本发明涉及一种植物培养箱的控制系统，尤其是基于单片机的植物培养箱的智能控制系统和控制方法。
背景技术：
植物组培是设施农业产业链中的重要节点，温度、湿度、光照、CO2是影响植物组培最重要的外界条件。目前植物组培所采用的荧光灯光源，其发射的带状光谱与植物选择性吸收光谱不完全匹配，用于植物组培补光，针对性差、光效低，发热量大，能耗高；加温装置以电加热方式为主，但电加热元件多为旁热式电热管、电热板，存在热惯性大、转化效率低、储能高等不足。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种光谱符合植物生长需要、温度温度、能耗低的基于单片机的植物培养箱的智能控制系统和控制方法，具体技术方案为：
基于单片机的植物培养箱的智能控制系统，包括单片机模块、检测模块、环境控制模块、存储模块和输入输出模块，所述检测模块、环境控制模块、存储模块和输入输出模块均与单片机模块连接；所述单片机模块保存运行程序，同时完成培养箱内部环境参数信息的采集和存储，单片机模块再将收到的信息在内部进行计算和与设定的参数进行比较，从而做出相应的判断，最后再根据判断的结果输出报警信号和通过环境控制模块调控培养箱内部的环境；所述检测模块用于检测培养箱内部的温度、湿度、光照强度和CO2浓度；所述环境控制模块用于控制培养箱内部的温度、湿度、光照强度和CO2浓度；所述存储模块保存程序运行参数、当前系统运行的情况记录和历史数据；所述输入输出模块用于设置参数和实时显示培养箱内部的环境参数。
优选的，所述单片机模块包括MSP430F149单片机、晶振电路和复位电路；所述晶振电路包括一个12MHz的晶振和两个30pf的电容，通过晶振的振荡提供需要的时钟信号；所述复位电路为上电复位。
优选的，所述检测模块包括温度传感器、光照强度传感器、CO2传感器和湿度传感器。
其中，所述温度传感器为PT100，温度传感器通过转换电路和信号放大电路与A/D转换器连接；所述光照强度传感器为SM3560M，光照强度传感器通过转换电路与A/D转换器连接；所述CO2传感器为SM6070B，CO2传感器与A/D转换器连接；所述A/D转换器与单片机模块连接；所述湿度传感器为SHT11数字式温湿度传感器，温湿度传感器与单片机模块连接。
优选的，所述输入输出模块为触摸屏，所述触摸屏通过RS232与单片机模块连接。
优选的，所述环境控制模块包括加热系统、加湿系统、光照系统、制冷系统和CO2浓度系统。
其中，所述加热系统包括均与固体继电器连接的加热器和加热风扇，加热风扇将将培养箱内部的空气进行循环加热；所述加湿系统包括固体继电器和加湿锅炉，所述加湿锅炉与固体继电器连接，加湿锅炉通过管道将蒸汽送入培养箱内部；所述光照系统包括固体继电器和LED灯，所述LED灯与固体继电器连接；所述固体继电器均与单片机模组的PWM控制器连接；所述的制冷系统包括制冷机组和制冷风机，所述制冷机组和冷风机均与电磁继电器连接，制冷风机对培养箱内部的空气进行循环制冷；所述CO2浓度系统包括电磁继电器、电磁阀和CO2气瓶，所述电磁继电器与电磁阀连接，所述电磁阀与CO2气瓶连接；所述电磁继电器均与单片机模组的连接。
优选的，所述LED灯是三基色灯即包含红光、白光、蓝光三种颜色的灯，所述红光的波长为600nm-700nm，蓝光的波长为400nm-500nm，三种光源是分别与固态继电器连接完成光照强弱的控制。
基于单片机的植物培养箱的智能控制方法，包括以下步骤：
S1系统启动，通电后系统进行初始化；
S2参数设置，在触摸屏上选择参数设置，根据植物培养的需要设置温度、湿度、光照强度、CO2浓度以及运行时间；
S3温度的控制，单片机模块发出温度检测指令，温度传感器检测培养箱内部的温度，然后将检测的温度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的温度与设定的温度进行比较，当检测的温度高于设定温度时，单片机模块发出降温控制信号，通过电磁继电器启动制冷机组和制冷风机，制冷风机对培养箱内部的空气进行循环制冷，降低空气的温度，当检测的温度低于设定的温度时，单片机模组发出升温控制信号，通过PWM控制器对加热器和加热风扇进行控制，加热风扇对培养箱内部的空气进行循环加热，提高空气的温度；
S4湿度的控制，单片机模块发出湿度检测指令，湿度传感器检测培养箱内部的湿度，然后将检测的湿度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的湿度与设定的湿度进行比较，当检测的湿度低于设定的湿度时，单片机模组发出加湿控制信号，通过PWM控制器对加湿锅炉进行控制，将冷水烧成蒸汽送入到培养箱内部提高空气的湿度，当检测的湿度高于设定湿度时，单片机模块发出除湿控制信号，通过电磁继电器启动制冷机组和制冷风机，制冷风机对培养箱内部的空气进行循环制冷，通过降温除湿来降低空气的湿度；
S5光照强度的控制，单片机模块发出光照强度检测指令，光照强度传感器检测培养箱内部的光照强度，然后将检测的光照强度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的光照强度与设定的光照强度进行比较，当检测的光照强度与设定光照强度不同时，单片机模块发出光照强度控制信号，通过PWM控制器对LED灯进行控制，调节光照强度；
S6二氧化碳浓度的控制，单片机模块发出二氧化碳浓度检测指令，二氧化碳浓度传感器检测培养箱内部的二氧化碳浓度，然后将检测的二氧化碳浓度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的二氧化碳浓度与设定的二氧化碳浓度进行比较，当检测的二氧化碳浓度低于设定的二氧化碳浓度时，单片机模组发出电磁阀控制信号，通过电磁继电器打开电磁阀，将二氧化碳气瓶中的二氧化碳加入到培养箱内部提高空气的二氧化碳浓度。
其中，所述步骤S3和S4中温度和湿度的控制均采用PID调节，根据PID的输出量控制PWM波的占空比，从而达到控制温度和湿度的稳定性；所述步骤S5中三种光源是通过独立的固态继电器完成光照强弱的控制，根据设定的光照强度进行单独控制或交叉控制；所述步骤S6中电磁阀的开启为点开启即开启时间很短，通过多次开启逐渐提高二氧化碳浓度，防止二氧化碳浓度过冲。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明提供的基于单片机的植物培养箱的智能控制系统和控制方法操作方便、功能齐全、高效节能，且具扩展性，可实现对温室环境中光照、温度、湿度和CO2浓度等参数智能模拟和控制，温度、湿度控制系统采用的PID控制方式，温度的最大绝对误差1℃、湿度最大相对误差控在±5%，实现恒定的温度和湿度场，光照强度和CO2浓度控制精确，满足植物的生长需要。
具体实施方式
现通过实施例作进一步说明。
实施例1
基于单片机的植物培养箱的智能控制系统，包括单片机模块、检测模块、环境控制模块、存储模块和输入输出模块，所述检测模块、环境控制模块、存储模块和输入输出模块均与单片机模块连接；所述单片机模块保存运行程序，同时完成培养箱内部环境参数信息的采集和存储，单片机模块再将收到的信息在内部进行计算和与设定的参数进行比较，从而做出相应的判断，最后再根据判断的结果输出报警信号和通过环境控制模块调控培养箱内部的环境；所述检测模块用于检测培养箱内部的温度、湿度、光照强度和CO2浓度；所述环境控制模块用于控制培养箱内部的温度、湿度、光照强度和CO2浓度；所述存储模块保存程序运行参数、当前系统运行的情况记录和历史数据；所述输入输出模块用于设置参数和实时显示培养箱内部的环境参数。
优选的，所述单片机模块包括MSP430F149单片机、晶振电路和复位电路；所述晶振电路包括一个12MHz的晶振和两个30pf的电容，通过晶振的振荡提供需要的时钟信号；所述复位电路为上电复位。
优选的，所述检测模块包括温度传感器、光照强度传感器、CO2传感器和湿度传感器。
其中，所述温度传感器为PT100，温度传感器通过转换电路和信号放大电路与A/D转换器连接；所述光照强度传感器为SM3560M，光照强度传感器通过转换电路与A/D转换器连接；所述CO2传感器为SM6070B，CO2传感器与A/D转换器连接；所述A/D转换器与单片机模块连接；所述湿度传感器为SHT11数字式温湿度传感器，温湿度传感器与单片机模块连接。
优选的，所述输入输出模块为触摸屏，所述触摸屏通过RS232与单片机模块连接。
优选的，所述环境控制模块包括加热系统、加湿系统、光照系统、制冷系统和CO2浓度系统。
其中，所述加热系统包括均与固体继电器连接的加热器和加热风扇，加热风扇将将培养箱内部的空气进行循环加热；所述加湿系统包括固体继电器和加湿锅炉，所述加湿锅炉与固体继电器连接，加湿锅炉通过管道将蒸汽送入培养箱内部；所述光照系统包括固体继电器和LED灯，所述LED灯与固体继电器连接；所述固体继电器均与单片机模组的PWM控制器连接；所述的制冷系统包括制冷机组和制冷风机，所述制冷机组和冷风机均与电磁继电器连接，制冷风机对培养箱内部的空气进行循环制冷；所述CO2浓度系统包括电磁继电器、电磁阀和CO2气瓶，所述电磁继电器与电磁阀连接，所述电磁阀与CO2气瓶连接；所述电磁继电器均与单片机模组的连接。
优选的，所述LED灯是三基色灯即包含红光、白光、蓝光三种颜色的灯，所述红光的波长为600nm-700nm，蓝光的波长为400nm-500nm，三种光源是分别与固态继电器连接完成光照强弱的控制。
实施例2
基于单片机的植物培养箱的智能控制方法，包括以下步骤：
S1系统启动，通电后系统进行初始化；
S2参数设置，在触摸屏上选择参数设置，根据植物培养的需要设置温度、湿度、光照强度、CO2浓度以及运行时间；
S3温度的控制，单片机模块发出温度检测指令，温度传感器检测培养箱内部的温度，然后将检测的温度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的温度与设定的温度进行比较，当检测的温度高于设定温度时，单片机模块发出降温控制信号，通过电磁继电器启动制冷机组和制冷风机，制冷风机对培养箱内部的空气进行循环制冷，降低空气的温度，当检测的温度低于设定的温度时，单片机模组发出升温控制信号，通过PWM控制器对加热器和加热风扇进行控制，加热风扇对培养箱内部的空气进行循环加热，提高空气的温度；
S4湿度的控制，单片机模块发出湿度检测指令，湿度传感器检测培养箱内部的湿度，然后将检测的湿度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的湿度与设定的湿度进行比较，当检测的湿度低于设定的湿度时，单片机模组发出加湿控制信号，通过PWM控制器对加湿锅炉进行控制，将冷水烧成蒸汽送入到培养箱内部提高空气的湿度，当检测的湿度高于设定湿度时，单片机模块发出除湿控制信号，通过电磁继电器启动制冷机组和制冷风机，制冷风机对培养箱内部的空气进行循环制冷，通过降温除湿来降低空气的湿度；
S5光照强度的控制，单片机模块发出光照强度检测指令，光照强度传感器检测培养箱内部的光照强度，然后将检测的光照强度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的光照强度与设定的光照强度进行比较，当检测的光照强度与设定光照强度不同时，单片机模块发出光照强度控制信号，通过PWM控制器对LED灯进行控制，调节光照强度；
S6二氧化碳浓度的控制，单片机模块发出二氧化碳浓度检测指令，二氧化碳浓度传感器检测培养箱内部的二氧化碳浓度，然后将检测的二氧化碳浓度信号传输给单片机模块，单片机模块对当前的二氧化碳浓度与设定的二氧化碳浓度进行比较，当检测的二氧化碳浓度低于设定的二氧化碳浓度时，单片机模组发出电磁阀控制信号，通过电磁继电器打开电磁阀，将二氧化碳气瓶中的二氧化碳加入到培养箱内部提高空气的二氧化碳浓度。
其中，所述步骤S3和S4中温度和湿度的控制均采用PID调节，根据PID的输出量控制PWM波的占空比，从而达到控制温度和湿度的稳定性；所述步骤S5中三种光源是通过独立的固态继电器完成光照强弱的控制，根据设定的光照强度进行单独控制或交叉控制；所述步骤S6中电磁阀的开启为点开启即开启时间很短，通过多次开启逐渐提高二氧化碳浓度，防止二氧化碳浓度过冲。