-l 和 Kl-2 均接通，排风扇和通风 机工作，直到监控室内的温度和湿度回到设定的范围内，RPl用来设定监控室内的温度值 ;R 陀用来设定监控室内的湿度值。调试时，应将 S置 于调节位置，然后分别调节 RPl和RP2的阻值。使用时，将 S置于 自动位置即可。调整 RP3的阻值，可改变 K 动作的灵敏度。元器件选择Rl-R6均选用 1/4W精密金属膜电阻器， RTl和Rm选用MF53系列或 MF57系列的负温 度系数热敏电阻器， RSl和 RS2均选用 MSOl系列的湿敏电阻器， RPl和 RP2选用小型实心 电位器或合成膜电位器 ;RP3选用密封

26、式可变电阻器。 Cl 选用耐压值为 25V 的铝电解电容 器， C5选用 16V的铝电解电容器， CZ-C4选用独石电容器或涤纶电容器。VDl-VD4均选用 1N4148型硅开关二极管。 UR选用lA、5OV的整流桥堆。I0 选用LM7812 或 W7812型三端集成稳压器， IC2 选用 NE555时基集成电路， T 选用 5-8W、二次电压为 18V 的电源变压器， K 选用带双组触头的 l2V 直流继电器。3.2比较方案如图 3-2 所示温度湿度自动控制电路电源电路由电源变压器 T、整流二极管 VDl-VD4、熔断器 FU、电阻器 Rl-R6 、电容器 Cl-ClO 和三端稳压集成电路

27、ICl 、IC2 组成。温度检测电路电阻器 R7-Rll 、Rl7-R2l 、温度传感器 ( 热敏电阻器 )RTl 、RT2、电位器 RPl、RP2和运算放大集成电路 IC3(Nl-N4) 组成。加热/通风控制电路 (温度控制电路)由电阻器陀 l 、R23、电位器 RP3、RP4和晶闸管 VTl、VT2组成。11温室温度湿度自动控制器温度异常报警电路由电阻器 Rl2-R16、R37-R44、电容器 Cl5-C23 、二极管 VD5、VD6、 稳压二极管 VS、时基集成电路 IC6、功率放大集成电路 IC7 和扬声器 BL 组成。湿度检测 / 喷灌控制电路由湿敏电阻器 RSl、RS2、电阻器 R

28、24-R36、R45、 R46、电容 器 Cll-C14 、电位器 RP5-RP7、二极管 VD7、VD8、晶体管 Vl-V4 、时基集成电路 IC4 、运算 放大集成电路 IC5（N5、 N6、和继电器 K 等组成。R7、R8分压后产生的 +25.8V 电压，作为温度异常报警电路上限温度的基准电压 ;RlO 、 Rll 和 RPl 分压后产生的 +2OV电压，作为温度异常报警电路下限温度的基准电压。当大棚 内温度低于 30时，运算放大器 Nl 输出低电平 ;温度高于 30时， Nl 输出高电平。当大 栅内温度低于 15时， N2输出高电平 ;温度高于 l5T 时， N2输出低电平。在大棚内温

29、度超过 30C或低于 l5 时， VS两端将产生 l2V 直流电压，使 IC6 与外围 阻容元件组成的振荡器振荡工作， IC6第3脚输出的振荡信号经 IC7放大后，驱动 BL发出 报警声。R17、R18分压后产生的 +24V 电压，作为温度控制电路上限温度的基准电压 ;R2O、R2l 和 RP2分压后产生的 +22.2V 电压， 作为温度控制电路下限温度的基准电压。 当大棚内温度 高于 2O时，N3输出低电平 ; 在温度低于 2O时，N3输出高电平。当大棚内温度低于 25 时， N4输出低电平 ; 在温度高于 25时， N4输出高电平。当大棚内温度在 20-25 范围内时，加热 / 通风电路均

30、不工作。若温度低于 20K时，则 N3输出的高电平使 VTl 受触发而导通， 加热器 EH通电工作，使大棚内温度升高 ; 若温度高 于 25时，则 N4 输出的高电平使 VT2 受触发而导通，换气扇电动机 M通电工作，使大棚 内温度降低。IC4和外围阻容元件组成低频振荡器。 该振荡器工作后，从IC4 的3脚输出频率为 2OOHz 左右的振荡信号，为湿敏电阻器 RSl、RS2和 lC5 提供工作条件 （ 湿敏电阻器通常工作在 频率低于 lkHz 的交流状态下 ） 。在大棚内湿度低于 50%时， N6输出的振荡信号电压较高， 该电压经 VD7和 VD8检波变成直流电压，使 Vl 导通，V2和 V3

31、截止， V4导通， K吸合，其 常开触头将电磁水阀 YV的工作电源接通，喷灌设施开始喷灌。当大棚内湿度高于 70%时，N6输出的振荡信号电压较低，使 Vl 截止， V2和 V3导通， V4截止， K释放，电磁水阀 YV 断电停止喷灌。1213电子技术课程设计图 3-2 温度湿度控制器温室温度湿度自动控制器该方案优点：由电源电路、温度检测电路、加热 / 通风控制电路、温度异常报警电路、湿度检测 /喷 灌控制电路组成，可对大棚或温室内的温度、湿度进行自动检测和控制，将温度、湿度保 持在一个合适的范围内。若温度偏低，则加热装置工作 ; 若温度偏高，则通风设备工作。 若湿度低于 50%，则喷灌装置工作

32、 ; 若湿度达到或超过 70%，喷灌装置停止工作，起到很好 的控制作用。该方案缺点：构成比较复杂，所用元件较多，一旦电路中某环节出现错误将会对整个电路的功能产生很大影响，且检查排除故障不易。综合考虑上述两个方案，选用第一个方案作为此次的设计方案。14电子技术课程设计课程设计心得体会通过本次设计，我熟悉了一个电子控制系统的设计过程，为毕业设计打下了一定的基 础。在设计的过程中，我摸索着尝试文献的检索，读到了一些专业的学术论文和刊物，收 获不小。画电路图时，我学习使用了仿真模拟软件 Multisim ，方便的操作激发了我对这个 软件的兴趣，决心要好好学习它，将来在自己做仿真模拟去验证课本上的理论知识。第一 次做课程设计，很是迷茫，不知从何入手，我花费大量时间，通过上网、泡