（测试计量技术及仪器专业论文）设施栽培环境检测与控制的研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘耍 摘要 本文设计一套基于单片机的设施栽培环境检测与控制系统它适蹦于各种温室、大 棚等设施栽培环境参数的检测与控制。该系统可以实现对没施内窀气温度、土壤温度、 空气湿度、土壤湿度等进行自动检测、显示、报警，自动控制风机、电磁阀，保证设施 内的环境条件随作物的生长阶段而变化。根据系统需要，设计厂数据采集与转换电路、 上位机控制电路、下位机控制电路及微滴灌系统。数据采集电路采用高灵敏度传感器及 信号调理放大电路。上位机电路以8 0 3 1 单片机为主，设计有键盘输入与l c d 显示电路、 数据存储电路、报警提示与控制电路、打印机电路及与下位机进行信息传递的r s 4 8 5 串 行通信电路，根据系统内的标准数据与采集到的信息的比较，实现提示、缀警、具体信 息显示及发出控制命令控翩相应设备自动运转。下位机以8 9 c 5 l 为主，设计有a d 转换 电路、l e d 提示与娃汞电路、风枧与电磁阀的控制与驱动电路，能够接收采集与转换电 路的环境参数信息，控制驱动设备调整设施内环境参数，实现智能控制。微滴灌系统可 根据系统指令自动启动，适宜调节土壤湿度。 该系统的使用已经证明可以提高作物、果树的产量和质量，延长新鲜水果、蔬菜等 产品的供应期，能充分利用现有的土地资源，提高农民的经济收人，从而获得最大的社 会效益、经济效益和生态效益。 关键词：设施环境检测与控制、单片机。 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e ri st o d e s i g n a ns c ms y s t e mt od e t e c ta n dc o n t r o lt h ee n v i r o n m e n t p a r a m e t e r si ng r e e n h o u s e t h es y s t e mc a r ld e t e c ta n dd i s p l a yt h ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s l i k et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fa i ra n ds o i l ，r a i s et h ea l a r mw h e nt h e s ep a r a m e t e r sc h a n g e d ， a n da u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h e s ep a r a m e t e r si n g r e e n h o u s ea c c o r d i n gt ov a r i a b l en e e d so ft h e c r o pi n d i f f e r e n tg r o w t h p h a s e s i nt h i sp a p e r , d a t ac o l l e c t i o n a n dt r a n s f o r ms u b s y s t e m ， m a s t e ra n ds l a v ec o n t r o ls u b s y s t e ma n dd r i p p i n gi r r i g a t i o ns u b s y s t e mw e r ed e s i g n e d d a t a c o l l e c t i o na n dt r a n s f o r ms u b s y s t e ma d o p t sh i g hs e n s i t i v es e n s i n gd e v i c e sa n ds i g n a l m o d u l a t i o na n da m p l i f y i n gc i r c u i t st oc o l l e c tt h ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s s l a v ec o n t r o l s u b s y s t e ma d o p t s8 9 c 5 1i c ，t o g e t h e r w i t ha dt r a n s f e r , l e dd i s p l a y , m a n i p u l a t i n ga n d d r i v i n gc i r c u i tt oc o n t r o le l e c t r o m a g n e t i s ms w i t c ha n df a n s i tr e c e i v e st h ec o l l e c t e dd a t a f r o md a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s f o r ms u b s y s t e ma n dt r a n s m i t st h ed a t at om a s t e rc o n t r o l s u b s y s t e m a n da d j u s tt h em a n i p u l a t i o no fc o r r e s p o n d i n gd e v i c e st oa d j u s t t h et e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yi nt h eg r e e n h o u s ea u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt oc o m m a n d sf r o mm a s t e rc o n t r o l s u b s y s t e m m a s t e rc o n t r o ls u b s y s t e ma d o p t ss c m 8 0 3 1a sc o r ec o n t r o lu n i t t o g e t h e rw i t h k e y p a d ，l c dd i s p l a y , c o m m u n i c a t i o np o r tt op r i n t e r d a t as t o r a g ed e v i c e ，a l a r mh a n d l i n g c i r c u i t ，a n dt h er s 4 8 5s e r i a li n t e r f a c et os l a v es u b s y s t e m s w h e nd a t ar e c e i v e d ，m a s t e r c o n t r o l s u b s y s t e md i s p l a y st h ei n f o r m a t i o n ，c o m p a r e st h e mw i t hs t a n d a r dd a t as t o r e d ， d e c i d e sw h e t h e ra l a r m ss h o u l db er a i s e da n ds e n d sc o m m a n dt os l a v ec o n t r o l s u b s y s t e mt o a d j u s tt h em a n i p u l a t i o no fc o r r e s p o n d i n gd e v i c e s t h ed r i p p i n g i r r i g a t i o ns u b s y s t e mi su s e d t oa d j u s tt h eh u m i d i t yo fs o i la c c o r d i n gt oi n s t r u c t i o n sf r o mc o n t r o ls u b s y s t e m d e p l o y m e n to ft h i ss y s t e mp r o v e st h a tt h ey i e l df r o mt h eg r e e n h o u s ei si n c r e a s e da n dt h e q u a l i t yo ft h ec r o pi si m p r o v e d k e y w o r d ：e n v i r o n m e n to ff a c i l i t i e s m e a s u r ea n dc o n t r o l l i n g o n e - c h i p c o m p u t e r u 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文尚没有量交给其它任何学 术机构作鉴定。 研究生签名：滓兮 日 期： 2 0 0 f ， a f f i r m 姨t l o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h y ，i ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w l lw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e w ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i i l s t i t u t e s i g n 立t 1 r e ：c 易牮? 缸矿 d a t e ： 2 b p 5 ， 山东科技太学碗士学位i 仑文 世施栽培技术的发展与现状 1 设施裁培技术的发展与现状 1 1 设缝栽培的意义 没施农业是利用围护结构设施，把一定的空间与外界环境隔离开来，形成一个半封 闭式系统，在允分利用自然环境条件的基础上，改善或创造吏佳的环境气候，为植物和 动物生长提供良好的环境条件，而进行有效的生产。设施农业包括设施栽培和设施养殖 两个方面。设旗栽培使用生产和管理方式，高效、均德地生产各种蔬菜、花卉等，用人 工控制环境因子如温度、光照、温度、c 0 2 等的方法来获得作物最佳生长条件，从而达 到增加作物产量、改善品质、延长生k 季节的目的。设施栽培的发展，不仪有利于台理 开发利用国土、淡水、气候等资源，而且能不断提高劳动、技术、资金有机结合的综合 集约经营程度，从而获得最大的社会效益、经济效益和生态效益。没施栽培的生产方式 有地膜覆盖、小拱棚覆盖、塑料大棚和现代温室等人工设施，而代表设施栽培最新发展 的现代温室正朝着自动化、智能化与网络化方向发展，最终发展成为无人化的全自动植 物工厂。实践证明，设施栽培具有如下重要作用。 ( 1 ) 利用保护设施，可以克服不事j 于果树生长的环境条件，扩大栽培范围。 ( 2 ) 通过保护设旖，可以在不适宜的季节里促使果树正常生长发育，从而获褥反季节 果品。 ( 3 ) 保护设施为果树生长提供了r + 个封闭环境，减少了很多来自自然界的有害污染， 确利于实现无公害优质果品生产。 ( 4 ) 保护设施为人工控制果树生长环境条件创造了物震基础，相对地实现了果树生产 到一化管理，通过人为调节温、光、水、气等，使果树的萌芽、开花、结果、采收诸生 产：环节实现了人为控制。 ( 5 ) 由于人为拄制因素的存在，设施栽培的果品完全可以做到抓空档、抢淡季上市 获得较高的经济效益。 1 2 匿内外设搪裁堵缫岔繇壤援瓣技术瓣现状 1 2 1 国外设箍栽综合环糖控制搜术的现妖 目前国外设施栽堵技术比较先进的国家有：西欧的荷兰、法国、英国、意大利、西 目前国外设施栽培技术比较先进的国家有：西欧的荷兰、法国、英国、意大利、西 l 山东科技大学碗土学位沦文 堡堕塞堡蔓垄堕篓垦曼堡墼 非洲和中东的以色列、士耳其亚洲和大洋洲的日本、韩 班牙，北美的美国、加拿大， 国、澳大利皿等。这些国家由于政府重视设施栽培的发展，在资金和政策匕都给予了大 力支持，因此现代设施栽培的研究起步早，发展快，综合环境控制技术水平高。总的来 说，设施分布情况是：西j 欧国家由于常年天气较冷，夏季短，故以建造玻璃设施为主； 其它地区及南欧塑料设施的比重较大。根据对国内外文献的检索和分析可知，一些技术 先进国家目前已能够按照作物生长的最适宦生态条件，在现代温寮内进行四季恒定的环 境自动控制，使其不受气候和土壤条件的影响，在有限韵土地上周年均衡地生产蔬菜和 鲜花。 国外几个设旅栽培综合环境控制技术最先进的鼙家，由于其地理位置、自然环境和 经济基础不同，其发展的侧重点也不同，现分析如下。 ( 1 ) 日本日本的农产品以生产水稻为主。塑辩太搪和其它设施在日本得到普遍的应 用。该国设施栽培综合环境控制技术水平很高，被称为“第四高技零农业”的植物工厂， 已在日本普及。植物工厂通过计算机将温度、湿度、c 0 2 浓度和肥料等控制在最适会蔬 菜生长发育的水平。在寒冷地带、沙漠地带，甚至在宇宙空闻，也能提供新鲜的蔬菜。 此外，日本e s e 公司开发的设施栽培计算机控翎系统可以较全面灼对设施栽培内植物所 需环境进行多因素检测控铜，包括变温控制管理、抉气扇的控制、冷暖空调的控铡、灌 水的控制、c 0 2 浓度控制、人i * b 光的控制等，该公司还开发了采用微机和专用设施栽 培控制机组成的网络系统，该弼络可将多台计算杌控制系统集中管理。对于设施栽培数 量多、地点分散的大农场可以使用专用配线形成设施栽培专用的闷络系统进行集中管理， 还可以使用电话线实现异媲管理，在微机和专用设施栽培控制机装上m o d e m ，在自己家 里就可以操纵远处的设施栽培控制系统。甚至可以利用笔记本电脑，在外地随处都可以 控制设施栽培的管理系统。 ( 2 ) 美国美国有着发达的设施栽培技术，农业设施制造商有1 0 0 多家，其综合环境 控制技术水平非常高。美国开发的高压雾化降温、鲰滠系统以及夏季降温用的湿帘降温 系统处于世界领先地位。该国已麓够开发完全人工控铡的设旅，如“生物圈2 号”就是 一种特殊的保护设施，它是相对于我们属住的被称为“生物圈1 号”的地球丽言的，主 要是研究将来入在宇宙空间和其它星球，如何雏持生活，进行生产和工作。，经过4 年的 研究，发现尽管出现不少问题，但“生物圈2 号”内作物的产量比常规种植高1 6 倍，“生 物圈3 号”和“生物圈4 号”将分剐建在南极和北极而“生物髑5 号”将发射到月球。， ( 3 ) 以色列以色列自然条件非常恶劣，有一半土地是沙漠，淡水奇缺，国家严格实 2 生查塾垫奎兰堡主兰堡堡塞 一 塑堕塾! ! 茎查塑垄堡兰婴堕 行淡水分配制度。但以色列政府非常重视和大力发展设施栽培，每年拨款建设施栽培的 资金约8 0 0 0 万美元。以色列现在农产品自给有余，每年出【1 收益达j 0 亿荚元以1 ，其 中鲜花出口量占世界总出口量的6 左右。由于该国气候于旱，光照好， 年有3 0 0 个 晴天，白天晚 温差大，因此在设施栽培综合环境控制技术中，对透光和降温的要求不 高，而对灌溉系统要求很高，其灌溉技术特别是滴灌技术和设备发展很快，处于世界先 进水平。 ( 4 ) 荷兰荷兰建造了大量的现代农业设施，且几乎全部由政府优惠贷款来建设，在 设施栽培生产运行过程中低价供应天然气，产品2 3 出口，其设施栽培是赢利的。荷兰 在出口农产品方谣，在世界上占有优势，虽鲜花出1 ：3 量占世界总出口量的7 t ，每年出 口9 2 亿枝鲜花。荷兰由于温度变化很小，故降温、通风问题考虑很少，撕采光问题考 虑得较多，因此主要是玻璃设旌，从飞机上看，好像整个国家都被玻璃罩住了似的。至 于综合环境控制技术方面，荷兰在设施顶面涂层隔热技术，冬天保温加湿的双层充气膜、 锅炉、燃油加热系统，c 0 2 施肥系统，人工补光的研制等方面均处于世界先进水平。 ( 5 ) 韩国韩国近1 0 年来随着国民收入的增加，生活水平的提高，食品的消费方式 从以谷物为中心，逐渐地向以各种高级新鲜的农业产品发矮。设施栽培领域引人注目， 特别是从1 9 9 2 年开始韩国政府把设施栽培作为重点事业来推进发展，认为利用小规模的 耕地来提高竞争力的有效方法就是发展设施栽培。这几年来，设施栽培综合环境挎制水 平有了很大提高，其中暖房、换气、灌水、c 0 2 浓度、窗帘的开团等设施发展很快，已 具有较高的水平。 1 2 2 我固设藏赣壤控一技术的状况 早在2 0 0 0 多年以前，我国就有蔬菜、花卉的设施栽培，但现代设施栽培技术的发展 起步较晚。舀前主要有温室和塑料大棚两种形式，虽9 0 的设施栽培集中在东北、华北、 西北三地区的大中城市周禺。而进入9 0 年代以后，我国设旌栽培技术发展迅速。总的来 说，设施栽培具有以下几个特点：大、中、小棚和育苗设施配套建设；节能型设施 发展迅速；结构简单、一次性投资低、当年能见效益的设施受到普遍重视；单屋面 设施已成为我国设施栽堵的代表等等。 总体上来说，我国目前设施栽培综合环境控制技术水平低，调控能力差，并且以单 个环境因子的调控设备为主，带有综合环境自动控制的高科技温室主要靠从国外引进。 根据国内现有的设施栽培制造基础，其设施框架及附属设施部分基本能满足要求，引进 3 些变銎茎查兰堡圭兰堡堡墨一 堡塑鍪堡垫至塑叁垦兰塑鏊 的关键是控制系统和控制管理技术。国外公司从技术垄断和经济利益的角度考虑，要求 国内引进单位成套引进。这就造成国家每年白白花费大量外髓，去弓l 进技术和制造水平并 不复杂的框架等设施的现状。综合环境控制技术成为制约我国高科技术设施栽培发展的 “瓶颈”。而我国综合环境控制技术的研究还刚刚起步，目前仍然留停在研究单个环境因 子调控技术的阶段，而大部分设施还是依靠人的经验去进行环境调控，离技术先进两家 还有一定的差距。 4 山东科技大学硕士学位论文 设施栽培对环境参数韵要求 2 设施栽培对环境城的要求 设施栽培是经济农业，目的在于根据各种作物、果树的生长规律，利用各种设施控 制、创造和实现相应的环境要求，从而使果树、作物能够丰收、丰产，并且早成熟、b f 上市，以产生最大的经济效益。根据各种作物的生长的普遍规律，相应的环境条件主要 是合理的温度( 包括空气温度和土壤温度) 、湿度( 包括空气湿度和土壤湿度) 及相应的 光照、空气等。 温度是影响作物生长发育的最重要的环境因子，它影响赣植物体内一切生理变化， 是植物生命括动最基本的要素。设施内的温度包括大气温度和土壤温度两个方藏。设施 内的大气温度受外界影响，有明是的日变化和季节性变化。温度的日变化取决于太阳出 没时间、天气状况及卷放帘时间早晚等因素。日出后揭开覆盏物，阳光射人室内，温度 迅速上升，下午2 点左右达到最高温，以后髓光线减弱外界气溢下降而降低，4 点以后 迅速降温。由于溢室是密闭空闻，温室内的温度变化又与 面岛然条件下的温度变化有 着根本的不同。晴朗的自天，棚塞内经常出现高温，如不采取通风换气等降温攒施，从 上午9 点到下午3 点左右，气温往往高于3 0 0 c ，最高温可达钧以上，寒冷季节室内外 温差可达4 0 _ 。5 0 。c 以上。夜间气温也较外界高2 0 左右，罨瘦温差较大。生产中，在白 天高温期必须采取通风换气等降温措施把温度控制在3 0 以下；在温度较低的时候必须 采取相应措施提高设施内的温度以满足作物生长所需的合理潺度。土壤温度也是影响栽 培效果的一个重要因索。土壤散热途径多，升温缓慢，在开始升滠詹，往往气温已达到 生育要求，但地温不够，使果树迟迟不葫动。棚室内具有特殊的热传递情况，特别是薄 膜阻止了土壤向童外的直接热辐射，气温高，这是棚室i 壤温度离于外界土壤温度的原 因。棚室内土壤的热传递与外界土壤的热传递方式是相似的。棚室内各个深度的土壤温 度都明显高于外界土壤温度。在外界壤中，5 5 0 攫米深度的滏差及最上部土层每日温 差的变化，比棚窒壤中温度变化明显。冬季外界温度低，从温室中间到边缘有相当大 的水平温度梯度。在大型温室里，从中间列边缘的降温梯度可达0 5 c 米；小型温室， 卜层土壤的降温梯度可达3 o 1 2 米。据观测，1 月份温室她澄南北方向差异较大，以中 部偏北最高，比南、北两端0 5 米处分别离7 和5 左右。丽且由于土壤的辐射和热传 导作用，覆盖砸积越大，土壤保温效果越好。土温的日变化也较明显，最高温在1 4 点以 坐查墼垫塑圭竺垡笙茎 一 婆堕鍪堡墅窭堡叁墼堕圣查 后，最低温在早晨日出前后，昼夜温差较气温为小。设施栽培通过人为控制就可以满足 植物正常生长合理的气温和土壤温度，从而保证作物顺剩生长。通过合理控制使植物有 效生育期得到了大大延长，从而大大提高作物的质量。 农业设旎内的环境湿度，包含空气湿度和土壤湿度两个方面。空气相对湿度与果树 蒸腾作用和吸水有着密切的关系。在空气相对湿度较小时，果树蒸腾较旺，吸水较多， 因而需水量较大，所以，在一定程度上，空气相对湿度较小对果树生长有利。空气相对 湿度太大，由于抑制了蒸腾作用，因此对果树生长有一定影响，同时还影响果实成熟， 降低产量和品质，并易造成虫害的蔓延。反之，褶对湿度太小，会引起大气f 旱，特别 是气温高，土壤水分缺乏的条件下，影响更加明显。空气湿度可以影响蒸发大小，从而 影响喷水后降温的快慢。设施栽培相对湿度的日变化与室瀑b 变化曲线恰好相反。在晴 天早晨气温低相对湿度大，随髓出后气游升高相对湿度开始下降，到8 - 9 时急剧下降， 1 4 时左右，相对湿度降至2 0 一- 4 0 ，达最小值；以后随室潺降低，相对湿度增大，1 5 一1 6 时急剧增至9 0 左右，一直保持到次日日出以前，夜间瀑度变化很小。阴天及雨雪天， 室内气温低变化小，而且换气量小呈密闭状态，室内相对湿度较大日变化很小，整天 处于高湿状态( 相对湿度9 0 友右) ，对作物极为不利。另外，空气相对湿度还与棚室大 小有关，高大棚室空气相对湿度小，i | 钰局部瀑度大，如温室两头湿度大，中间凝度小。 就一般情况而言，在作物生长季节内，以日平均相对湿度在8 0 左右为宜，高于9 0 或 低予6 0 都是不稍韵霰要搬以调节。土壤湿度直接影响作物擐的生长及目巴料的吸收， 间接影响地上部生长发育。土壤干旱，作物蒸腾失水，水分平衡状态受到破坏，抑制果 树生长；土壤积水，土壤中气体减少，根系缺氧。一般来讲，土壤容水量在8 0 以上时， 土壤空气就会缺少；土壤容水量在6 0 7 0 ，作物生育最好。搬塞由于薄膜覆盖与外 界隔离，没有天然降水，土壤湿度只能靠人工灌水来调控，同时考虑到土壤淀度与空气 湿度和土壤蓄热量的密切相关性，因此，棚室灌水技术要求更严格。植物的生命活动， 都与光照密不可分，因为其赖以生存的物质慕础，是通过光合作用制造出来的。“万物生 长靠太阳”精辟地阐明了光照对作物生长发育的重要性。不同的檀物作物对环境要求各 时期不同，要区另q 对待，科学观察，以取得准确数据后，用于检测和控制。 2 1 槐榭对设螺环境的耍求 1 、棚内气温( 见表2 - 1 ) 6 山东科技大学硕士学位论文 设施靛培对环境参数的要求 表2 1桃树对摩内气温的要求 生长时期 白天温度夜间温度 催期 2 0 3 0 ) 5 开花期 2 0 。2 5 7 果实膨大期 2 2 2 5 7 1 2 果实着色期 2 5 。3 0 l o ( 不盖龌 2 、土温 最适土温1 7 2 0 t ：，最低不低于 5 ，最高不超过2 6 。c 。 3 、空气湿度 花前期相对湿度可达到：8 0 9 0 r h 花期( 控水) 相对湿度霹达到：4 0 6 0 r h 幼果至成熟期相对湿度可达到：6 0 8 0 r h 4 、土壤水分( 相对持水量觅表2 2 ) 表2 2桃树对土壤水分的要求 生长时期 含水鼍( 最大持是量) 花前期 4 0 5 0 开花期 5 0 一6 0 幼果期 6 0 8 0 果实膨大期 6 0 7 0 果实后期 6 0 7 0 2 2 蕈莓对设擒环境豹娶求 1 、温度 草霉对温度适应性较强，总体上生长发鸯? 期要求比较凉爽温和的气候环境。根系生 长即土壤适宜温度为1 5 1 8 。c ，地上部分生长适宜温度在2 0 左右，叶片光台作用适湿 在2 0 - 2 5 ( 2 ，1 5 。c 以下和3 0 0 c 以上光合作用速率下降。生长期7 以下低温植株会发生 冻害，1 0 。c 会冻死。除四季草霉外，一季作草霉花芽分化低温短日照花芽矜化适温在 5 1 7 ，暖地品种在1 5 - 2 6 较高温度下，配合短珏照、低氨水平，也能顺利花芽分化。 山东科技大学硬土学位论文 设施靛培对环境参数的要求 四季革霉则在长日照促进下进行花芽分化，从开花到成熟，需要在6 以。f ，进入休眠 期则需要在5 以下保持一段时闻，此后在2 0 - 2 5 0 c 下恢复生长，开花适宜温度在 1 38 2 0 6 。c ，在此温度下昼夜温差大有利于果实发育和糖分积累， 2 、湿度 草霉为浅根系须根作物，叶片蒸腾量大，对土壤水分要求高，水分缺乏，阻碍攀、叶 正常生长，降低产嚣和品质，在葡匐茎大量生长期，土壤缺水干旱，不定根难以扎入土 中，造成予株死亡。但草霉也忌土壤湿度过高，因为这样会导致土壤空隙少，氧气不足 影响根系生长，严重时会造成植株死亡。草霉正常生长期阀要求土壤搁对含水景狂7 0 左右，花芽分化期6 0 ，结果成熟期8 0 为好。草霉对空气湿度要求在8 0 以下为好， 花期不能高于9 0 ，否则影响受精，易出现畸形果。 2 3 葡萄对设藏环境麴娶求 1 、温度温度管理是设施葡萄栽培成功的关键因素，应根据不同生育时期提供适的 温度。设施栽培的葡萄温度在7 以下，经1 0 0 0 1 2 0 0 小时即可完成自然铼眠。休眠后， 设施内即呆升温催芽，白天从l o 逐渐升至2 0 ，夜闯由5 丹至l o 。萌芽后白天保 持1 8 3 0 ，夜间保持1 5 2 0 ；新梢生长时间，白天保持2 5 2 8 ，夜闻保持1 5 。c 左右； 开花期间白天保持2 8 左右，夜间保持1 6 1 8 ；果实发育期阕白天保持2 5 2 8 ，夜问 保持1 6 2 0 ；果实着色期间白天保持2 5 2 8 ，夜闯保持1 6 1 7 。 2 、土壤水分和空气湿度休眠期要求不高，自然湿度即可。催芽期问要求较高的空 气湿度，一般应在9 0 以上。湿度过低会引起枝条和芽跟失水抽千，发芽率下降，或发 芽不整齐。所以在升温开始即要灌一次大水，使夜间空气湿度达饱和状态，造成一种高 温、高湿的环境条件，促使发芽。发芽后的湿度一般要求6 0 左右。新梢生长期保持 6 0 一7 0 ，花期及果实座果期应保持在5 0 一8 0 ，果实着色到成熟期保持在5 0 左右。 3 、光照冬春季节由于设施内的光照时间少于露地3 - 2 小时左右，常会引起果树 树势衰弱，所以需适当增加光照。补光的光源主要有白炽灯、卤灯和高压钠灯，通常在 距设施顶部1 2 米处，每8 平方米设l 灯，平均照度高压钠灯为2 5 3 3 勒克斯，卤灯为2 2 6 3 勒克斯，自炽灯为5 8 勒克斯。 葡萄设施栽培各物候期温、湿度条件见表2 3 。 山东科技大学硕士学位论文没照栽培对环境参敬的要求 表2 3 葡萄设施栽培备物候期温、湿度条件 温度( ) 生育期 相对湿度) 最高最低 覆膜始期( 催芽期) 3 02 一一39 0 萌芽期 2 8o 一27 0 8 0 现蕾期 2 53 56 0 7 0 开花期2 5 2 8 l o5 0 6 0 生理落果期 2 5 3 0 1 8 2 26 0 6 5 果实膨大期 2 5 3 01 8 2 27 0 8 0 果实采牧期 3 0 3 52 0 2 5 6 0 2 4 大樱横对设穗环境的要求 1 、温度 扣橱后至发芽期，扣极后7 l o 天：白天1 8 2 0 ，夜间2 5 t 2 。以后白天加2 2 ，夜 间5 ，6 。开花至谢花期，白天2 0 2 2 1 1 2 ，夜间不低于6 8 e 。要避免白天2 5 。c 以上的高温， 夜间低于5 以下的低温。果实发育至收获期，白天2 0 一2 5 ，夜闯8 一1 5 。 2 、湿度 扣棚后至发芽期，要求商湿度，相对湿度保持在左右，过低发芽开花不齐。开花至谢 花期，湿度应适当降低，一般相对湿度控制在5 0 6 0 为宜。过低花器桂头干燥，对授粉受 精不利；过高花粉吸水易破，影响授粉效果。前期相对湿度5 0 一6 0 ，着色后5 0 。 9 山东科技大学颈士学位论文 设藏栽培环境参敬裣j 夤i 传感箍及电路骧珲 3 设旎栽培环境参数检瓣传感器及电路原理 传感器是没旎栽培环境参数检测所必须的器件。通过传感器可以获得设撬环境的各 项参数，从而进一步根据各种作物的生长要求合理控制设旅内的环境参数，使作物能顺 利生长。选择合适的传感器是实现设施环境控制的前提和基础。 3 1 压电式水势传蒜器f 压电式负压计) 爰其变送器 ( 由中科院南京土壤研究所殴计) 作用是检测设施内土壤水分含量，获得土壤水分参数。由三大组成部分：f j a - 1 0 型 压电式水势变送器、压电式土壤湿度计及真空表式张力计。这里可以不用真空表式张力 计，土壤湿度参数直接由水势变送器经处理后送计算枕数据采集系统。 3 1 1f j a 1 0 墼压电式水势变送嚣 一、1 f j a 1 0 型压电式水势变送器结构与连接 f j a 1 0 型压电式水势变送器可对水势传感器进行供电和信号燮送，它由恒流源、测 量放大器和电源等组成。它能提供水势传感器中压电传感器的恒流源，并把压电传感器 产生的小信号加以放大，输出0 - 5 v 电压供数字电压表读数或计算机数据采集。它是水 势数据采集和农田节水灌溉控制系统必需部件。 图3 ，1 为f j a 一1 0 型压电式水势变送器与水势传感器和计算机数捃采集系统连接示意 图，输入插座的接线如图3 2 所示。 i o 山东科技大掌硕士学位论文 漫施栽培环境参数检测传感器及电路原理 嚣 图3 2f j a t 0 输人插座接线圈( 从仪器前面活) f j a 一1 0 型压电式水势变送器上有一个指示灯，当水势传感器插入输入插座中，指示 灯发光。 二、使用与注意事项 压电式水势传感器使用、安装时主要掌握好用无气水和将陶土管中的空气排除干净 这两个环节。除气瓶中的空气不仅影响仪器测羹精度襁产生迟后现象，而且严重的还会 影响仪器的正常使用。 使用时先将张力计的陶土头部分放入水中，待读数平衡后，调节零位；用标准压力 表校正时，调节斜率，使读数与相应读数一致。 1 水势传感器中注入无气水( 冷开水) 直到加满为止，将传感器赢立l o 一2 0 分钟( 不 要加盖子) ，让水把陶士管湿润，并见水从陶士管表丽滴出。再将传感器注满无气水，加 盖子密封，并将仪器直立，让陶土管在空气中蒸发。约_ - t j , 时焉，此时从陶土管、压电 传感器、有机玻璃管中，会有堙藏的气泡逸出，轻轻敲打传感器，使气泡集中到上部。 再将陶土管浸入无气水中，此时变送器读数圃到零附近，打开盖子，重新充满无气水， 加盖子密封，并将仪器直立，让陶土管在空气中蒸发。上述操作反复2 - 3 次。反复做几 次除气处理，在除气的同时，传感器中的空气自动排出而为水充满。 2 零位的调节：传感器除气后水在空气中蒸发，使负压升至一定值( 约为满度值的 l 4 ) 时，将陶土管的一半浸入水中，静候变送器慢慢回零，直至不变，此时调节变送器 的零位调节器，显示0 0 0 0 。用标准压力表校正传感器( 含变送器) 的灵敏度。详弛”骶 电式土壤湿度计”说明书。 3 按照图3 2 所示的输入、输出接线图正确接线，否剐不能正常工作，甚至损坏器 件。 4 用专用取土器预先在埋设水势传感器的地上钻个孔，将传感器轻轻插入， 以 防损坏传感器。 5 仪器在湿土中使用测量由瀑变干的过程，水势传感器可以从饱和肘开始测爨； 1 l 坐堡壁奎兰篓主耋笙笙茎垦鲢塑堡堡查墼鳖塑堡壁堡墨皇堕堕堡 若需要在较干的土壤中作用，测量由干变湿的过程，干土的初始含水量须在水势传感器 的测量范围内( 0 8 5 巴) ，先将水势传感器风于达到被测于的吸力值，然后插入土壤中 使用。 6 在室外使用时，由于温度变化大，以及使用周期长，就要对水势传感器和变送器 采取一些保护措施如在水势传感器上外罩避免日光趋势照射。为减少温差波动对传感器 的影响，可将传感器埋人士中。为了防止士壤中的承气渗入，做一个塑料管密封套保护传 感器。 7 一般来讲，如埋设前传感器内部的空气基本除净，且土壤的湿度在传感器的测量 范围内，则可连续维持2 0 - 2 5 天不必重新加水。当气温降鹫冰点前，应将传感器撤离。 8 陶土头切忌油污，以免堵塞细孔，传感器失灵。 9 仪器通常在5 4 5 。c 温度范围内使用。同时应注意避免其他电、磁场的干扰。 l o 水势传感器的校正请参阅殛电式土壤湿度计说明书或其它资料。 附录： 1 0 0 k p a = 1 巴= 1 0 0 0 毫巴- 7 5 0 1 厘米汞柱= 1 0 2 0 厘米水柱。 表3 1 毫米汞桂一毫巴对照表 毫米汞柱 i | 蠢巴 i i 毫巴 i | 毫米汞柱| | 1 | | 1 3 3 2 9 l | i 1 1 0 , 7 5 0 2 5 0 6 7 i l 5 0 | | 3 8 7 5 l l 1 0 0 l | 1 0 0i | 7 5 1 0 0 i l 1 3 3 | l 1 5 0 i l 1 1 3 1 5 02 0 02 0 0 1 1 1 5 0 2 0 02 卵2 5 0 i i 1 8 8 2 5 03 3 33 0 0 l l 2 2 5 j 3 0 04 0 0 n 3 5 0 2 6 3 l 3 5 0 4 6 4 0 0| | 3 0 0 4 0 05 3 3 i l 4 5 0 l l 3 3 8 4 5 06 0 05 0 0 8 3 7 5 5 0 0 6 6 65 5 0 n 4 1 3 5 5 07 3 36 0 0 1 1 4 5 0 6 0 0咖7 t 】0 l l 5 2 5 6 5 08 6 68 0 0 i 6 0 0 l 7 9 3 39 0 0 | 6 7 5 7 5 01 0 1 3 h 1 0 0 0 7 5 0 ” 1 0 1 3 j 7 6 0 1 2 型墨壁茎燮堡圭兰堇鲨茎墼蕉墼簦! 蓬燮墼塑蓬蕉璺丛曼堕堡墨 3 1 2 压电武士壤疆度计 通常负压式土壤湿度计的土壤水吸力( 水势) 值，采用u 型玻璃管中水银柱商低或 真空表读数。显然，这样的负压式土壤湿度计不能连续地记录土壤湿度的动态变化过程。 而压电式土壤湿度计能将测得的土壤吸力值转变为电压信号输出，供二次仪表测景艘示， 或连续记录这个电压僵。这为研究者提供田间土壤水吸力纳动态资料，可以进行土壤水 分模型试验，土壤持水曲线和渗透速度等漫4 定，这些大量的动态资料对数字模拟研究尤 为必要。另外由于启动连续记录数据，节省了大量的测量和读数时阊。在微机日益普及 的今天，将压电式土壤湿度计的电压信号经过a d 转换器与接口电路输入微型计算机， 进行数据处理，可作为数据库或进行复杂的数值运算，或与灌溉系统联接起来，实现微 机控制的闭环自动灌溉系统。 一、原理与结构 利用固态压力传感器将土壤漫度计测得的土壤吸力债转换为电压值，供二次仪表( 数 字仪表或自动记录仪) 测量和显示。压电式土壤湿度计的结构由张力计、压力传感器、 显示仪表及电源等部分组成，如图3 - 3 所示 1 张力计：张力计的构造与一般张力计相同，通过一个多孔陶土体与被测土壤紧 密接触，使羯土管中水的张力与土壤水的吸力达到平衡，张力计内郝使产生与土壤吸力 相应的负压力，它通过水传递给压力传感器。 2 压力传感器：压力传感器是采用扩散硅压力传感器。采用集成电路工艺在硅膜 片上制成一个惠斯髓电桥，当硅片受到压力时，电桥失去平衡，产生一个电位差。这就 是压力传感器将压力转换为电信号的原理。在土壤水吸力为零至一个大气压时，输出电 压值为0 - 1 0 0 毫伏。土壤水吸力值与电压值_ 之间里良好的线性关系。 3 显示仪表：显示仪表可以采用数字电压表或电子电位差计( 记录仪) 。根据使用 要求不同选择不同的分辨率和精度。可选用分辨率为l o 微伏，精度为0 0 5 的高精度五 位数字电压表；在作为普通测量时，可用数字万用表，分辨率为0 1 m v + 精度为0 5 2 个字。传感器的信号还可以由a d 转换器进行转换后，经i o 接口，供计算机进行数据 采集和处理，由计算机显示屏显示和打印机打印输出。压电式土壤湿度计的结构出张力 计、压力传感器、显示仪表及电源等部分组成，女碍图3 3 所承 4 电源：压力传感器是甩真流电源供电，通常有恒压源和恒流源供电方式两种。 在近距离测量时，可以用恒压源或恒流源供电，若测量传输距离较远时，且精度要求较 高时，要用恒流源供电。无论是恒压源供电，还是恒流源供电，一个电源只能对一个传 1 3 坐查壁鏊查兰矍圭兰垡笙茎 感器供电，否则会产生交叉干扰。 设施栽培环境参数检铡传感器及电路原理 二安装与校正 1 安装：将电压式湿度传感器的插头插入变送器的插座中，变送器上的信号线接 到数字电压表( 或电子电位差计，数据采集系统的a d 转挠器) 的输入端，然后将电源 变换器插入2 2 0 v 交流电源插座中。这时数字电压表上的读数为土壤水吸力转换为电压 的值。 2 校正：湿度传感器的校正装置如图3 4 所示。采用标准水银压力表或标准真空 表( 0 4 级) 的压力值为比对标准。将已经作除气处理的待校正张力计插入盛水的密封的 容器中，使陶土管的中部与水面平衡，陶土管中部受的负压就是该处土壤水的吸力大小， 开始时，容器通气大，水面张力为零，调节仪器读数为零。然后接通抽气机，使容器内 达到接近- 6 8 4 毫米汞柱，也即- 0 9 大气压时，调整传感器的灵敏度，使输出电压为9 0 m v 。 或者采用计算的方法的来得到测定结果，如在6 8 4 毫米汞柱( 也即田9 大气压) 时，压 电传感器的输出为8 0 m v ，在实际应用测量时鹾电传感器的输出为7 0m v ，则这时的大 气压为：p ：( 6 8 4 8 0 ) 7 0 = 一5 9 8 5 毫米汞柱，或p = - ( - 0 9 8 0 ) x 7 0 = - 0 7 8 7 5 大气压。在 用k p a 来表示大气压时，则p = 一5 9 8 5 x 0 13 3 3 2 2 = 一7 9 7 9 3 2k p a 。再使容器通大气，水面 张回到零，这样反复二、三次调节，就可以确定下来。 酽 婪 j ： _ ： 慝 一 弗 ： _ 三使用中注意事项 图3 4 1 4 些壅燮查兰曼兰兰垒婆茎塞塑塾堕壁苎墼堡塑堡堕篓壁璺堡壁墨 压电式士壤湿度计使用、安装时爱求掌握好用无气水和将陶土管中的空气排除干净 这两个环节，除气瓶中的空气不仅影响仪器测景精度和产生滞后现象+ 而且严霞的还会 影响仪器的正常使用。具体需要注意以下事项： i 张力计中注入凭气水，反复傲几次除气处理，在除气的同时，传感器中的空气 自动排出而为水充满。 2 变迭器上的信号输出线红线为正，黑线为负，分别接到二次仪表的输入端。 3 仪器在湿土中使用，测量由澄变于的过程，张力计可以从饱和时开始测爨；若 需在较干的土壤中使用，测量由于变温的过程，干土的初始含水薰须在张力计测量的范 围内( 西，8 5 巴) ，先将张力计风干达到被测千土的吸力值，然后援人土壤中使用。 4 在室外使用时，由于h 温度变化大，以及使用周期长，就要对仪器的传感器部 分采取一些保护措施。如在传感器上加外罩避免日光赢接照射；为减少温差波动以传感 器的影响，可将传感器埋人士中；为了防止士壤中的水气渗入，做一个塑料臀密封套保 护传感器。 5 仪器通常柱5 - 4 5 t 1 2 温度范围内使用。同时应注意避免其他电、磁场的于抗。 3 1 3 真空袭式张力计 真空表式张力计的原褒与压电式水势传感器的原理一样，差别在于它是甩机械真空 表来显示水势的大小，其外形如图3 5 所示。 图3 5 3 2 瀑魔传 选用l m l 3 5 温度传感器，用以获取设施内及土壤溢度参数。l m l 3 5 系列温度传感 器是一种电压输出型精密集成温度传感器。它工作类似予齐纳二极管，其反向击穿电压 随绝对温度i ) 2 + 1 0 m v k 的比例变化，工作电流为0 4 5 n 徂，动态阻抗仅为l q ，便于 山东辩技大学硕士学位论文 堕墼塑堡墅曼墼鳖塑堡墨楚塾皇墅璧里 应用简单等优点。l m l 3 5 系列温度 和测量仪表配接。这种温度传感器具有测量精度高， 传感器的测温范围很宽，l m l 3 5 测温范围为。5 5 + 1 5 0 。c ，l m 2 3 5 和l m 3 3 5 测温范 围分别为_ 4 0 + 1 2 5 和一4 0 + 1 0 0 。其短时使用测温上限可分别扩宽至 2 0 0 1 ：、1 5 0 和1 2 5 0 c 。 1 引脚、封装及内部原理图如3 6 所示： l m l 3 5 的封粳粕弓l 锋功镌 图3 6 图3 6 是l m l 3 5 的内部原理图，v 1 5 和v