基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:溫度、濕度和 co 2濃度等是影響作物生長的重要環(huán)境因子,為有效進(jìn)行作物生長的環(huán)境控制,針對(duì)日光溫室的特點(diǎn), 以模糊控制理論為基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為平臺(tái),設(shè)計(jì)了一個(gè)基于模糊控制技術(shù)的計(jì)算機(jī)溫室控制系統(tǒng)。介紹了以 PC 機(jī)為 上位計(jì)算機(jī), MCS 一 51單片機(jī)為核心的智能儀表為下位機(jī)的智能溫室分布式測控系統(tǒng)的工作原理及主要功能。詳細(xì)闡述了 該系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法。該套控制系統(tǒng)符合我國現(xiàn)階段的國情且能很好地滿足生產(chǎn)要求,成本低,運(yùn)行可靠,便于推廣 應(yīng)用。關(guān)鍵詞:智能溫室 ; 計(jì)算機(jī)分布式自動(dòng)控制系統(tǒng) ;RS -485通信網(wǎng)絡(luò) ; 智能設(shè)備 , 模糊控制Di

2、stributed Measure and Control System controlled by single-chip controller used in Agricultural GreenhouscTemperature, humidity and the thickness of co2 have an important effect on the crops .In order to control such environmental factors. Based on Fuzzy control theory and computer control technology

3、 .The working Principle and main functions of the intelligent greenhouses with distributed control system in the Paper are introduced. This system uses PC as a host computer and intelligent instruments with MCS-51 single-chip microcomputers as secondary computer systems. The design methods of system

4、 hardware and software are fully described. The system was accord with the reality of agricultural Production of our country and was considered suitable to Agricultural Greenhouse and it can reach Producing requirement, Low-cost and high-reliability.KEY WORDS:intelligent greenhouse , computer distri

5、buted Auto-control system, RS-485 communication network , intelligent instrument , fuzzy control0 引言智能化溫室是集農(nóng)業(yè)科技的高、精、尖技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)于一體的先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技向 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)。它能營造相對(duì)獨(dú)立的作物生長環(huán)境,徹底擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)自然環(huán)境的高度依賴。隨著我國加入 WTO , “科技興省”是使我省在 21世紀(jì)取得長足發(fā)展的必然選擇,當(dāng)然,農(nóng)業(yè)也不例外,河南省作為一 個(gè)農(nóng)業(yè)大省, 如何發(fā)展高效、 節(jié)能、 高科技農(nóng)業(yè)以產(chǎn)出高質(zhì)量、 高附加值的農(nóng)產(chǎn)品對(duì)于我省經(jīng)

6、濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。 目前,智能化溫室控制系統(tǒng)的研究國內(nèi)已經(jīng)受到重視,省內(nèi)已有采用工控機(jī)為控制手段的成套設(shè)備,并已投入使用, 但其控制成本高,性價(jià)比低。本文結(jié)合我國國情和生產(chǎn)要求,以單片機(jī)為控制核心,研制了智能化溫室控制系統(tǒng),其成本較 工控機(jī)要低,運(yùn)行可靠,便于大批量推廣。1 控制系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 本系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示,它是一個(gè)小型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),是由數(shù)據(jù)采集工作站(下位機(jī)和中心 計(jì)算機(jī)(上位機(jī)組成的控制系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集工作站又由相應(yīng)的傳感器 (如溫度傳感器、濕度傳感器、 C02濃度傳感器、 光照度傳感器等 、模擬量輸入輸出通道、開關(guān)量輸出通道所組成。工作

7、站既可以獨(dú)立完成各種信息的采集、預(yù)處理及存儲(chǔ) 任務(wù),又可接受從中心計(jì)算機(jī)送來的控制參數(shù)設(shè)置,啟動(dòng)增溫降溫,加濕除濕,遮陽補(bǔ)光等調(diào)控設(shè)備,從而按不同要求調(diào)控 溫室的微氣候環(huán)境。上位機(jī)系統(tǒng)機(jī)將工作站送來的數(shù)據(jù),及時(shí)在線的用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、曲線的方式顯示起來,并儲(chǔ)存在相應(yīng)的數(shù) 據(jù)庫中,一般可以保存一個(gè)生長季節(jié)的數(shù)據(jù),對(duì)存儲(chǔ)起來的數(shù)據(jù),按研究需要,進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì),可顯示、打印成表格或曲 線或直方圖,同時(shí)系統(tǒng)機(jī)也向下級(jí)機(jī)傳遞控制。 圖 1:溫室測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2. 溫室控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2345溫室要求對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、二氧化碳等環(huán)境因子進(jìn)行控制,為實(shí)現(xiàn)有效的控制,一要采集環(huán)境信息,二要實(shí) 現(xiàn)實(shí)時(shí)控制

8、。 溫室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心組成的監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng), 系統(tǒng)可以獨(dú)立地完成溫室環(huán)境信息的采集、 處理 和顯示,也可以通過標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括四大部分 :單片機(jī)核心控制模塊、測量 模塊、控制模塊、通訊模塊 :2.1. 單片機(jī)核心控制模塊單片機(jī)中心控制模塊是以 AT89C51系列單片機(jī)為基礎(chǔ), 為擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)的功能而設(shè)立的, 包括程序存儲(chǔ)器 (E2PROM 、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM的擴(kuò)展,輸入輸出口 (I/0的擴(kuò)展,鍵盤、 LED 顯示電路的擴(kuò)展,硬件時(shí)鐘電路等。程序存儲(chǔ)器用來存放監(jiān) 控程序、采集程序、顯示程序、通信程序、自動(dòng)控制設(shè)備程序等。數(shù)據(jù)存

9、儲(chǔ)器 SRAM 用來存放系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測所采集的數(shù)據(jù)。 圖 2 測量控制終端結(jié)構(gòu)圖環(huán)境因子的變化有很強(qiáng)的時(shí)間性,環(huán)境信息的采集需要準(zhǔn)確、可靠的時(shí)鐘。系統(tǒng)擴(kuò)展有硬時(shí)鐘電路 (DS12887可以向系 統(tǒng)提供年、月、日、時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)。報(bào)警電路是當(dāng)某環(huán)境因子超出設(shè)置的上限、下限參數(shù)時(shí),響鈴報(bào)警,提醒操作人員注意。該模塊接收來自測量模塊的數(shù) 據(jù),根據(jù)設(shè)定的各環(huán)境因子值,命令控制模塊動(dòng)作。2.2. 測量控制模塊溫室系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)分為一般模擬量和開關(guān)量、 電量三種。 需要采集的電量為電機(jī)的三相電壓和三相電流。 設(shè)計(jì)中 采用多功能智能電表進(jìn)行電量的數(shù)據(jù)采集,多功能電表采集電量數(shù)據(jù)后,傳遞 RS485信號(hào),

10、通過保護(hù)電路傳遞到電平轉(zhuǎn)換器 MAX485芯片, 將智能電表傳送的三相電壓、 三相電流、 電度量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 TTL 格式, 再以串口通信的方式傳送給 CPU 進(jìn)行接收。 一般模擬量是指現(xiàn)場的濕度、 CO2濃度、風(fēng)速風(fēng)向等模擬量,需要通過多路復(fù)用芯片完成多路數(shù)據(jù)的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(如圖 3所示,再將采集的數(shù)據(jù)給 CPU 處理。開關(guān)量信號(hào)是指電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),繼電器狀態(tài)等參數(shù),開 關(guān)量的采集通過擴(kuò)展的串行口即 8255芯片來實(shí)現(xiàn)。 模擬量輸入圖 3 模擬量的采集測量模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室的環(huán)境溫度、濕度、光照、二氧化碳的測量。測量模塊通過傳感器把各種環(huán)境因子非電量轉(zhuǎn)換為 電量,通過

11、信號(hào)整理電路把電信號(hào)線性化、放大濾波為 0-5V 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),傳輸至核心控制模塊,然后通過 A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部 含有的 8選 1多路選擇開關(guān)分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將數(shù)字量送入單片機(jī)。溫度測量采用溫度傳感器 DS1820實(shí)現(xiàn),該傳感器測量精度高、線性度好, DS1820的輸出值是一個(gè) 9位的二進(jìn)制數(shù) 值, 其測溫范圍在 -55C 125C 之間, 當(dāng)溫度值在 -10C 85C 范圍時(shí), 誤差為 ±0.5C 。 它的方便之處在于單線接口設(shè)計(jì), 使處理器只需要接一條數(shù)據(jù)線就能對(duì)它進(jìn)行全部的操作,實(shí)現(xiàn)操作指令和測量數(shù)據(jù)的傳輸。測量精度為士 0.1,信號(hào)放大和濾波電路利用高精度集成放大電路 C

12、A3140完成。濕度測量采用濕度傳感器 HS1SW-DL-L 實(shí)現(xiàn),該傳感器測量精度高、線性度好,測量范圍 0-100% RH ,測量精度為士 3%RH,信號(hào)放大、對(duì)數(shù)壓縮電路、交流信號(hào)電路和全波整流電路利用集成放大電路 TL062完成。光照測量采用光電池實(shí)現(xiàn),測量范圍 0-100光照單位,測量精度為士 3光照單位,信號(hào)放大和 . 濾波電路利用高精度集 成放大電路 TL062完成。二氧化碳測量采用二氧化碳傳感器 GS-160實(shí)現(xiàn),該傳感器測量精度高、線性度好,測量范圍 0-100PPM ,測量精度為 士 3PPM ,信號(hào)放大和濾波電路利用高精度集成放大電路 CA3140完成?？刂颇K實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫

13、室大棚各環(huán)境參數(shù)的控制,共八路,分別控制升溫、降溫設(shè)備,加濕、去濕設(shè)備,補(bǔ)光設(shè)備,定 時(shí)灌溉設(shè)備,定時(shí)二氧化碳施肥設(shè)備,遮陽網(wǎng)設(shè)備等,控制電路是外部控制設(shè)備的自動(dòng)開關(guān),根據(jù)溫室某環(huán)境因子超出設(shè)置 的適宜參數(shù)范圍時(shí),自動(dòng)打開或關(guān)閉控制設(shè)備,調(diào)節(jié)相應(yīng)的環(huán)境因子。其實(shí)現(xiàn)電路中,光電藕合器 MOC3041的作用是觸發(fā) 雙向晶閘管以及隔離單片機(jī)系統(tǒng)與控制設(shè)備,雙向晶閘管的選擇要滿足 :額定工作電流為控制設(shè)備工作電流的 2-3倍,額定 工作電壓為控制設(shè)備 _工作電壓的 2-3倍,壓敏電阻為雙向晶閘管由導(dǎo)通到關(guān)斷狀態(tài)變化時(shí)瞬間電動(dòng)勢提供通路。輸出控制電路完成現(xiàn)場多個(gè)電機(jī)的開、?？刂?通過 8255的 PC

14、口經(jīng) ULN2803與外部的繼電器連接,控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)了弱電 控制強(qiáng)電如圖 4所示。 8255圖 4 開關(guān)量采集和輸出控制電路框圖2.3. 通訊模塊通訊模塊實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與微機(jī)之間長距離數(shù)據(jù)通訊,利用 RS-485標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。微機(jī)串口利用 RS-232標(biāo)準(zhǔn),單片機(jī)串行輸出的為 TTL 標(biāo)準(zhǔn),必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)電路中 485集成電路 75176使用的 TTL 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn),傳輸?shù)男盘?hào)為兩 路差動(dòng)信號(hào),傳輸效果、傳輸距離較長,以 9600波特率傳輸可達(dá) 1200米。 RS232集成電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)由 TTL 標(biāo)準(zhǔn)到 RS232標(biāo)準(zhǔn)的雙向轉(zhuǎn)換。采集的環(huán)境因子數(shù)據(jù)可以上傳計(jì)算機(jī)保存,各環(huán)境因子參數(shù)的設(shè)置

15、,如適宜溫度、濕度范圍、上限、下限等參數(shù),可 以通過計(jì)算機(jī)設(shè)置。3 溫室系統(tǒng)的控制方案3.1 溫室環(huán)境的控制特性溫室控制系統(tǒng)是由廣義的溫室對(duì)象和調(diào)節(jié)器所組成,對(duì)于溫室控制系統(tǒng)的要求是穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性,這三者是 相互制約、相互矛盾的。如果穩(wěn)定性過高,相比之下快速性就受到一定的影響,因此對(duì)于溫室控制系統(tǒng)來說,控制系統(tǒng)質(zhì)量 的好壞,不僅與調(diào)節(jié)器有關(guān),而且很大程度由控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性決定,對(duì)于溫室控制對(duì)象,其動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)在 1它是一個(gè) 具有多容積系數(shù)、慣性大和滯后特性的系統(tǒng),很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來描述它的變化過程。因此選擇合適的控制算法,對(duì) 提高溫室環(huán)境參數(shù)的控制品質(zhì)將起到重要的作用。3.2

16、模糊控制 6在自然界中,對(duì)于很多復(fù)雜的,多因素影響的生產(chǎn)過程,即使不知道該過程的數(shù)學(xué)模型,有經(jīng)驗(yàn)的操作人員也能根據(jù) 長期的實(shí)地觀察和操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效的控制, 而采用傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方法效果并不理想。 模糊控制理論就是在這樣的環(huán)境中 產(chǎn)生并逐漸發(fā)展完善起來的。 隨著計(jì)算機(jī)和模糊控制理論的結(jié)合, 形成了模糊控制器, 其任務(wù)正是要用計(jì)算機(jī)來模擬這種人 的思維和決策方式, 對(duì)這些復(fù)雜的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。 模糊控制器在設(shè)計(jì)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型, 尤其適用于非 線性時(shí)變、滯后、慣性大的系統(tǒng)的控制。它用一些定性的、不確定的模糊語言來表達(dá)控制這些規(guī)則,然后再應(yīng)用一系列的模 糊控制算法, 得到一組確定性

17、的模糊控制表, 通過模糊控制到輸出確切的控制值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于模糊控制完全是在操 作人員控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制,因此它是解決不確定系統(tǒng)的一種有效選擇。 圖 5 模糊控制器確定示意圖在本系統(tǒng)中模糊控制的實(shí)時(shí)算法,就是得出采樣值的偏差 e 和偏差變化率 ec ,并根據(jù)量化因子 K 1、 K 2模糊化成相應(yīng)等 級(jí)值 E 、 EC , 然后再根據(jù)已經(jīng)獲得的模糊控制總表, 推算出相應(yīng)的模糊控制輸出量的等級(jí)值 u 。 若等級(jí)值 u 代表的是離散量, 則轉(zhuǎn)換成該等級(jí)值所代表的意義 :若等級(jí)值 u 代表的是連續(xù)量, 則乘以比例因子 K3轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的模擬量, 并用此模擬量用于 溫室的控制機(jī)構(gòu)的控制量

18、。其模糊控制器確定示意圖如上圖 5所示。溫室分布式測控系統(tǒng)的軟件包括兩部分, 位于現(xiàn)場的以單片機(jī)為核心的智能儀表監(jiān)控管理程序, 利用匯編語言編制,主要 側(cè)重于現(xiàn)場過程或?qū)ο蟮目刂?; 上位機(jī)利用可視化語言 visual BasiC 6.0編制,重點(diǎn)放在對(duì)各終端智能儀表的節(jié)點(diǎn)管理和控制 的協(xié)調(diào),一般情況下,并不直接參與控制。這兩部分軟件有些功能相似,某些參數(shù)既可以在智能儀表的面板上設(shè)置,也可在 上位計(jì)算機(jī)的集成管理軟件上設(shè)置,如溫濕度設(shè)定值,上下限報(bào)警值等。兩種可各自獨(dú)立操作和運(yùn)行,并不依賴于對(duì)方,這 樣才能作到整個(gè)測控系統(tǒng)功能的真正分布,也增強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余性和容錯(cuò)性。設(shè)置上位計(jì)算機(jī)的必要性是

19、:自動(dòng)保存歷史數(shù)據(jù),以供科學(xué)研究。提供友好的用戶觀測界面,操作方便。對(duì)于下 一步連接溫室大棚自動(dòng)控制提供接口。VB 語言是以過程體為單元,以事件觸發(fā)執(zhí)行過程體完成軟件功能的,因此上級(jí)機(jī)的軟件是由多個(gè)模塊組成,每一個(gè) 模塊完成一項(xiàng)功能如圖 6 所示。系統(tǒng)軟件主要由 7大模塊組成,即系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊、傳感器標(biāo)定曲線模塊、控制參數(shù)設(shè)定模塊、模糊控制總表確定 模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控模塊、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)模塊、幫助文件模塊。主模塊的流程圖如圖所示,它主要完成多任務(wù)系統(tǒng)的管 理窗口,該窗口利用 VB 中命令按扭的單擊事件進(jìn)行任務(wù)選擇,然后進(jìn)入相應(yīng)模塊的管理窗口并進(jìn)行相應(yīng)的操作,同時(shí)對(duì)各 個(gè)窗口的進(jìn)入順序有一定的要求, 系統(tǒng)會(huì)對(duì)用戶的操作過程進(jìn)行一定的提示, 使操作人員對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)一目了然。 如用戶 只有在對(duì)傳感器控制窗口進(jìn)行確定之后才能進(jìn)入控制參數(shù)設(shè)定窗口, 而數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控窗口只有在對(duì)傳感器控制窗口、 系 統(tǒng)參數(shù)設(shè)定窗口、控制參數(shù)設(shè)定窗口、模糊控制設(shè)定窗口之后才能進(jìn)入數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控窗口。 圖 6 上位機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)編寫的系統(tǒng)管理軟件,是必備的用于生產(chǎn)操作和監(jiān)視的控制軟件包,其主要功能為 :(l實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。采集現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送入上位計(jì)算機(jī),并以數(shù)值和實(shí)時(shí)曲線