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1、大棚温度湿度控制器设计摘要：温室是蔬菜大棚生产中必不可少的设施之一，不同种类蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，本设计就是控制大棚的温湿度，为它们提供一个良好的生存环境，给我们带来巨大的经济效益。关键词：传感器、温湿度、控制电路、温度报警电路Abstract: Greenhouse production of greenhouse vegetables are an essential facilities, different types of vegetables, such as temperature and humidity on the growth of the ne
2、cessary requirements are not the same, the design is to control the greenhouse temperature and humidity, to provide them with a good the living environment, has brought us huge economic benefits. Key words: sensors, temperature and humidity, control circuit, temperature alarm circuit1 引言随着改革开放，特别是90
3、年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主植物栽培设施栽培在大江南北遍地开花，随着政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是21世纪最具活力的新产业之一。温室是蔬菜等植物在栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类的蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，从而可以通过提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温
4、室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：(1) 手动控制：这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上
5、的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。(2) 自动控制：这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降
6、温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时作出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。(3)智能化控制：这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能
7、越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。为了满足人们在寒冷季节也能吃上新鲜蔬菜的需要，虽然广大的大棚种植产业带来巨大的经济效益,大棚栽培技术得到空前的发展，但随之而来也出现了温度、湿度难以控制的问题。温度和湿度作为常用的环境参数，对动植物的生长、物理化学的反应以及人体的舒适程度都有着较大影响，温度湿度测控系统在工农业生产、智能家居以及人工环境等领域有广泛的应用前景。本电路可以使大棚的温度和湿度自动控制在 一个合适的范围内，实验证明该系统的成本低、可靠性高，有着很高的实用价值。2、控制系统方案选
8、择21、方案一：本方案我们主要采用模拟电路设计,电路主要分为以下几个主要的组成部分,电源电路、温度检测电路、加热、换气电路、温度报警电路、自动浇水电路五各单元电路,电路中利用了温度、湿度等传感器,大大的提高了测量的精确度,本方案中当温度、湿度传感器检测到温度湿度超过设定的标准值时候，电路中就会自动的进行加热和浇水，是农作物生长在一个良好的环境中系统的框图如下图1所示：图1方案一 系统框图22、方案二：本方案利用集成温度传感器MAX6613和集成湿度传感器IH3605作为检测元件，结合ADuC824，构建温湿度监控系统的方法，该系统可以方便地实现温度、湿度的实时控 制，无纸记录及语音报警，还可与
9、上位机(PC机)通信，实现温度、湿度的打印、分析等功能。 温湿度监控系统的硬件原理如图2所示：图 2方案二系统框图由单片机系统(含键盘、液晶显示器、数据存储器和通信接口)、集成温度传感器MAX6613、集成湿度传感器IH3605、实时时钟、语音系统及加热、加湿、通风装置等几部分组成， ADuC824高性能微转换器，它在单个芯片内集成了双路高精度-ADC、程控增益放大器PGA、8位 MCU、8KB闪速/电擦除程序存储器、640B闪速/电擦除数据存储器、256B数据RAM以及定时器/计数器等功能部件，指令系统与8051兼容。特 别是两个独立的-ADC，其主、辅助通道的分辨率分别为24和16位，具有
10、可编程自校正功能。另外，还有一个通用UART串行 I/O，一个与I2C兼容的二线串口和SPI串口，一个看门狗定时器(WDT)，一个电源监视器(PSM)。其性能完全可以满足系统的需求。键盘用于设定温度、湿度的上、下限报警范围及控制值，设定采样时间间隔，调整系统时间。液晶显示器采用一体化封装的液晶显示模块TC1602A，用于显示 温度、湿度的上、下限值，控制值和当前值，模块内的控制驱动器型号为HD44780，可以方便地与ADuC824进行接口。由于系统需要无纸记录温度、湿度值，因此外扩一片容量为4MB的AT29C040A Flash EPPROM，在写入过程中无需编程高压和紫外线照射，具有硬件和软
11、件两方面的数据保护，可防止其内容免遭意外改写，使用十分方便。通信接口电路主要由双路RS232数据收发器MAX232芯片组成，只需+5V电源供电即可工作。上位机(PC机)通过通信接口调用温度、湿度值，以用于打印或分析。2.3、系统控制方案确定通过以上两个方案的比较分析我们可以知道方案一和方案二都可以实现对大棚温度湿度的控制和调节，同时方案一具有自动浇水的功能，而且还可以扩展以下两个功能， （1）热能存储电路可利用太阳能转换装置将之转化为电能储存。当夜间温度过低时，再起到和上述加热装置一样的功能。（2）远距离报警功能在意外事故发生致使温度持续下降时，需要及时报警，唤醒在家 休息或在外工作的棚主赶来
12、处理。报警装置由一发射器和接收器组成。接收器平时由棚主带 在身上，可做得很小，棚主在一公里的范围内可接收发射器发出的提示音信号。方案二设计的原理虽然很容易的实现，设计的功能也比较的齐全但是我们可以通过具体的控制框图2-2以知道它所要求的芯片的型号和外部硬件比较的高，成本也很高不能很好的推广，我们设计中要求的是实用而且很容易掌握的方案，在广大的农村农民用户种植中不需要编程等一系列的专业的技术学习，这就更加符合我们的种植农户的要求，相比与方案一的专业要求就有了不可代替的优势，而且在芯片应用等方面，方案一的芯片购买的比较的方便，而方案二所需要的一些芯片价格比较的昂贵，要求的外部硬件条件也比较的高，比
13、如方案二中要求系统采用MAX6613和IH3605作为温度、湿度传感器，使其监控的实时性、控制的精确性得到了提高；同时，由于选用了ADuC824，它能保证系统自动从死机状态恢复到正常工作状态，但是要求有相关的电脑操作技能，这些方面方案一相比于方案二都具有一定的优势。但是方案一在自动控制方面不如方案二，方案二具有更好的自动控制功能，综合以上几点我们选择方案一作为我们的设计方案，因为方案一不仅成本低而且比较的容易制作和操作，适合我们的大面积的推广。在方案一系统功能简介：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
14、，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。3 温度、湿度传感器介绍3. 1 热敏电阻器温度传感器基本特性：电路中主要采用了热敏电阻做为主要的传感器，以下主要介绍热敏电阻及热敏二极管和热敏晶体管的特性与参数。热敏电阻器可以从结构、材料和阻温特性等多方面进行分类。按结构形状分类：片状、垫圈状、杆状、管状、薄膜状、厚膜状和其他形状。
15、按加热方式分类：直热式和旁热式。按阻温度范围分类有：常温、高温和超低温热敏电阻器。图3 几种不同类型的热敏电阻器的阻温特性曲线按阻温特性分类有：负温度系数热敏电阻器(NTC)，图41中曲线2；开关型正温度热敏电阻器(PTC)，图3中曲线4；缓变型正温度系数热敏电阻器(PTC)，图3中曲线5；临界负温度系数热敏电阻，图3中曲线3；铂电阻器限温度曲线如图3中曲线1。1、热敏电阻器的电阻温度特性热敏电阻的阻温特性是指实际电阻值与电阻体温之间的依赖关系，这是热敏电阻 图3 几种不同类型的热敏电阻器的基本特性之一,其阻温特性曲线见图3。PTC开关型正温度系数热敏电阻器的阻温特性曲线(图3曲线4)。室温至
16、居里温度以下的一段温度范围内，表现出和一般半导体相同的NTC特性。从居里点开始，电阻值急剧上升到某一温度附近达到最大值。 PTC热敏电阻器的居里温度TC以通过掺杂来控制。如在BaTio3中掺杂Pb，可使Tc向高温方向移动，在BaTio3中掺入Sr或Sn等元素后，可使TC向低温方向移动。可根据需要调整居里点TC。热敏电阻器的实际阻值用RT来表示。是在一定环境温度下，采用引起阻值变化不超过0.1的测量功率所测得的电阻值。实际电阻值又称为零功率电阻值，或称为不发热功率电阻值(冷电阻值)。实际电阻值的大小取决于电阻器的材料和几何形状。热敏电阻器的实际阻值与其自身温度有如下的关系：NTC热敏电阻器 RT
17、ReB/T (410)PTC热敏电阻器 RTR0eAT (411)式中：RT一一温度T时的实际电阻值； R、R0一与电阻几何形状和材料有关的常数 B、A一一材料常数。为了使用方便，通常取环境温度为25作为参考温度，则有:NTC热放电阻器：RT/R25expB(1T1298) PTC热敏电阻器：RT/R25expA(T298)由式(4-10)和式(411)式可以求出NTC、PTC热敏电阻器的温度系数。表示温度每变化l ，电阻器实际限值的相对变化，即：NTC：aT=1/RT=dRT/Dt=-B/T2 (412)PTC: aT=A (413)可见，在工作温度范围内，负温度系数热敏电阻器的aT随温度T
18、的变化有很大的变化，并与材料常数B成正比。因此，通常在给出电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度，正温度系数热敏电阻的aT在数值上等常数A。缓变型正温度系数热敏电阻器的aT值在0.5一10%之间而开关型突变型正温度系数热敏电阻器的aT可达到60或更高。材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特性的个参数又称为热灵敏度指标。在工作范围内，B值并不是一个严格的常数，随着温度的升高而略有增大。一般说来，B值大的电阻率也高。不同B值的材料有不同的用途，如普通负温度系数热敏电阻的材料常数B值在2000一5000 K之间。负温度系数热敏电阻器B值可按下式计算：B=2.303T1T2/(T2-T1)10R1/
19、R2 (414)正温度系数的电阻器，其A值按下式计算：A=2.3031/(T1-T2)10R1/R2 (415)式中，R1相R2分别为热力学温度T1和T2时的电阻值。2热敏电阻器的热性能(1)耗散常数H 耗散常数H定义为温度每增加一度所耗散的功率。它用来描述热敏电阻器工作时，电阻体与外界环境进行热交谈的一个物理量。耗散常数H与耗散功率P。温度改变量AT的关系为： H=P/T （W/） (416)H的大小与热敏电阻器的结构、所处环境的媒质种类、运动速度、压力和导热性能等有关，当环境温度改变时，H有变化。(2)热容量和时间常数热敏电阻器具有一定的热容量C，因此它具有一定的热情性也就是温度的改变需要
20、一定的时间。当热敏电阻器被加热到了T2温度时，放到温度为T0的环境中，不加电功率，热敏电阻器开始降温，其温度T是时间t的函数，在t时间内热敏电阻器向环境耗散的热量可标示为：H（T-T0）t，这部分热量是由热敏电阻器降温所提供的其值为-CT，于是就有： -CT=H（T-T0）t 上式写成微分的形式为： T-T0=-C/T(dT/dt) (417) 取初始条件t0时，TT2，解方程(417)式得： T-T0=(T2-T1)e-tH/c=(T2-T1)e-t/ (418) 式中，C/H 称为热敏电阻器的时间常数，单位为S。时间常数?可定义为：在恒定的静态条件下，热敏电阻器在无功率状态下，当环境温度由
21、一个特定温度向另一个特定湿度突然改变时，电阻体的温度变化了这两个特定温度之差的63.2所需的时间。通常将这两个特定温度选为85和25，或者100和0热敏电阻器用于测温和控温时，一般要求时间常数小。因而，热容量越小越好。按定义=C/H，当t=时，（T-T0）/（T2-T0）=e-1=36.8%,则：（T2-T）/（T2-T0）=63.2% （419）式中：T2、T0为两个特定温度，T为测试温度。3热敏电阻器的伏安特性电压电流行性表示在特定温度下，热敏电阻器两端的电压与通过电阻体的稳态电流之间的关系，即伏安特性。伏安特性与热敏电阻器的结构形状有关，还与其阻值、材料常数从所处的环境温度、介质种类等有
22、关。PTC热敏电阻器的伏安特性曲线如图4所示，当所加电压不太高时，PTC热敏电阻的温升不高，流过PTC热敏电阻的电流与电压成正比，服从欧姆定律。随着所加电压的增加，消耗功率增加，电阻体温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。当电压增到使电流达到IMAX最大时，如电压继续增加，由温升引起的电阻值增加图4图4 PTC热敏电阻器的静态伏安特性曲线图5 负温度系数热敏电阻器的静态伏安特性曲线超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线斜率由正变负。NTC热敏电阻器的伏安特性曲线如图5所示。在开始段同PTC热敏电阻一样也服从欧姆定律。随电流增加，引起热敏电阻温升超过环境温度，则其阻值下降。耗散功率增
23、加，相应的电压变化较为缓慢，出现非线性正阻区(ab段)。电流继续增加，其电压值增大到最大值Vmax时，若电流再增加，热敏电阻自身加热剧烈使电阻值减小的速度越过电流增加的速度，热敏电阻的电压降随电流增加而降低，形成cd段的负阻区。4热敏电阻器的其他参数(1)标称电阻值尺R25标称阻值是热敏电阻器在25时的电阻值，其值的大小由热敏电阻的材料与几何尺小决定。(2)最高工作温度Tmax 在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许的温度，是热敏电阻器的最高工作温度，它的表达式为： Tmax=T0+（PR/H） (420)式中T0为环境温度；PR为环境温度时的额定功率。(3)额定功率PR 热敏电阻在
24、规定的技术条件下，长期连续工作所允许的耗散功率为额定功率，用PR表示。在此条件下，热敏电阻器自身温度不得超过Tmax。3.2、湿度传感器的分类及工作原理表示环境气氛中水蒸气含量的物理量为湿度。湿度的表示方法有两种，即绝对湿度和相对湿度（RH）。绝对湿度是指气氛中含水量的绝对值，相对湿度是指气氛中水蒸气压与同一温度下的饱和蒸汽压之比，用百分数来表示。湿度传感器或湿敏元件是指对相对湿度敏感的元件，它可以是湿敏电阻器，也可以是湿敏电容器或其他湿敏元件。3.2.1、湿度传感器的分类按感湿物理量来分类，湿度传感器可分为三大类，即湿敏电阻器、湿敏电容器和湿敏晶体管。根据使用不同的材料制成的湿度电阻器又可分
25、为：金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器，例如：MgCr2O4系列、ZnOCr2O3系列；元素材料湿敏电阻器，例如：半导体Ge、Si 、Se和C元素；化合物湿敏电阻器，如：LiCl、CaSO4、及氟化物和碘化物等；高分子湿敏电阻器等。湿敏电容器主要是多孔Al2O3材料作为介质制成。湿敏晶体管又分为湿敏二极管和湿敏三级管。3.2.2 湿敏电阻器工作原理及特性1、金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器（1）工作原理 多孔性的金属氧化物半导体陶瓷的多晶体，在晶体表面及晶粒间界处，很容易吸附水分子。由于水是一种强极性电介质，水分子的氢原子附近有很强的正电场，具有很大的电子亲和力。当水分子在半导体陶瓷表面附着时，将形
26、成能级很深的附加表面受主态，而从半导体陶瓷表面俘获电子，而在陶瓷表面形成束缚态的负空间电荷，在近表面层中将相应地出现空穴积累，因而导致半导体陶瓷电阻率的降低。另外，根据离子电导原理，结构不致密的半导体陶瓷晶粒有一定空隙，显多孔毛细管状。水分子可以通过这种细孔在各晶粒表面和晶粒之间吸附，由于吸附的水分子可离解除大量的导电离子，这些离子在水吸附层中起着电荷的输运作用。因此，虽环境湿度的增加，水分子在晶粒表面和间界大量的吸附，而引起电子电导和离子电导的加剧。半导体陶瓷而显示负感湿特性，即随着湿度的增加，材料的电阻率下降。（2）氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器的主要品种及结构金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器的
27、典型产品有：MgCr2O4 TiO2湿敏电阻器、ZnOCr2O3湿敏电阻器、ZnOLi2O3V2O5湿敏电阻器等。例如：ZnOLi2O3V2O5 湿敏电阻，是以ZnO为主要材料，在加入一价、二价、三价等其他金属氧化物烧制成陶瓷半导体材料，测量湿度范围为5%100%RH，测量精度为2%，是一种较为理想的湿敏元件，并可做成小型化，结构简单。 2、元素材料湿敏电阻器此类湿敏电阻器是元素半导体材料或元素材料制成的元件。碳湿敏电阻器是一种电阻湿度特性为正的湿敏元件。用有机物聚丙烯塑料片或棒为基体，涂布一层含有导电性碳粒的有机胶状纤维构成。此种湿敏电阻器工艺简单，便于制造。利用有机材料吸潮后，体积膨胀，碳
28、粒之间的距离增大，从而电阻值增大的原理。元素半导体湿敏电阻器是利用在陶瓷或石英基片上蒸发等元素半导体薄膜而制成，其特性为电阻值随着湿度的增大而减小的负感湿特性，可以做成较高阻值(105107)，有较好的测量精度，但工艺成品率降低，互换性差。3、化合物湿敏电阻器此类湿敏电阻器有LiCl湿敏电阻器、Fe3O4 湿敏电阻器和硫酸钙湿敏电阻器等。Fe3O4湿敏电阻器是用Fe3O4胶体做成感湿膜涂复在具有梳状电极的陶瓷基片上，由图6 Fe3O4胶体湿敏电阻器结构图 图7 Fe3O4胶体湿敏电阻器电阻湿度特性于Fe3O4胶体是由微粒组成粒子的直径约为（100250）10-8m，每个颗粒只有一个磁畴，因此，
29、同向颗粒相互吸引结合，因而不用高分子材料作胶体粘合剂，而能获得较好的性能和长的使用寿命。图6是Fe3O4胶体湿敏电阻器结构图。图7是Fe3O4湿敏电阻器电阻湿度特性曲线，表现为负感湿特性。 图8负特性湿敏电阻器时间常数曲线 图9 湿滞回线和湿滞量4湿敏电阻器的特性（1）电阻-湿度特性 湿敏电阻器的阻值随湿度变化一般是指数关系变化。当阻值随相对湿度的增大而增加时，称正的电阻湿度特性，例如碳膜湿敏电阻器；阻值随湿度的增大而减小时，称为负的电阻湿度特性，如金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻及Fe3O4 湿敏电阻器，如图8所示。 对于负电阻湿度特性的湿敏电阻器的灵敏度定义为：= R1/R2 式中：R1在25
30、，0相对湿度条件下的电阻值，一般要求R1在1M以下。R2在25，95%相对湿度条件下的电阻值，一般要求几k左右。a值越大，说明元件对相对湿度的变化越敏感。 （2）时间常数 这是衡量湿度电阻器随湿度的跃变其阻值变化速率的一个参数。当相对湿度跃变时，湿敏电阻器的阻值不能立刻达到终值，而是要经过一段时间。湿敏电阻器的阻值增加量从零变化到稳定增加量的63% 所需要的时间 称为湿敏电阻器的时间常数，也成为响应速度。图9所示的是相对湿度从60%变化到90%时间常数的确定。湿敏电阻器的时间常数越小越好。吸湿过程和脱湿过程的时间常数不一定相等。吸湿过程为相对湿度的升高过程，脱湿是相对湿度降低过程，都是指在定温
31、条件下的变化过程。（3）滞后效应 湿敏电阻器周围的相对湿度变化一个往返周期时，相应的电阻值变化曲线在吸湿和脱湿过程中并不重复，形成一个类似磁滞回线的湿滞环，如图4-7所示。图中曲线1表示从高湿到低湿的变化，曲线2表示从低湿到高湿的变化，即为滞后效应，通常也称为“变差”。这种变差越小越好。3.2.3 、湿敏电容器的工作原理及特性电容式Al2O3湿度传感器是利用多孔Al2O3 做为感湿膜而制成的湿敏器件。感湿膜的制造工艺可采用厚膜技术、涂膜技术和硅MOS等技术。当环境湿度发生变化时，多孔感湿膜中气孔壁上所吸附的水分子数量随之变化，其电特性不是一个纯电阻，也不是一个纯电容。但目前一般是利用器件的电容
32、随湿度变化而变化来测湿的。对于一个平行板电容器，其电容量C =S/4d ，一个确定的湿敏元件，电极面积S和介质厚度d是一定的，则电容量C只依介电常数随环境的变化来确定。当多孔Al2O3膜吸附水汽时，就成为水、Al2O3介质和空气的介电常数三位一体的综合参数。但由于水的介电常数为80，远大于空气的介电常数，因此C随的变化主要取决于气孔中水汽的吸附量，也就是随环境湿度而定，因此电容量随湿度增加而增加，如图10所示的C-湿度特性曲线。图10 多孔Al2O3湿度传感器的CP-RH曲线图 图11 醋酸纤维有机膜湿敏元件 1高分子薄膜；2.上电极；3.下电极 湿敏电容器的感湿特性与测试频率有关当频率较低时
33、，电容虽随湿度的变化更为明显。同时膜的厚度d越小越外。另外，由于Al2O3，膜气孔不规则，分布不均匀，会有局部聚集水分，因而器件有定滞后效应。利用某些高分子材料也可以制成电容式湿度传感器，主要利用它的吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显地改变，制成电容式湿度传感器。图4-9su是高分子薄膜式电介质电容式湿度传感器的基本结构，其介质薄膜采用于涸后成膜的醋酸纤维素，梳状电极为蒸镀上的金膜层。除醋酸纤维素外，酷酸纤维素或硝化纤维素也是较好的电介质材料。4 温度控制电路的设计4.1温度检测电路：该电路利用热敏电阻在不同的温度环境下有不同的阻值的特性。将热敏电阻放置在大棚的几个关键点，如
34、四个角、中央、门旁。当外界温度变化超过规定范围时，电路动作，实现温控。在方案电路中IC1为单电源工作的四电压比较器，通过比较器IC1-1、 IC1-2、 IC1- 3、 IC1-4四个电压比较器可以将大棚温室的四个角的温度、湿度很好的测量出来，从而确定是不是需要对电路进行加热、通风等一系列的工作操作。该检测电路如下图12 所示：图12 温度检测电路在温度检测电路中，我们需要40V的直流电压,通过40V的支流电压提供给电路中各个元器件使其正常工作,在电路中我们利用了M51920作为我们温度检测电路中的比较器，M51920是单电源工作的电压比较器，当电压通过R104,取自R105的电压分别引入两个
35、比较器，然后去和标准电压比较。根据我们任务书中电路的设计要求，我们需要检测到温室大棚四个脚的电路我们可以将IC11比较器中设置基准电压,设置单电源电压比较器IC11的反向输入基准电压为25.8V,首先确定分压电阻R105=15K然后利用串联电路的分压原理，得到该分路中电流大约为：I=20V/15K=1.3A在电源电路电压为40V的情况下，电阻R103的阻值如下式可以得到：I=40V/(R103+R104)1.3=40/(R103+15K)得到电阻：R103=8.3K为了更好的 调节基准电压的阻值我们采用可变电阻器，选用10K的可变电阻器，此时热敏电阻的温度范围大约在30。在电路IC12中，设置
36、单电源电压比较器IC12的反向输入基准电压为20V,在分压电路中我们统一确定分压电阻的阻值为15K，在电路中我们利用串联分压电路的特性可以确定热敏传感器的电阻值：RT=6.4K通过查热敏电阻的特性，我们可以去定温度范围在15左右，原理如下：在IC11中基准电压U_25.8V，温度低于30时，由于热敏电阻阻值随温度增高而降低从而是R105所分担的直流电源电压减少,所以比较电路IC11输出低电平。当温度升高超过30时，由于随着温度的升高,此时热敏电阻的阻值降低,从而是R105所分担的电压升高此时在此时IC11电路比较器中,U+25.8V，所以IC11发生跳变，输出高电平。而在IC12中，由于设置的
37、基准电压为20V,所以当基准电压U+20V，此时温室大棚内的温度大于15时，从而热敏电阻的阻值降低,比较器IC12输出低电平。当温度降至低于15时，热敏电阻的阻值升高,从而使R105所分担的电压减少,导致U_20V，所以此时IC12发生跳变，输出一个高电平。在图12温度检测电路（2）的工作原理温度检测电路（1）的原理相似，电压取自R503的电压然后分别引入两个比较器，去和标准电压比较。在IC1-3（IN3-、IN3+、OUT3）中基准电压U+=22V，温度高于20，低于25，时，IC2-1输出低电平。当温度降低过20时，此时 U-24V，IC2-2发生跳变，输出一个高电平，使换气电路工作。加热
38、、换气电路：在此电路中我们设定了温度的值在2025，当温度在2025范围内的时候，此时加热电路、换气电路处于断路状态，不工作，当温度低于2025于这个规定值时，加热电路开始动作：在加热电路中我们设置E点在18的电压为3.4V，在21的E点的电压为0.2V，在电路中利用R506的阻值为10K则3V=RP202*22.2V/(RP202+R506)得到RP202=1.5K为了更好的调节温度我们选择RP202DE阻值为4K,同理换气电路中在F点利用电路的分压特性，确定其参数在18时候，F点的电压为3.7V,在温度为21时候F点的电压为0.3V，所以利用分压电路可以得到分压电阻在2K左右，在这里我们选
39、择可变电阻器的阻值为4K，当温室大棚中温度高于2025的时候，此时换气电路开始工作，在此电路中加热电路和换气电路都自生的供应电源，电路中都应用了芯片MAC94A4，在加热电路中，温度值可以通过调节RP 501可粗调加热的跳变温度。当温度在2025范围内。加热、换气电路不工作，当温度低于或高于这个规定值时，电路动作。调节RP501可粗调加热的跳变温度。加热装置可用壁挂式电热毯或电炉子，换气装置可选用换气扇。电路如下图13:图13 加热、换气电路4.2 温度报警电路组成与原理温度报警电路主要由或门电路、振荡电路2、功率放大电路三部分组成。在本设计中三部分电路原理如下所示：(1) 或门电路：或门电路
40、图如下图14所示：图14 或门电路或门电路由R401、R402、VD401、R403、R404、VD402几个器件组成，在电路中用到了稳压管,稳压管VD403的作用是提供一个基准电压,我们设定电路中稳压管部分的基准电压在温度为35时候为2.3V；在温度为21时候电压为0V,通过设计我们可以知道利用电阻R404与R402来对二极管进行分压，计算得到R404与R402均可采用10K的电阻来完成。同时在活门电路中稳压管还能对电压进行有效的补偿,此电路中VD403就是对或门输出的信号电压进行稳压，当温度检测电路中检测到温室内的温度超过30或温度低于15的时候，温度检测电路会输出一个跳变的信号到或门电路
41、中，在A点输出一个12V的电压，同时将电压信号传到振荡电路2中去，从而使振荡电路继续工作。(2) 振荡电路2：电路原理图如图15所示：图15振荡电路2设计出功率放大器中扬声器的工作频率在4500HZ左右，然后利用功率放大器的作用发出信号，从而是扬声器工作。从或门电路中输入的信号在振荡电路的工作的过程中可以设定电容器C402的阻值为0.22u,根据公式可以得到NE555芯片的振荡频率fr2 fr2=1.44/R*C402得到电阻R的阻值在2K左右所以当我们设定电阻R406的阻值为0.5K时得到电阻RP401的阻值为1K,从得到了频率为4363HZ的频率，在这个频率范围内，放大电路中的扬声器可以工
42、作，在时钟电路中为了控制扬声器中音量的大小可以利用，芯片NE555中脚输出高电平的占空比，可以通过调节变阻器RP401来决定扬声器的音调的大小。此振荡电路中用到了芯片NE555，或门电路中输出的12V电压，该电压经可变电阻RP401、电阻R406时对电容C402进行充电，由于NE555的芯片功能所决定可以知道，当电位上升至23VCC时，NE555芯片开始复位。在NE555振荡电路中，芯片NE555的脚输出低电平，同时内部放电管与脚相连通，在电路工作过程中电容C402通过电阻R406向芯片脚放电，由于电容放电可以得知电容的电压VC402开始下降，当电容C402的电压VC402下降至l3VCC时，
43、芯片NE555的脚输出高电平，此时芯片NE555中的放电管截止，从而当放电结束。当第一轮工作结束后电容C402又开始放电充电，不断的使电路继续工作，从而形成的振荡电路。（3）功率放大电路：原理图如图17所示：图16功率放大电路功率放大电路,其工作原理如下：通过振荡电路2中输出的脉冲,经过电容C403滤波后,传到功率放大芯片TDA2040,在频率4500HZ左右的工作频率下，我集成功率放大器TDA2040,通过R412、R411电阻构成交流负反馈,们在功率放大电路中经过反馈放大的电路信号经过输出电容C408传输到扬声器中,其中我们设定扬声器的电阻值为4,从而实现电路的报警功能。5 湿度自动控制电
44、路湿度自动控制系统由振荡电路2、湿度检测电路、比较电路、继电器控制的浇水电路组成。湿度自动控制系统框图如下17所示：图17 系统原理框图5.1湿度检测电路湿度检测电路由振荡电路1、湿度传感器RH（MSO-1型）和检波网络VD301，C304，R305组成的。振荡电路l的工作原理和振荡电路2的工作原理相同。在振荡电路1中，电路的振荡频率为fr1，由于湿敏电阻大都工作在交流状态下，而且要求频率不能超过lkHz，所以振荡电路1用来产生约200H左右的的振荡方波，200HZ的方波利用NE555来产生,通过NE555振荡电路的特性,我们可以利用以下的公式fr1=1.44/(RP301+2R301)*C304来确定频率.在电路中我们选择RP301来调节频率的多少,我们可以假设一个特定的值来带如电路中可以得到172HZ的频率,通过不断的调节我们来确定R301大约在1K左右,所以我们确定电阻R301的阻值为1K然后通过电容的充电放电特性算出电容,在电路中可以调节可变电阻器RP301来改变振荡频率使湿敏电阻工作在200HZ左右的频
