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人工气候箱是把无法控制的大自然环境搬进实验室，实现人为地通过计算机实施模拟自然环境中与生物生长发育有关的温度，湿度和光照三大主要因素，创造局部人工气候，寻求各种农作物的最佳生长条件，探索其生长发展的规律，培养新品种，获取优质稳产，高产的新技术。在计算机辅助农业生产技术中，人工气候箱是农业科学研究的有效工具。人工气候箱是种子试验中的必备仪器，相应的参考《我国种子工作的发展历程》
本文介绍的人工气候模拟系统由传感系统、测控电路和软件系统构成。在研制人工气候箱的过程中，广泛的应用到了传感技术和单片机技术。
1 传感系统的组成
气候箱内的环境主要由温度、湿度、光照三个参数来衡量。由各自的传感器来获取这三个参数，通过传感器将非电量温度、湿度和光照转换成连续变化的模拟量。这样在系统的信号采集部分设计了三个探测环境参数的探头：
1.1 温度探头
根据实际情况选用了NTH5D153A热敏电阻，它的性能参数如下：
标称电阻-15 000欧
B常数-4 100
温度系数--4.6
最大允许功率-0.56W
热时间常数-20秒 使用环境温度--30~+125℃
1.2 湿度探头
采用不用电热清洗的氧化锌-五氧化二铬陶瓷湿敏元件。该湿敏元件的电阻率几乎不随温度改变，老化现象很小，长期使用后电阻变化只有百分之几。元件的响应速度快，（0~100）%RH时，约10秒，湿度变化±20%时，响应时间仅2秒；吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。
1.3 光照探头
采用硅光电池，将光照参数转换成光电流。该元件灵敏度高，稳定性好，输出电流与光亮度成线性关系。在自然光条件下，其光电流约为0.1~10mA,可经前置放大器输出完成放大和I/U转换。
2 测控电路
由于所用到的热敏电阻和湿敏电阻的电阻值相对温度变化是对数关系。为了软件设计的方便，应用对数二极管使其等间隔表示，因此，输出端都需要与对数二极管相连。然后通过前置放大电路输出。而硅光电池的输出本身是线性度好，可直接连接前置放大器。再通过零点调节电路和灵敏度调节电路送ADC0809进行A/D转换。通过主控芯片8031,测得的数据在这里分两路输出：一路送显示器，采用三片三位半LED显示，分别显示当前的温度、湿度、光照参数。另一路数据通过与存储器的标准预设值比较，如果超过误差范围则反馈到控制设备如加湿器、加热管等，调节环境参数以适应实际需要。
电路各模块的组成如图1所示。
温度模拟自然环境中一天24小时温度变化规律，把一年四季不同时间的温度值预设在存储器中，误差为±0.5℃。在主控在测得环境温度与标准温度相比，差值越过±0.3℃时，执行加热/制冷，实现反馈控制。
由湿度传感器检测湿度值实际是气候箱内的相对湿度，自然环境中的相对湿度一般在30%~80%之间。环境相对湿度低于预设标准相对湿度1%时，由8031启动加湿器；反之启动干燥风扇进行风干。
采用模拟光源，可按要求（春，夏，秋，冬）设定光照时间。照度按模拟自然规律变化。采用与阳光光谱接近的可调亮度多个白炽灯组合光源，按设定时间开/关各组光源，模拟自然光由弱→强→弱→暗→弱，周而复始。其开关时间及亮度均由单片机控制。
3 模块化程序设计
结合硬件电路的设计，对环境参数的调节由软件控制，以达到模拟自然环境的效果。软件设计中加入了以下任务：
（1）调换标准温度、湿度、光照参数；
（2）数据采样、滤波及处理；
（3）键盘输入及显示输出功能；
（4）报警功能；
（5）实时时钟计时功能。
在总体设计的的程序模块基础上，注入采用中断服务程序，子程序调用或直接相连等，各模块程序的结构如图2所示。
4 结束语
本系统经过长期测试和观察，运行良好，对人工气候箱的各种参数设定计累了一定的经验，对指导科学农业有一定的实际意义。随着传感器和计算机技术的进步，以及对气候认识模型的进一步深化，人工气候箱的设计将更加接近真实自然效果。 |
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