【導讀】溫室就是為植物生長創造的最佳生長環境。溫室的關鍵就在于環境控制，而溫度和濕度是影響西瓜生長的兩個重要因素。本文詳述了西瓜溫室生產溫濕度控制系統的設計，下面我們一起看設計原理及設計流程。
功能要求
溫室溫濕度的檢測及控制通過AVR單片機來實現。每年隨著季節的變化西瓜生長所需的溫度和濕度也不同，我們先編制出溫室西瓜各生育階段最適溫度濕度條件的管理程序表，存儲于AVR單片機的記憶裝置中，AVR單片機根據程序表確認、修正各棟溫室內的參數，并給終端控制系統指令。各傳感器向AVR單片機輸送檢測信息，根據AVR單片機的指令輸出控制信號，使電器機械設備執行動作，實現溫室溫濕度調節。
（1）溫度需求
經過了解，西瓜的生長所需要的最低溫度為10℃，最高溫度為40℃。最適合溫度為25——30℃。西瓜不同生長期對溫度要求不同，發芽期最是溫度28——30℃，幼苗期最適溫度22——25℃，抽蔓期最適溫度為25——28℃，結果期的最適溫度為30——35℃。
當溫度過低時，會降低葉片的光合速率，延遲作物的生長發育，降低果蔬品質。而溫度過高則會造成葉片和花的生長速度以及果實成熟的速度加快，使整個作物的生長受到抑制。植物的呼吸作用、光合作用和生長發育，明顯受晝夜溫度變化的影響。另外西瓜在不同的生長發育階段對溫度的要求都不同。溫室內冬季溫度一般較低，而夏季又偏高，常常不能滿足作物生長的要求，需要對溫度進行控制，使其保持在一段適宜的范圍內。溫度控制一般包括冬季的采暖和夏季的降溫。調節范圍一般為15-30℃，精度為0.1℃。
（2）濕度控制
濕度也是西瓜溫室環境控制中相當重要的一個指標。西瓜需水量較多，但它卻要求空氣干燥，空氣相對濕度為50%——60%時最為適宜。在幼苗期和伸蔓期適宜的濕度有利于根系和莖葉的生長發育，較低的空氣濕度有利于果實成熟，并可提高其含糖量。溫室空氣的絕對濕度與相對濕度一般均大于露地。空氣濕度大，會減少西瓜蒸騰量，作物不易缺水，有利于西瓜的生長發育，但空氣濕度過大，則會使西瓜的莖葉生長過旺，造成瘋長，影響西瓜的開花結果。此外，濕度過高還易造成病蟲害的發生，并可能產生某些生理障礙，而過低的濕度將使西瓜受到水分脅迫而使生長受阻。
溫室內空氣濕度受天氣、通風換氣、采暖及作物蒸騰作用的影響。陰天溫室內空氣相對濕度一般在90%以上。晴天，夜間溫室處于密閉狀態，濕度較高，甚至會發生結霧現象;而到了白天，由于溫度升高，結霧消散，空氣相對濕度下降。經常發生這樣的現象，會給西瓜帶來危害，因此需要對濕度進行調節和控制。 濕度控制一般包括低溫、陰雨季節的除濕和高溫晴朗天氣的加濕。溫室的濕度調節范圍一般在60-80 % RH，精度為士5%.濕度的調控影響溫度，要求與溫度的調節按一定的程序進行。
基于AVR單片機西瓜溫室生產溫濕度自動控制系統
在西瓜溫室生產溫濕度自動控制系統設計中，軟件、硬件緊密相關。多用硬件可減輕CPU負擔，提高工作速度。多用軟件可降低成本，但軟件人員的工作量增大。對于此系統，有些部分必須由硬件完成，有些部分必須由軟件完成，對于軟、硬件都可完成的交叉部分，應根據具體生產情況選擇最佳方案，以達到最佳性能價格比。
（1）硬件設計
①經濟合理
系統硬件設計中，一定要注意在滿足西瓜生產環境所需的性能指標的前提下，盡可能地降低價格，以便得到高的性能價格比，這是硬件設計中優先考慮的一個主要因素，也是此系統爭取市場和快速推廣的主要因素之一。
②安全可靠
設計系統和選購設備時要考慮環境的溫度、濕度、壓力、振動、粉塵等要求，以保證在西瓜生產環境下，系統性能穩定、工作可靠。要有超量程和過載保護，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對交流市電以及電火花等的隔離。要保證連接件的接觸可靠。
③有足夠的抗干擾能力
有完善的抗干擾措施，是保證系統精度、工作正常和不產生錯誤的必要條件。例如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，高輸入阻抗下的防止漏電等。
（2）軟件設計
①結構合理
程序應該采用結構模塊化設計。這不僅有利于程序的進一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護。另外項目團隊中的每個人可以負責一部分，可以提高效率。
②操作性能好，使用方便
盡量減少操作步驟，系統使用對象大多數是農民，所以系統越簡單才越能夠普及。
③具有一定的保護措施
系統應設計一定的檢測程序，例如狀態檢測和診斷程序，以便系統發生故障時，便于查找故障部位。對于重要的參數要定時存儲，以防止因掉電而丟失數據。
④提高程序的執行速度
⑤給出必要的程序說明
⑥給出系統的使用說明
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方案設計
系統功能實現原理
系統硬件結構框圖
系統功能實現原理說明：
溫室的環境調控最終要通過一系列的執行機構來實現。系統溫室的執行機構系統由自然通風系統，遮陰與保溫系統，降溫系統，加熱系統和增濕系統組成。系統中這些執行機構均采用繼電器或電磁閥控制電機正轉、反轉與停止、報警器的開停，均為開關量輸入。
華東地區夏季炎熱，室外溫度在35℃以上，溫室里會超過40℃甚至達到50℃。這時，僅靠自然通風降溫是遠遠不夠的。溫室降溫方法除天窗和側窗自然通風外主要有:外遮陰，軸流風機強制通風，屋頂噴淋降溫、彌霧降溫等。系統把這些降溫方式進行綜合，根據溫差大小來啟動不同的降溫設備。
冬季加溫的方式主要有:內遮陰保溫，熱風加溫，熱水加溫，電加溫等。熱水加溫運行穩定可靠，也是華東地區大型溫室普遍采用的加溫方式。所以系統采用內遮陰和熱水管道共同保溫。
華東地區冬季不是特別干燥，加濕控制一般通過噴霧和控制灌水量等方法來實現。而在炎熱高濕的夏季，特別是采用降溫效果明顯的濕簾風機降溫會提高75-80%的空氣相對濕度，給溫室除濕帶來了很大難度。除了開啟天窗、側窗自然通風外，需要配合使用環流風機和軸流風機來加強除濕效果，有時甚至要開啟除濕機。
（1）自然通風系統
自然通風系統包括熱壓通風和風壓通風，它的基本要求是能夠提供足夠的通風量，有效調控室內溫度、濕度，達到滿足室內西瓜正常生長要求的條件。自然通風系統主要用于通風換氣和夏季的降溫，又可起到排除濕氣的作用。 自然通風系統由側窗及相應的開窗機構組成。自然通風系統的設置，要求有足夠的通風能力的同時，室內氣流應合理分布，通風系統還能方便調節。為保證良好的熱壓通風效果，應使通風的進、排風口的高差盡可能大。一般在側墻下部設置進風窗口。在塑料薄膜溫室中，為了減少屋面覆蓋薄膜的接縫和方便開窗機構布置，也將在溫室兩頭設窗口。側窗采用電力驅動的齒輪齒條開窗，既保證開啟角度達到所需風量，又能保證關閉后的密封效果和室內溫度。
（2）遮陰與保溫系統
遮陰系統是利用具有一定透光率的材料將一部分多余的光照進行遮擋，既保證溫室作物正常生長所需的光照，又防止多余的太陽輻射能在溫室聚集，造成室內溫度過高。外遮陰直接將多余的太陽輻射阻隔在室外，用于溫室的降溫和光照調節。內遮陰在溫室內部阻隔多余的太陽輻射，降溫效果不如外遮陰，但當它與濕簾風機降溫系統配合使用時，能大大提高降溫效能，使室內氣流更加通暢。另外，內遮陰可以阻隔溫室內的空氣對流，有效的反射夜間溫室內的紅外線輻射，使熱空氣留在作物生長的空間，防止熱量通過輻射形式散失，具有保溫節能的作用。遮陰與保溫系統由外遮陰，內遮陰及其傳動機構與動力機構組成。內外遮陰均采用齒輪齒條傳動機構進行驅動，運行安全可靠。
（3）降溫系統
華東地區炎熱的夏季室外氣溫往往接近37℃，而溫室內的溫度更是會超過45℃。這時單靠自然通風系統是遠遠不能滿足溫室內的溫度控制要求的，所以需要啟動降溫系統，保證溫度控制在適宜作物生長的范圍內。溫室內的循環通風能使空氣形成有序的流動，保證室內氣候的均勻和穩定。機械通風是依靠風機產生的風壓強制空氣流動，作用能力強，通風效果穩定。而通過強迫空氣運動和增大空氣與水接觸面積的蒸發降溫可以提高濕熱交換率，是現代溫室夏季生產環境調控中應用最為廣泛和有效的降溫技術之一。
降溫系統由環流風機，機械通風風機組噴霧降溫系統組成。溫室循環通風選用簡潔型的環流風機，懸掛在溫室骨架上，方便操作并避免直接吹向作物表面。機械通風選用負壓排風方式的軸流式風機，安裝在溫室下風向的山墻上。噴霧降溫設備選用高壓細霧系統，通過一臺高壓主機產生較大的壓力，將經過過濾的凈水送入管路，再由各處的噴頭霧化噴出，超細霧顆粒在落下之前被蒸發，起到降溫的作用。噴霧降溫需配合風機使用。
（4）加熱系統
加熱系統有提高室內溫度、促進室內空氣流動和降低空氣濕度的作用。華東地區的連棟溫室，尤其是西瓜生產溫室和育苗溫室，冬季生產也需要進行加溫或臨時加溫。用熱水采暖系統調節溫度可達到較高的穩定性和均勻性，雖然一次性投資較多，循環動力較大，但對于大型的溫室群而言，熱損失小，運行比較經濟。加熱系統由鍋爐，熱水輸送管道，循環水泵和各種閥門組成。閥門的開關用單片機間接控制。
（5）增濕系統
溫室是個相對封閉的生產設施，自然降雨不能被直接利用，溫室內的作物需要的水分完全依靠人工灌溉來保證。微灌是特點是灌水流量小，一次灌水延續時間長，周期短，能夠較精確地控制灌水量，把水和養分直接輸送到作物根部附近的土壤中或葉面，滿足作物生長發育的需要。微灌可以分為以斷續滴出方式出流的滴灌，以噴灑方式出流的微噴灌和以微孔隙緩慢滲出出流的滲灌等。
微灌系統由水源，首部樞紐，輸配水管網和灌水器以及流量、壓力控制部件和量測儀表組成。滴灌滴頭選用內鑲式滴灌管，噴灌噴頭采用旋轉式，省水且能耗低，微噴霧化好，能有效提高溫室濕度。灌溉用電磁閥控制，實現自動化合理供給。
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硬件平臺選用及資源配置
ATmega16a4，電機，繼電器，電磁閥，傳感器（溫度、濕度、光照、壓力、風力等）
系統軟件設計
系統軟件架構
程序運行流程圖
本項目使用溫度傳感檢測當前瓜田溫度，用三位數碼管顯示當前溫度值，單片機可通過鍵盤設置適合西瓜生產的溫度上限而和溫度下限，并保存到存儲器中。
上電后，單片機進行初始化。然后進入計時程序，采集外部溫度，與各個時間段設置的溫度進行比較，不合格就進入溫度處理子程序并進行語音報警，讓執行溫度的系統繼續運行，系統進入濕度測量，判斷是否與當前系統內設定好的溫度符合，不符合就轉入濕度子程序并進行語音報警。讓濕度調節器件繼續調節濕度，系統繼續去外部溫度和濕度進行判斷，并給予相應執行動作。
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