基于AVR单片机的茶园智能防霜控制系统设计(3)
第三章， 硬件电路的设计，由保证性能而提出的设计要求，查找所需元器件，完成整体电路的设计。
第四章， 软件设计，设计了整体系统工作过程的流程图和源程序，主要包括数据的采集和处理，临界温湿度程序的选择，灯光和加热电路工作的程序。
第五章， 系统调试和实验结果，对系统功能的调试，并模拟相应环境参数变化后系统的工作，测量相应的数据进行分析。
2 总体方案的设计
2.1 茶园的霜冻原因和防霜技术对比
2.1.1茶园的霜冻原因
霜冻是指在温暖时期（日平均气温在0℃以上），温度短时间内下降到足以使农作物遭到伤害或是死亡的天气[12]。霜冻主要取决于空气中的含水量和温度的高低，近年来还发现与环境中的颗粒物（pm2.5）[13]、风速、植物冰核细菌含量有关。从南京的气候来看，3月中下旬和4月初的晚霜冻对茶树伤害较大，这是因为南京春天昼夜温差非常大，相关数据如下表：
南京四季日总温差(℃)
春季
Spring
(3~5月) 夏季
Summer
（6~8月） 秋季
Autuem
（9~11月） 冬季
Winter
（12~2月）
31.5 20.2 24.5 23.9
从中我们可以看出，春季在变暖的过程中，气温骤升猛降，春季在四季中昼夜温差最大[14]。当春季气温回升较快时，如果遇到寒流或势力较强的冷空气，就容易形成霜冻天气。
对于3月中下旬的茶叶来讲，由于茶芽已经萌动，幼嫩芽叶含水量显著提高，细胞汁浓度降低，原被鱼叶、鲮叶包裹的芽叶裸露在外面，茶芽自身防冻能力减弱，每当遇到强冷空气南袭，易导致细胞内水分冻结，原生质遭到机械破坏，使茶汁外泄而变红，出现麻点，以致茶叶顶尖出现“赤枯状”，还导致一些待抽条的腋芽或顶芽在短时间内停止萌发[15]。
2.1.2 常用防霜方法分析
在长期的劳动中，智慧的人民发现了很多方法防止霜冻，由于科学技术的发展，科研人员的不断努力，也研发了一些新的防治方法，下表列举了常用的方法：
茶园防霜技术
措施 原理 缺点
铺草法[16] 保持土壤水分，防止热量散发，低温提高1~2℃，湿度增加5~10% 费时费工，劳动繁琐，防霜效果不明显
烟熏法[17] 霜冻前，在茶树周围熏烟，促使上下层空气对流，增强地面辐射，减少地面温度损失 劳动强度大，污染环境，影响茶叶品质
喷水结冰法[18] 向茶树喷洒地下水，温度高于地面，当水结冰时释放大量热，保持茶树温度 需要地下水，浪费水资源，而且使茶园的湿度增加
直升机干扰法[19] 利用直升机旋浆的告诉旋转扰动空气，使空气发生对流，将热空气带至下层提供热量 成本高，而且需要专门的人驾驶飞机，危险度高
高架风扇法[20] 利用‘逆温’现象，风扇扰动空气使之对流，为茶树提供一定的热量，免受冻害 对于逆温天气作用明显，个别天气较差，有盲区
喷涂药剂[21] 化学药剂能够使冰核细菌减少，从而减少霜冻的危害 作用范围不大，容易污染环境
从表中不难看出，有效地防霜在于在霜冻之前或者正在发生时，及时改变茶园温度等气候环境参数，才能使茶园免受霜冻冻害，尽可能的挽回损失。目前世界上用的最多也是最先进的方法就是高架风扇法，利用‘逆温现象’的出现，在茶园的垂直上空方向，气温分层分布，越接近地面的温度约低，7米的高空温度和地表温度相差5摄氏度左右，使用风扇扰动空气发生对流，提高地表温度，有效地减少了霜冻的发生，但是由于茶园地形的限制以及不能保证‘逆温现象’一直都有，霜冻出现的可能性比较大，茶农承受经济损失的风险度就高。为了弥补这种缺陷，我们可以产生热量，当电流通过导线的电阻可用于霜，将电能转化为热能在茶园加热，使加热导线周围的空气升温，热能以空气为介质向四周扩散，又因为外界空气寒冷，热的空气会上升经过茶树的树冠层，这样茶树就在一个相对温暖的环境里生长，具有随时随地工作的优势。