教學(xué)型溫室大棚的研制

李巖舟，周 清，班彩霞，陳科余，詹 榮，鄒 明，韋敏立

（廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

廣西大學(xué)作為一所211類地方性院校，主要的辦學(xué)定位是立足廣西，服務(wù)廣西，服務(wù)“三農(nóng)”，服務(wù)北部灣開發(fā)。本專業(yè)培養(yǎng)出的人才，如何能滿足廣西農(nóng)業(yè)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)機械化發(fā)展，能滿足東盟自由貿(mào)易區(qū)對廣西農(nóng)機業(yè)的要求，將成為本專業(yè)培養(yǎng)中的重點。

由于廣西目前的農(nóng)機市場主要是在東南亞，要想在該市場上具有一定的優(yōu)勢，必須大力發(fā)展農(nóng)機自動化控制技術(shù)。這就要求我們農(nóng)業(yè)機械工程及其自動化專業(yè)的學(xué)生，除了要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械知識外，還要增加新興的機電一體化技術(shù)方面的內(nèi)容。在此背景下，本專業(yè)于2006～2007學(xué)年第一學(xué)期，開設(shè)了機電一體化系統(tǒng)設(shè)計這門課程。

農(nóng)機專業(yè)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計這門課程，作為農(nóng)業(yè)機械化及自動化專業(yè)大四上學(xué)期的專業(yè)選修課，是農(nóng)機專業(yè)多門選修課程的一個總結(jié)。其將前面所學(xué)測試技術(shù)、電工學(xué)、微機原理以及其他機械類課程的知識進行了匯總。如何讓學(xué)生更好的理解學(xué)過的知識并學(xué)以致用，進而能自主設(shè)計機電一體化產(chǎn)品，成為本門課程的一個重點和難點。

通過對區(qū)內(nèi)外各兄弟院校農(nóng)機類專業(yè)課程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各院校為提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，不約而同地通過加大實驗教學(xué)力度，來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和品質(zhì)，但各院校大都采用室外實驗教學(xué)的形式進行。對于廣西大學(xué)來說，農(nóng)機專業(yè)實驗教學(xué)面臨著室外實驗場地不足、設(shè)備嚴(yán)重老化的問題。所以通過大量的調(diào)研后，決定研制一款教學(xué)型溫室大棚[1]，作為農(nóng)機專業(yè)機電一體化課程的實驗設(shè)備。

1 教學(xué)型溫室大棚的設(shè)計思路

傳統(tǒng)的溫室大棚，是農(nóng)業(yè)機械中較為重要且綜合性較高的設(shè)備，由于其包含各種控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)及機械構(gòu)架，一直為農(nóng)機專業(yè)實驗教學(xué)所青睞。本專業(yè)在設(shè)施農(nóng)業(yè)課程中，已開設(shè)類似實驗。學(xué)生主要通過去使用戶外的溫室大棚了解相關(guān)知識。但由于其操作控制要根據(jù)室外環(huán)境變化來進行，難以達到實時控制，學(xué)生只能停留在對溫室大棚構(gòu)架和原理的了解上[2]，對其控制及細節(jié)上把握不夠，最后導(dǎo)致實驗變成了參觀，無助于提高學(xué)生的實踐教學(xué)。

所以，針對這一問題，有必要設(shè)計一種用于實驗教學(xué)的溫室大棚，要能滿足如下要求：

（1）占用空間盡可能小，以滿足室內(nèi)教學(xué)使用；

（2）能夠模擬外界環(huán)境的變化，按照試驗需要設(shè)置環(huán)境；

（3）設(shè)置相關(guān)測量傳感器，能夠測量溫度、濕度及光照情況；

（4）設(shè)計便于操作的控制系統(tǒng)，收集傳感器輸入信號，輸出控制信號給驅(qū)動器。

（5）設(shè)計驅(qū)動設(shè)備，實現(xiàn)溫室內(nèi)部環(huán)境的控制。

2 教學(xué)型溫室大棚的整體設(shè)計方案

教學(xué)型溫室大棚整體方案的設(shè)計，主要從大棚的骨架、遮陽幕系統(tǒng)[3]、光照控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等方面來進行研究[4]。

溫室的組成，首先要有一個能夠承載重荷的骨架，骨架位于跨度之間，并且在承受載荷之后，不能有過大的變形，其次還要考慮大棚的通風(fēng)、采光等其他性能，從而充分發(fā)揮設(shè)施農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在自然災(zāi)害中的損失，提高經(jīng)濟效益。

圖1為設(shè)計的溫室框架模型[5]，體積為200 cm×150 cm×150 cm，框架主體為Q235萬能角鋼，用不銹鋼螺栓連接，用PE塑料薄膜覆蓋，頂部安裝遮陽網(wǎng)。

圖1 溫室框架模型

教學(xué)型溫室控制系統(tǒng)，主要由STC12C5A60S2單片機、DHT11溫濕度傳感器、GZD-V1-15光照度變送器，LCD液晶顯示、繼電器控制模塊、報警模塊、LED指示燈、電爐加熱裝置、加濕器、排風(fēng)扇、遮陽篷及熒光燈組成[6]。

其中，

STC12C5A60S2單片機，主要完成對外圍硬件的控制以及一些運算功能；

DHT11溫濕度傳感器，輸出數(shù)字信號給單片機；

GZD-V1-15光照度變送器，輸出模擬信號，經(jīng)單片機內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換；

LCD液晶顯示，實時顯示溫濕度及光照強度值；

繼電器模塊，起隔離控制電流與工作電流作用，實現(xiàn)使用單片機小電流控制大電流的目的，通過繼電器控制外部電器工作，實現(xiàn)對溫室實時準(zhǔn)確控制。

本系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 教學(xué)型溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其由分布式的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成，外界環(huán)境模擬箱可通過人工控制，模擬外界環(huán)境變化（如溫度、濕度、光照強度等）。在模擬箱內(nèi)，安裝了數(shù)據(jù)采集的傳感器，將光照變送器的輸出模擬信號和溫濕度傳感器的數(shù)字信號傳遞給單片機，單片機負責(zé)處理輸入信號并做出實時判斷，智能控制溫室內(nèi)的執(zhí)行機構(gòu)，發(fā)生相應(yīng)動作，使溫室內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境形成負反饋，維持適合作物生長的環(huán)境條件。同時為了提升控制的靈活性，另設(shè)置了點動控制按鈕，使其更適合教學(xué)與生產(chǎn)要求。

3 結(jié)束語

本實驗裝置，給學(xué)生提供了一個良好的機電一體化課程的實驗平臺。通過基本驗證性實驗，給學(xué)生提供了一個機電一體化系統(tǒng)分析、控制和設(shè)計的學(xué)習(xí)平臺；通過實踐，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握有關(guān)機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生綜合利用基礎(chǔ)知識和技能來分析和解決機電系統(tǒng)工程實際問題的能力；通過該綜合實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握到先進的控制技術(shù)，通過親自動手拆裝、編程、調(diào)試，將能更好地鍛煉學(xué)生的動手能力，真正起到提高實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的作用。

同時實驗裝置還能用于農(nóng)機專業(yè)新生入學(xué)的專業(yè)教育上，增加本院機電專業(yè)學(xué)生的實驗項目，讓同學(xué)通過對該實驗裝置的了解，激發(fā)學(xué)生對農(nóng)機的興趣，樹立對農(nóng)機的信心，明確未來的學(xué)習(xí)方向。

[1]張 鑫.大棚型日光溫室性能及其應(yīng)用技術(shù)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[2]郭長江，楊改云.玻璃溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000，（1）：65-67.

[3]劉東來.我國目前使用的溫室遮陽系統(tǒng)類型及性能（一）[J].設(shè)施園藝，2000，（9）：8-9.

[4]蔡啟運.溫室與大棚的設(shè)計[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，1980，（02）：13-19.

[5]張安祥，孫 測，陸永強.裝配式單棟鋼管大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計及搭建[J].浙江農(nóng)村機電，2008，（4）：39-41.

[6]劉俊巖，張海輝，胡瑾，岳青，陳希同.基于ZigBee的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]，農(nóng)機化研究，2012,33（1）：111-118.