雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置的製作方法
2023-04-25 23:37:26 2
專利名稱：雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種氣體監測控制裝置，尤其涉及一種大棚種植環境雷射監測二氧化碳最佳濃度自適應裝置。
背景技術：
農業大棚種植物生長期間，由於光合作用，大量消耗二氧化碳，造成大棚內二氧化碳氣體濃度過低，使得種植物的產量和品質都受到影響。現代農業大棚種植日益廣泛，為提高大棚種植的產量和品質，人們已經開始向棚內添加二氧化碳氣體。植物生長依賴於光合作用。光合作用必須有一定量的二氧化碳參加才能完成。大棚是一個封閉系統，在有日光條件下，棚內植物的光合作用不斷消耗的二氧化碳，致使二氧化碳的含量不斷下降。這樣，棚內植物就一直處於「二氧化碳飢餓」狀態，產量品質都受到損失。為了克服「二氧化碳飢餓」，人們向大棚人工添加二氧化碳。到目前，添加二氧化碳的方法，國內外主要有燃燒產生，如煤炭、燃氣等；化學反應產生，如碳酸氫氨與稀硫酸反應生成二氧碳等；瓶裝或管道二氧化碳氣體。
如能將大棚內二氧化碳氣體濃度保持在最佳值，將大幅度提高種植物的產景和品質，增產效果最高值達87.4％。目前現有工業用大氣二氧化碳濃度(含量)雷射檢測裝置價格昂貴，不能直接用於農業大棚種植過程中的二氧化碳濃度監測及自適應控制。國內外當前的水平是二氧化碳注入是定性的而非定量的，也就是說每個大棚的二氧化碳注入量只是粗略估算的。但棚內二氧化碳濃度低時植物生長不足，二氧化碳濃度過高則抑制植物生長。所以，現在的各種二氧化碳注入方法都不能保證大棚內二氧化碳最佳濃度。
發明內容
本實用新型針對現有技術的不足設計了能監測大棚內二氧化碳濃度參數和溫度、光照參數，將這些參數進行處理後啟動二氧化碳氣源，自適應調節二氧化碳濃度直到達到某類種植物在各生長期的最佳需求，從而大幅度提高種植物的產量和品質的雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置。
本實用新型包括二氧化碳氣源，還設置有與之連接的電磁閥、與電磁閥連接的二氧化碳氣體輸送管網和雷射電子控制器，實現對CO2濃度的控制。
本實用新型與現有技術相比實現了以下有益效果，能夠按照種植物對二氧化碳濃度的需求隨氣溫、光照及不同的生長期變化，獲取溫度、光照的動態參數，將這些參數與二氧化碳濃度參數，某種植物的生長期參數一併輸入雷射電子控制器控制電磁閥開閉，定量補充二氧化碳，使大棚內二氧化碳濃度維持在給定值附近。
本實用新型所述雷射電子控制器包括微處理器、功率放大器、紅外雷射發射接吸機構、溫度傳感器、光照傳感器，鍵盤、顯示器及相應接口電路，其中紅外雷射發射接吸機構送來的二氧化碳濃度信號和基準信號輸入集成放大器3，經放大後輸出至模—數轉換器3，模—數轉換器3將模擬信號轉換為數位訊號後再輸出至微處理器。溫度信號可設多點檢測，檢測到的溫度信號輸入集成放大器2放大，放大後的信號輸出至運算器2運算，得到大棚內的溫度平均值輸入至模—數轉換器2轉換為數位訊號輸出至微處理器。光照信號輸入集成放大器1放大後輸出至運算器1運算，然後輸出至模—數轉換器1轉換為數位訊號，輸出至微處理器。鍵盤通過接口電路與微處理器連接，通過鍵盤向微處理器輸入大棚種植物不同生長期內所需最佳二氧化碳濃度、光照、溫度等參數。微處理器通過功率放大器向電磁閥輸送控制信號，控制電磁閥的啟閉，通過顯示驅動器向顯示器輸送信號，顯示輸入值和控制值，該顯示器可以選用OCMJ5X10尺寸為160×80mm的帶國標一級簡體漢字庫的顯示器。微處理器可選用16位的TMS320C555X或32位的MPC555兩種。
本實用新型所述紅外雷射發射接吸機構包括半導體紅外雷射二極體和與之連接的塑料光導纖維、孿生矽光電元、以及與之配合的分光鏡及光學鏡片，使用紅外雷射二氧化碳吸收技術，利用4.33微米波長的紅外雷射只對二氧化碳濃度敏感而對其他氣體不敏感的特性，設計了簡易的能滿農業精度的紅外雷射發射接吸機構，由半導體紅外雷射器產生波長為4.33微米的遠紅外雷射束，該雷射束經一分光器件均分為兩束，一束為檢測光束，另一束為基準光束。檢出光束直接穿過大棚氣體，被氣體中的二氧化碳吸收衰減後投射到一個反射器，被反射到雷射發射端的矽光電元件上(孿生元件之一)，基準雷射束穿過一條塑料光導纖維後投射到另一個矽光電元件上(孿生元件之二)。兩個矽光電元件分別將得到的兩個雷射信號轉換為兩個電信號同時經放大器、數模轉換器後送入微處理器進行處理，即可得到表徵大棚氣體中二氧化碳濃度的電信號。
將二氧化碳相關參數檢出後，溫度、光照傳感器分別將大棚內的溫度、光照參數檢出，上數參數一併經放大器、運算器後送入微處理器處理，微處理器輸出信號至功率放大器放大後輸出至電磁閥控制啟閉，從而實現對二氧化碳補充量的控制。採用廉價的紅外雷射二極體取代現有的價高的工業用雷射器，塑料光導纖維取代現有工業用二氧化碳雷射檢測裝置中的玻璃氮氣管，既可在保證測量精度的條件下簡化安裝工藝，準確實現對二氧化碳濃度的檢測，又可大大降低成本。
本實用新型所述二氧化碳氣體輸送管網的管道上設置有噴氣微孔，由硬塑料管網構成的管網可以將CO2氣體均勻地向大棚內釋放。
本實用新型所述噴氣微孔為均勻分布，噴氣微孔的軸線與管道軸線成90度且相鄰位置的一對孔的軸線呈正交分布，形成幹涉湍流能自動均化二氧化碳氣體分布。
圖1為本實用新型的方框圖；圖2為紅外雷射發射接吸機構的雷射光束路徑圖；圖中，半導體紅外雷射二極體10，分光鏡20，光學鏡片30，矽光電元件41，矽光電元件42，塑料光導纖維50。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細的描述。
如圖1所示，本實用新型包括二氧化碳氣源和與之連接的電磁閥、二氧化碳氣體輸送管網，以及控制電磁閥的雷射電子控制器。雷射電子控制器包括微處理器、功率放大器、紅外雷射發射接吸機構、溫度傳感器、光照傳感器、鍵盤、顯示器及相應接口電路。由紅外雷射發射接吸機構輸出的二氧化碳濃度信號和基準信號同時進入集成放大器3，這兩個信號經放大後輸出至模—數轉換器3，將模擬信號轉換為數位訊號後輸出至微處理器。溫度信號(可設多點檢測)進入集成放大器2放大後輸出至運算電路2進行運算，得到大棚內的溫度平均值，該值輸出至模—數轉換器2轉換為數位訊號後輸出至微處理器。
光照信號(可設多點檢測)進入集成放大器1放大後輸出至運算電路1進行運算，得到大棚光照平均值，該值輸出至模—數轉換器1轉換為數位訊號後輸出至微處理器。
大棚實際種植物的不同生長期所需二氧化碳濃度、溫度、交照等期望參數由鍵盤輸入至微處理器。微處理器將檢測到的所有信號參數與鍵盤輸入的期望參數進行比較，就其差值發出指令信號輸出至功率放大器放大，放大後的信號輸出至電磁閥，通過啟動或關閉電磁閥，從而對大棚內二氧化碳濃度自適應調節到最佳值。另外，由於並不需要對大棚內二氧化碳濃度進行連續不停地檢測，僅每15分鐘檢測一次即可滿足要求，所以，微處理器輸出一個時鐘信號，該信號送入紅外雷射發射接吸機構按每間隔15分鐘工作60秒的頻率間歇工作。此種工作狀態即可滿足需要又利於大大延長雷射發射元件的壽命。由於光照傳感器的作用，夜間微處理器將發出指令停止所有系統的工作。當大棚內二氧化碳濃度達不到需要的數值時，電磁閥被開啟，二氧化碳氣源向氣體輸送管網送氣，該管網以擾流方式將二氧化碳氣體均勻撒布於種植物之間，直到二氧化碳濃度達到要求，電磁閥被關閉。
二氧化碳氣體的輸送由氣源、管網和電磁閥完成。為了使輸入到大棚內的二氧化碳儘可能均勻分布，故採取排管輸氣方式，排管上設置有排氣微孔。
本實用新型用塑料硬管分多路向棚內注入二氧化碳氣體。管道上噴氣微孔均布，噴氣微孔的軸線與管道軸線成90度夾角，且相鄰孔軸線正交，以形成幹涉湍流自動均化二氧化碳氣體分布，以此保證棚內二氧化碳濃度較均勻分布。由於二氧化碳氣體的密度大於空氣，所以氣體輸送管網應設置於種植物上方。而雷射發射接收系統的安裝位置應儘可能使雷射束貼近種植物而不被遮擋的位置。
紅外雷射發射接吸機構包括半導體紅外雷射二極體10、分光鏡20、塑料光導纖維50、矽光電元件41、矽光電元件42、光學鏡片30。該半導體紅外雷射二極體10產生的雷射束經分光鏡20分為兩束，其中一束為基準光束，經過塑料光導纖維50後投射到一個矽光電元件42上，產生基準電信號；另一雷射束穿光大棚空氣，被二氧化碳衰減後投射到光學鏡片30上，反射回的雷射投射到另一矽光電元件41上，產生檢測電信號，基準電信號與檢測電信號一併送至雷射電子控制器。
由於使用了基準雷射束，使得雷射二極體本身的變化，電源的波動，外界幹擾等原因造成的雷射束髮射強度波動呈共模狀態，不影響二氧化碳濃度變量的正確檢出，從而保證整個系統的精度及穩定性可滿足農業需要。
權利要求1.一種雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置，包括二氧化碳氣源，其特徵是，還設置有與之連接的電磁閥、與電磁閥聯接的二氧化碳氣體輸送管網和雷射電子控制器。
2.根據權利要求1所述的雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置，其特徵是，所述雷射電子控制器包括微處理器、功率放大器、紅外雷射發射接吸機構、溫度傳感器、光照傳感器，鍵盤、顯示器及相應接口電路，紅外雷射發射接吸機構送來的二氧化碳濃度信號和基準信號進入集成放大器，然後進入模—數轉換器3，將模擬信號轉換為數位訊號後輸出送到微處理器，溫度信號經集成放大器2放大後送入運算器2，然後經模—數轉換器2轉換為數位訊號後送入微處理器，光照信號經集成放大器1放大後送入運算器1，然後經模—數轉換器1轉換為數位訊號後送入微處理器，鍵盤通過接口電路向微處理器輸入信號，微處理器通過功率放大器向電磁閥輸送控制信號，通過顯示驅動器向顯示器輸送信號。
3.根據權利要求2所述的雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置，其特徵是，所述紅外雷射發射接收裝置包括半導體紅外雷射二極體(10)和與之連接的塑料光導纖維(50)、孿生矽光電元件(41，42)、以及與之配合的分光鏡(20)及光學鏡片(30)。
4.根據權利要求1或2或3所述雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置，其特徵是，二氧化碳氣體輸送管網的管道上設置有噴氣微孔。
5.根據權利要求4所述雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置，其特徵是，所述噴氣微孔為均勻分布，噴氣微孔的軸線與管道軸線成90度夾角且相鄰位置的一對孔其軸線呈正交分布。
專利摘要一種雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置，它涉及一種氣體監測控制裝置。本實用新型針對現有技術的不足設計了能監測大棚內二氧化碳濃度，自動調節二氧化碳濃度直到達到某類種植物在各生長期的最佳需求的雷射監測大棚種植環境二氧化碳最佳濃度自適應裝置。它包括二氧化碳氣源，還設置有與之連接的電磁閥、與電磁閥連接的二氧化碳氣體輸送管網和雷射電子控制器。本實用新型主要用於大棚種植。
文檔編號G05B7/02GK2679671SQ20032012099
公開日2005年2月16日 申請日期2003年12月31日 優先權日2003年12月31日
發明者秦波, 秦超然 申請人:秦波