人工氣候箱模擬氣候環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案

　　人工氣候箱是把無法控制的大自然環(huán)境搬進實驗室，實現(xiàn)人為地通過計算機實施模擬自然環(huán)境中與生物生長發(fā)育有關的溫度，濕度和光照三大主要因素，創(chuàng)造局部人工氣候，尋求各種農(nóng)作物的最佳生長條件，探索其生長發(fā)展的規(guī)律，培養(yǎng)新品種，獲取優(yōu)質穩(wěn)產(chǎn)，高產(chǎn)的新技術。在計算機輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術中，人工氣候箱是農(nóng)業(yè)科學研究的有效工具。
　　本文介紹的人工氣候模擬系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、測控電路和軟件系統(tǒng)構成。在研制人工氣候箱的過程中，廣泛的應用到了傳感技術和單片機技術。
　　1 傳感系統(tǒng)的組成
　　氣候箱內的環(huán)境主要由溫度、濕度、光照三個參數(shù)來衡量。由各自的傳感器來獲取這三個參數(shù)，通過傳感器將非電量溫度、濕度和光照轉換成連續(xù)變化的模擬量。這樣在系統(tǒng)的信號采集部分設計了三個探測環(huán)境參數(shù)的探頭：
　　1.1 溫度探頭
　　根據(jù)實際情況選用了NTH5D153A熱敏電阻，它的性能參數(shù)如下：
　　標稱電阻-15 000歐   B常數(shù)-4 100
　　溫度系數(shù)--4.6    最大允許功率-0.56W
　　熱時間常數(shù)-20秒    使用環(huán)境溫度--30~+125℃
　　1.2 濕度探頭
　　采用不用電熱清洗的氧化鋅-五氧化二鉻陶瓷濕敏元件。該濕敏元件的電阻率幾乎不隨溫度改變，老化現(xiàn)象很小，長期使用后電阻變化只有百分之幾。元件的響應速度快，（0~100）%RH時，約10秒，濕度變化±20%時，響應時間僅2秒；吸濕和脫濕時幾乎沒有濕滯現(xiàn)象。
　　1.3 光照探頭
　　采用硅光電池，將光照參數(shù)轉換成光電流。該元件靈敏度高，穩(wěn)定性好，輸出電流與光亮度成線性關系。在自然光條件下，其光電流約為0.1~10mA,可經(jīng)前置放大器輸出完成放大和I/U轉換。
　　2 測控電路
　　由于所用到的熱敏電阻和濕敏電阻的電阻值相對溫度變化是對數(shù)關系。為了軟件設計的方便，應用對數(shù)二極管使其等間隔表示，因此，輸出端都需要與對數(shù)二極管相連。然后通過前置放大電路輸出。而硅光電池的輸出本身是線性度好，可直接連接前置放大器。再通過零點調節(jié)電路和靈敏度調節(jié)電路送ADC0809進行A/D轉換。通過主控芯片8031,測得的數(shù)據(jù)在這里分兩路輸出：一路送顯示器，采用三片三位半LED顯示，分別顯示當前的溫度、濕度、光照參數(shù)。另一路數(shù)據(jù)通過與存儲器的標準預設值比較，如果超過誤差范圍則反饋到控制設備如加濕器、加熱管等，調節(jié)環(huán)境參數(shù)以適應實際需要。
　　電路各模塊的組成如圖1所示。

　　圖1 測控電路的組成原理
　　溫度模擬自然環(huán)境中一天24小時溫度變化規(guī)律，把一年四季不同時間的溫度值預設在存儲器中，誤差為±0.5℃。在主控在測得環(huán)境溫度與標準溫度相比，差值越過±0.3℃時，執(zhí)行加熱/制冷，實現(xiàn)反饋控制。
　　由濕度傳感器檢測濕度值實際是氣候箱內的相對濕度，自然環(huán)境中的相對濕度一般在30%~80%之間。環(huán)境相對濕度低于預設標準相對濕度1%時，由8031啟動加濕器；反之啟動干燥風扇進行風干。
　　采用模擬光源，可按要求（春，夏，秋，冬）設定光照時間。照度按模擬自然規(guī)律變化。采用與陽光光譜接近的可調亮度多個白熾燈組合光源，按設定時間開/關各組光源，模擬自然光由弱→強→弱→暗→弱，周而復始。其開關時間及亮度均由單片機控制。
　　3 模塊化程序設計
　　結合硬件電路的設計，對環(huán)境參數(shù)的調節(jié)由軟件控制，以達到模擬自然環(huán)境的效果。軟件設計中加入了以下任務：
　　（1）調換標準溫度、濕度、光照參數(shù)；
　　（2）數(shù)據(jù)采樣、濾波及處理；
　　（3）鍵盤輸入及顯示輸出功能；
　　（4）報警功能；
　　（5）實時時鐘計時功能。
　　在總體設計的的程序模塊基礎上，注入采用中斷服務程序，子程序調用或直接相連等，各模塊程序的結構如圖2所示。

　　圖2 人工氣候箱應用軟件結構框圖
　　4 結束語
　　本系統(tǒng)經(jīng)過長期測試和觀察，運行良好，對人工氣候箱的各種參數(shù)設定計累了一定的經(jīng)驗，對指導科學農(nóng)業(yè)有一定的實際意義。隨著傳感器和計算機技術的進步，以及對氣候認識模型的進一步深化，人工氣候箱的設計將更加接近真實自然效果。