单片机的温室自动控制系统介绍（鸿控）
基于单片机的温室自动控制系统设计
摘要:温度、湿度和 co 2浓度等是影响作物生长的重要环境因子,为有效进行作物生长的环境控制,针对日光温室的特点, 以模糊控制理论为基础,计算机控制技术为平台,设计了一个基于模糊控制技术的计算机温室控制系统。介绍了以 PC 机为 上位计算机, MCS 一 51单片机为核心的智能仪表为下位机的智能温室分布式测控系统的工作原理及主要功能。详细阐述了 该系统的软、硬件实现方法。该套控制系统符合我国现阶段的国情且能很好地满足生产要求,成本低,运行可靠,便于推广 应用。
0 引言
智能化温室是集农业科技的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进的农业生产设施,是现代农业科技向 产业转化的物质基础。它能营造相对独立的作物生长环境,彻底摆脱传统农业对自然环境的高度依赖。
随着我国加入 WTO , “科技兴省”是使我省在 21世纪取得长足发展的必然选择,当然,农业也不例外,河南省作为一 个农业大省, 如何发展高效、 节能、 高科技农业以产出高质量、 高附加值的农产品对于我省经济的发展起着举足轻重的作用。 目前,智能化温室控制系统的研究国内已经受到重视,省内已有采用工控机为控制手段的成套设备,并已投入使用, 但其控制成本高,性价比低。本文结合我国国情和生产要求,以单片机为控制核心,研制了智能化温室控制系统,其成本较 工控机要低,运行可靠,便于大批量推广。
1 控制系统原理与结构设计 [1 ]
本系统原理结构框图如图 1所示,它是一个小型的分布式数据采集与控制系统,是由数据采集工作站(下位机和中心 计算机(上位机组成的控制系统。其中数据采集工作站又由相应的传感器 (如温度传感器、湿度传感器、 C02浓度传感器、 光照度传感器等 、模拟量输入输出通道、开关量输出通道所组成。工作站既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储 任务,又可接受从中心计算机送来的控制参数设置,启动增温降温,加湿除湿,遮阳补光等调控设备,从而按不同要求调控 温室的微气候环境。上位机系统机将工作站送来的数据,及时在线的用动态数据、曲线的方式显示起来,并储存在相应的数 据库中,一般可以保存一个生长季节的数据,对存储起来的数据,按研究需要,进行分析、统计,可显示、打印成表格或曲 线或直方图,同时系统机也向下级机传递控制。
图 1:温室测控系统结构图
2. 温室控制系统的硬件设计 [2][3][4][5]
温室要求对温室内温度、湿度、光照、二氧化碳等环境因子进行控制,为实现有效的控制,一要采集环境信息,二要实 现实时控制。 温室内的监控系统是以单片机为核心组成的监测与调控系统, 系统可以独立地完成温室环境信息的采集、 处理 和显示,也可以通过标准的 RS-485接口与上位机实现通讯。该系统硬件电路设计包括四大部分 :单片机核心控制模块、测量 模块、控制模块、通讯模块 :
2.1. 单片机核心控制模块
单片机中心控制模块是以 AT89C51系列单片机为基础, 为扩展单片机系统的功能而设立的, 包括程序存储器 (E2PROM 、 数据存储器 (RAM的扩展,输入输出口 (I/0的扩展,键盘、 LED 显示电路的扩展,硬件时钟电路等。程序存储器用来存放监 控程序、采集程序、显示程序、通信程序、自动控制设备程序等。数据存储器 SRAM 用来存放系统连续监测所采集的数据。
图 2 测量控制终端结构图
环境因子的变化有很强的时间性,环境信息的采集需要准确、可靠的时钟。系统扩展有硬时钟电路 (DS12887可以向系 统提供年、月、日、时、分、秒的计时。
报警电路是当某环境因子超出设置的上限、下限参数时,响铃报警,提醒操作人员注意。该模块接收来自测量模块的数 据,根据设定的各环境因子值,命令控制模块动作。
2.2. 测量控制模块
温室系统需要采集的数据分为一般模拟量和开关量、 电量三种。 需要采集的电量为电机的三相电压和三相电流。 设计中 采用多功能智能电表进行电量的数据采集,多功能电表采集电量数据后,传递 RS485信号,通过保护电路传递到电平转换器 MAX485芯片, 将智能电表传送的三相电压、 三相电流、 电度量数据转化为 TTL 格式, 再以串口通信的方式传送给 CPU 进行接收。 一般模拟量是指现场的湿度、 CO2浓度、风速风向等模拟量,需要通过多路复用芯片完成多路数据的采集和模数转换器完成 模拟量和数字量的转换(如图 3所示,再将采集的数据给 CPU 处理。开关量信号是指电机运行状态,继电器状态等参数,开 关量的采集通过扩展的串行口即 8255芯片来实现。
模
拟
量
输
入
图 3 模拟量的采集
测量模块实现了对温室的环境温度、湿度、光照、二氧化碳的测量。测量模块通过传感器把各种环境因子非电量转换为 电量,通过信号整理电路把电信号线性化、放大滤波为 0-5V 的标准信号,传输至核心控制模块,然后通过 A/D转换器内部 含有的 8选 1多路选择开关分别对信号进行模数转换,将数字量送入单片机。
温度测量采用温度传感器 DS1820实现,该传感器测量精度高、线性度好, DS1820的输出值是一个 9位的二进制数 值, 其测温范围在 -55︒C ~125︒C 之间, 当温度值在 -10︒C ~85︒C 范围时, 误差为 ±0.5︒C 。 它的方便之处在于单线接口设计, 使处理器只需要接一条数据线就能对它进行全部的操作,实现操作指令和测量数据的传输。
测量精度为士 0.1℃,信号放大和滤波电路利用高精度集成放大电路 CA3140完成。
湿度测量采用湿度传感器 HS1SW-DL-L 实现,该传感器测量精度高、线性度好,测量范围 0-100% RH ,测量精度为士 3%RH,信号放大、对数压缩电路、交流信号电路和全波整流电路利用集成放大电路 TL062完成。
光照测量采用光电池实现,测量范围 0-100光照单位,测量精度为士 3光照单位,信号放大和 . 滤波电路利用高精度集 成放大电路 TL062完成。
二氧化碳测量采用二氧化碳传感器 GS-160实现,该传感器测量精度高、线性度好,测量范围 0-100PPM ,测量精度为 士 3PPM ,信号放大和滤波电路利用高精度集成放大电路 CA3140完成。
控制模块实现了对温室大棚各环境参数的控制,共八路,分别控制升温、降温设备,加湿、去湿设备,补光设备,定 时灌溉设备,定时二氧化碳施肥设备,遮阳网设备等,控制电路是外部控制设备的自动开关,根据温室某环境因子超出设置 的适宜参数范围时,自动打开或关闭控制设备,调节相应的环境因子。其实现电路中,光电藕合器 MOC3041的作用是触发 双向晶闸管以及隔离单片机系统与控制设备,双向晶闸管的选择要满足 :额定工作电流为控制设备工作电流的 2-3倍,额定 工作电压为控制设备 _工作电压的 2-3倍,压敏电阻为双向晶闸管由导通到关断状态变化时瞬间电动势提供通路。
输出控制电路完成现场多个电机的开、停控制,通过 8255的 PC 口经 ULN2803与外部的继电器连接,控制电机实现了弱电 控制强电如图 4所示。
8255
图 4 开关量采集和输出控制电路框图
2.3. 通讯模块
通讯模块实现了单片机与微机之间长距离数据通讯,利用 RS-485标准设计。微机串口利用 RS-232标准,单片机串行
输出的为 TTL 标准,必须实现标准信号间的转换。实现电路中 485集成电路 75176使用的 TTL 信号标准,传输的信号为两 路差动信号,传输效果、传输距离较长,以 9600波特率传输可达 1200米。 RS232集成电路实现信号由 TTL 标准到 RS232标准的双向转换。
采集的环境因子数据可以上传计算机保存,各环境因子参数的设置,如适宜温度、湿度范围、上限、下限等参数,可 以通过计算机设置。
3 温室系统的控制方案
3.1 温室环境的控制特性
温室控制系统是由广义的温室对象和调节器所组成,对于温室控制系统的要求是稳定性、准确性和快速性,这三者是 相互制约、相互矛盾的。如果稳定性过高,相比之下快速性就受到一定的影响,因此对于温室控制系统来说,控制系统质量 的好坏,不仅与调节器有关,而且很大程度由控制对象的动态特性决定,对于温室控制对象,其动态特性表现在 [1]它是一个 具有多容积系数、惯性大和滞后特性的系统,很难建立精确的数学模型来描述它的变化过程。因此选择合适的控制算法,对 提高温室环境参数的控制品质将起到重要的作用。
3.2 模糊控制 [6]
在自然界中,对于很多复杂的,多因素影响的生产过程,即使不知道该过程的数学模型,有经验的操作人员也能根据 长期的实地观察和操作经验进行有效的控制, 而采用传统的自动控制方法效果并不理想。 模糊控制理论就是在这样的环境中 产生并逐渐发展完善起来的。 随着计算机和模糊控制理论的结合, 形成了模糊控制器, 其任务正是要用计算机来模拟这种人 的思维和决策方式, 对这些复杂的生产过程进行控制。 模糊控制器在设计时不需要建立被控对象的数学模型, 尤其适用于非 线性时变、滞后、惯性大的系统的控制。它用一些定性的、不确定的模糊语言来表达控制这些规则,然后再应用一系列的模 糊控制算法, 得到一组确定性的模糊控制表, 通过模糊控制到输出确切的控制值对系统进行控制。由于模糊控制完全是在操 作人员控制经验基础上来实现对系统控制,因此它是解决不确定系统的一种有效选择。
图 5 模糊控制器确定示意图
在本系统中模糊控制的实时算法,就是得出采样值的偏差 e 和偏差变化率 ec ,并根据量化因子 K 1、 K 2模糊化成相应等 级值 E 、 EC , 然后再根据已经获得的模糊控制总表, 推算出相应的模糊控制输出量的等级值 u 。 若等级值 u 代表的是离散量, 则转换成该等级值所代表的意义 :若等级值 u 代表的是连续量, 则乘以比例因子 K3转化成相应的模拟量, 并用此模拟量用于 温室的控制机构的控制量。其模糊控制器确定示意图如上图 5所示。
4.系统软件设计
温室分布式测控系统的软件包括两部分, 位于现场的以单片机为核心的智能仪表监控管理程序, 利用汇编语言编制,主要 侧重于现场过程或对象的控制 ; 上位机利用可视化语言 visual BasiC 6.0编制,重点放在对各终端智能仪表的节点管理和控制 的协调,一般情况下,并不直接参与控制。这两部分软件有些功能相似,某些参数既可以在智能仪表的面板上设置,也可在 上位计算机的集成管理软件上设置,如温湿度设定值,上下限报警值等。两种可各自独立操作和运行,并不依赖于对方,这 样才能作到整个测控系统功能的真正分布,也增强了系统的冗余性和容错性。
设置上位计算机的必要性是 :①自动保存历史数据,以供科学研究。②提供友好的用户观测界面,操作方便。③对于下 一步连接温室大棚自动控制提供接口。
VB 语言是以过程体为单元,以事件触发执行过程体完成软件功能的,因此上级机的软件是由多个模块组成,每一个 模块完成一项功能如图 6 所示。
系统软件主要由 7大模块组成,即系统参数设定模块、传感器标定曲线模块、控制参数设定模块、模糊控制总表确定 模块、数据实时采集监控模块、历史数据再现模块、帮助文件模块。主模块的流程图如图所示,它主要完成多任务系统的管 理窗口,该窗口利用 VB 中命令按扭的单击事件进行任务选择,然后进入相应模块的管理窗口并进行相应的操作,同时对各 个窗口的进入顺序有一定的要求, 系统会对用户的操作过程进行一定的提示, 使操作人员对整个管理系统一目了然。 如用户 只有在对传感器控制窗口进行确定之后才能进入控制参数设定窗口, 而数据实时采集监控窗口只有在对传感器控制窗口、 系 统参数设定窗口、控制参数设定窗口、模糊控制设定窗口之后才能进入数据实时采集监控窗口。
图 6 上位机系统软件结构
编写的系统管理软件,是必备的用于生产操作和监视的控制软件包,其主要功能为 :
(l实时数据采集。采集现场的实时数据送入上位计算机,并以数值和实时曲线的形式显示数据,并置入实时数据库中保存。
(2报警监视。根据生产过程的测量值变化,对信号越限进行相应的报警处理,如声光报警等。
(3运行参数的画面显示。带有实时数据的流程图、棒图,历史趋势显示等。
(4报表输出。完成生产报表的打印输出。
(5参数的修改。实现操作人员对生产过程的人工干预,如修改给定值、控制参数和报警限等。
(6历史数据库查询和历史曲线的绘制。
十六、北京鸿控科技2019世园园艺博览会植物馆温室环境控制与监控系统
