专利名称：激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气体监测控制装置，尤其涉及一种大棚种植环境激光监测二氧化碳最佳浓度自适应装置。
背景技术：
农业大棚种植物生长期间，由于光合作用，大量消耗二氧化碳，造成大棚内二氧化碳气体浓度过低，使得种植物的产量和品质都受到影响。现代农业大棚种植日益广泛，为提高大棚种植的产量和品质，人们已经开始向棚内添加二氧化碳气体。植物生长依赖于光合作用。光合作用必须有一定量的二氧化碳参加才能完成。大棚是一个封闭系统，在有日光条件下，棚内植物的光合作用不断消耗的二氧化碳，致使二氧化碳的含量不断下降。这样，棚内植物就一直处于“二氧化碳饥饿”状态，产量品质都受到损失。为了克服“二氧化碳饥饿”，人们向大棚人工添加二氧化碳。到目前，添加二氧化碳的方法，国内外主要有燃烧产生，如煤炭、燃气等；化学反应产生，如碳酸氢氨与稀硫酸反应生成二氧碳等；瓶装或管道二氧化碳气体。
如能将大棚内二氧化碳气体浓度保持在最佳值，将大幅度提高种植物的产景和品质，增产效果最高值达87.4％。目前现有工业用大气二氧化碳浓度(含量)激光检测装置价格昂贵，不能直接用于农业大棚种植过程中的二氧化碳浓度监测及自适应控制。国内外当前的水平是二氧化碳注入是定性的而非定量的，也就是说每个大棚的二氧化碳注入量只是粗略估算的。但棚内二氧化碳浓度低时植物生长不足，二氧化碳浓度过高则抑制植物生长。所以，现在的各种二氧化碳注入方法都不能保证大棚内二氧化碳最佳浓度。
发明内容
本实用新型针对现有技术的不足设计了能监测大棚内二氧化碳浓度参数和温度、光照参数，将这些参数进行处理后启动二氧化碳气源，自适应调节二氧化碳浓度直到达到某类种植物在各生长期的最佳需求，从而大幅度提高种植物的产量和品质的激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置。
本实用新型包括二氧化碳气源，还设置有与之连接的电磁阀、与电磁阀连接的二氧化碳气体输送管网和激光电子控制器，实现对CO2浓度的控制。
本实用新型与现有技术相比实现了以下有益效果，能够按照种植物对二氧化碳浓度的需求随气温、光照及不同的生长期变化，获取温度、光照的动态参数，将这些参数与二氧化碳浓度参数，某种植物的生长期参数一并输入激光电子控制器控制电磁阀开闭，定量补充二氧化碳，使大棚内二氧化碳浓度维持在给定值附近。
本实用新型所述激光电子控制器包括微处理器、功率放大器、红外激光发射接吸机构、温度传感器、光照传感器，键盘、显示器及相应接口电路，其中红外激光发射接吸机构送来的二氧化碳浓度信号和基准信号输入集成放大器3，经放大后输出至模—数转换器3，模—数转换器3将模拟信号转换为数字信号后再输出至微处理器。温度信号可设多点检测，检测到的温度信号输入集成放大器2放大，放大后的信号输出至运算器2运算，得到大棚内的温度平均值输入至模—数转换器2转换为数字信号输出至微处理器。光照信号输入集成放大器1放大后输出至运算器1运算，然后输出至模—数转换器1转换为数字信号，输出至微处理器。键盘通过接口电路与微处理器连接，通过键盘向微处理器输入大棚种植物不同生长期内所需最佳二氧化碳浓度、光照、温度等参数。微处理器通过功率放大器向电磁阀输送控制信号，控制电磁阀的启闭，通过显示驱动器向显示器输送信号，显示输入值和控制值，该显示器可以选用OCMJ5X10尺寸为160×80mm的带国标一级简体汉字库的显示器。微处理器可选用16位的TMS320C555X或32位的MPC555两种。
本实用新型所述红外激光发射接吸机构包括半导体红外激光二极管和与之连接的塑料光导纤维、孪生硅光电元、以及与之配合的分光镜及光学镜片，使用红外激光二氧化碳吸收技术，利用4.33微米波长的红外激光只对二氧化碳浓度敏感而对其他气体不敏感的特性，设计了简易的能满农业精度的红外激光发射接吸机构，由半导体红外激光器产生波长为4.33微米的远红外激光束，该激光束经一分光器件均分为两束，一束为检测光束，另一束为基准光束。检出光束直接穿过大棚气体，被气体中的二氧化碳吸收衰减后投射到一个反射器，被反射到激光发射端的硅光电元件上(孪生元件之一)，基准激光束穿过一条塑料光导纤维后投射到另一个硅光电元件上(孪生元件之二)。两个硅光电元件分别将得到的两个激光信号转换为两个电信号同时经放大器、数模转换器后送入微处理器进行处理，即可得到表征大棚气体中二氧化碳浓度的电信号。
将二氧化碳相关参数检出后，温度、光照传感器分别将大棚内的温度、光照参数检出，上数参数一并经放大器、运算器后送入微处理器处理，微处理器输出信号至功率放大器放大后输出至电磁阀控制启闭，从而实现对二氧化碳补充量的控制。采用廉价的红外激光二极管取代现有的价高的工业用激光器，塑料光导纤维取代现有工业用二氧化碳激光检测装置中的玻璃氮气管，既可在保证测量精度的条件下简化安装工艺，准确实现对二氧化碳浓度的检测，又可大大降低成本。
本实用新型所述二氧化碳气体输送管网的管道上设置有喷气微孔，由硬塑料管网构成的管网可以将CO2气体均匀地向大棚内释放。
本实用新型所述喷气微孔为均匀分布，喷气微孔的轴线与管道轴线成90度且相邻位置的一对孔的轴线呈正交分布，形成干涉湍流能自动均化二氧化碳气体分布。
图1为本实用新型的方框图；图2为红外激光发射接吸机构的激光光束路径图；图中，半导体红外激光二极管10，分光镜20，光学镜片30，硅光电元件41，硅光电元件42，塑料光导纤维50。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
如图1所示，本实用新型包括二氧化碳气源和与之连接的电磁阀、二氧化碳气体输送管网，以及控制电磁阀的激光电子控制器。激光电子控制器包括微处理器、功率放大器、红外激光发射接吸机构、温度传感器、光照传感器、键盘、显示器及相应接口电路。由红外激光发射接吸机构输出的二氧化碳浓度信号和基准信号同时进入集成放大器3，这两个信号经放大后输出至模—数转换器3，将模拟信号转换为数字信号后输出至微处理器。温度信号(可设多点检测)进入集成放大器2放大后输出至运算电路2进行运算，得到大棚内的温度平均值，该值输出至模—数转换器2转换为数字信号后输出至微处理器。
光照信号(可设多点检测)进入集成放大器1放大后输出至运算电路1进行运算，得到大棚光照平均值，该值输出至模—数转换器1转换为数字信号后输出至微处理器。
大棚实际种植物的不同生长期所需二氧化碳浓度、温度、交照等期望参数由键盘输入至微处理器。微处理器将检测到的所有信号参数与键盘输入的期望参数进行比较，就其差值发出指令信号输出至功率放大器放大，放大后的信号输出至电磁阀，通过启动或关闭电磁阀，从而对大棚内二氧化碳浓度自适应调节到最佳值。另外，由于并不需要对大棚内二氧化碳浓度进行连续不停地检测，仅每15分钟检测一次即可满足要求，所以，微处理器输出一个时钟信号，该信号送入红外激光发射接吸机构按每间隔15分钟工作60秒的频率间歇工作。此种工作状态即可满足需要又利于大大延长激光发射元件的寿命。由于光照传感器的作用，夜间微处理器将发出指令停止所有系统的工作。当大棚内二氧化碳浓度达不到需要的数值时，电磁阀被开启，二氧化碳气源向气体输送管网送气，该管网以扰流方式将二氧化碳气体均匀撒布于种植物之间，直到二氧化碳浓度达到要求，电磁阀被关闭。
二氧化碳气体的输送由气源、管网和电磁阀完成。为了使输入到大棚内的二氧化碳尽可能均匀分布，故采取排管输气方式，排管上设置有排气微孔。
本实用新型用塑料硬管分多路向棚内注入二氧化碳气体。管道上喷气微孔均布，喷气微孔的轴线与管道轴线成90度夹角，且相邻孔轴线正交，以形成干涉湍流自动均化二氧化碳气体分布，以此保证棚内二氧化碳浓度较均匀分布。由于二氧化碳气体的密度大于空气，所以气体输送管网应设置于种植物上方。而激光发射接收系统的安装位置应尽可能使激光束贴近种植物而不被遮挡的位置。
红外激光发射接吸机构包括半导体红外激光二极管10、分光镜20、塑料光导纤维50、硅光电元件41、硅光电元件42、光学镜片30。该半导体红外激光二极管10产生的激光束经分光镜20分为两束，其中一束为基准光束，经过塑料光导纤维50后投射到一个硅光电元件42上，产生基准电信号；另一激光束穿光大棚空气，被二氧化碳衰减后投射到光学镜片30上，反射回的激光投射到另一硅光电元件41上，产生检测电信号，基准电信号与检测电信号一并送至激光电子控制器。
由于使用了基准激光束，使得激光二极管本身的变化，电源的波动，外界干扰等原因造成的激光束发射强度波动呈共模状态，不影响二氧化碳浓度变量的正确检出，从而保证整个系统的精度及稳定性可满足农业需要。
权利要求1.一种激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置，包括二氧化碳气源，其特征是，还设置有与之连接的电磁阀、与电磁阀联接的二氧化碳气体输送管网和激光电子控制器。
2.根据权利要求1所述的激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置，其特征是，所述激光电子控制器包括微处理器、功率放大器、红外激光发射接吸机构、温度传感器、光照传感器，键盘、显示器及相应接口电路，红外激光发射接吸机构送来的二氧化碳浓度信号和基准信号进入集成放大器，然后进入模—数转换器3，将模拟信号转换为数字信号后输出送到微处理器，温度信号经集成放大器2放大后送入运算器2，然后经模—数转换器2转换为数字信号后送入微处理器，光照信号经集成放大器1放大后送入运算器1，然后经模—数转换器1转换为数字信号后送入微处理器，键盘通过接口电路向微处理器输入信号，微处理器通过功率放大器向电磁阀输送控制信号，通过显示驱动器向显示器输送信号。
3.根据权利要求2所述的激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置，其特征是，所述红外激光发射接收装置包括半导体红外激光二极管(10)和与之连接的塑料光导纤维(50)、孪生硅光电元件(41，42)、以及与之配合的分光镜(20)及光学镜片(30)。
4.根据权利要求1或2或3所述激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置，其特征是，二氧化碳气体输送管网的管道上设置有喷气微孔。
5.根据权利要求4所述激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置，其特征是，所述喷气微孔为均匀分布，喷气微孔的轴线与管道轴线成90度夹角且相邻位置的一对孔其轴线呈正交分布。
专利摘要一种激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置，它涉及一种气体监测控制装置。本实用新型针对现有技术的不足设计了能监测大棚内二氧化碳浓度，自动调节二氧化碳浓度直到达到某类种植物在各生长期的最佳需求的激光监测大棚种植环境二氧化碳最佳浓度自适应装置。它包括二氧化碳气源，还设置有与之连接的电磁阀、与电磁阀连接的二氧化碳气体输送管网和激光电子控制器。本实用新型主要用于大棚种植。
文档编号G05B7/02GK2679671SQ20032012099
公开日2005年2月16日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者秦波, 秦超然 申请人:秦波