一種智能化的溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　溫、濕度控制廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中， 對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品種子來(lái)說(shuō)， 對(duì)環(huán)境溫度與濕度有著比較嚴(yán)格的要求。人們通常使用溫度計(jì)、濕度計(jì)來(lái)測(cè)量倉(cāng)庫(kù)的溫度和濕度， 通過(guò)人工加熱、加濕、通風(fēng)和降溫等方法來(lái)控制倉(cāng)庫(kù)的溫、濕度， 這種方法不但控制精度低、實(shí)時(shí)性差，而且操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大。同時(shí)溫度與相對(duì)濕度的大幅度變化可能導(dǎo)致種子大范圍腐爛或者影響種子的發(fā)芽率， 從而帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)及財(cái)產(chǎn)損失。因此， 保持適宜的倉(cāng)庫(kù)溫度、濕度對(duì)保證農(nóng)產(chǎn)品種子存儲(chǔ)質(zhì)量十分重要。

　　目前市場(chǎng)上的各種溫度控制設(shè)備大多只能根據(jù)簡(jiǎn)單的溫度變化規(guī)律制定控制算法， 系統(tǒng)擴(kuò)展性較差。本系統(tǒng)采集了種子倉(cāng)庫(kù)所在地一年的溫度變化規(guī)律， 并使用能適應(yīng)季節(jié)變化、節(jié)省能源的模糊控制算法， 結(jié)合AT89S51 單片機(jī)技術(shù)研制了一種穩(wěn)定性高、成本低的溫、濕度智能控制系統(tǒng)， 采用上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)全方位智能化的倉(cāng)庫(kù)管理控制系統(tǒng)。

　　1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　該系統(tǒng)采用PC 機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)控單元， AT89S51單片機(jī)作為下位機(jī)控制器， 其外圍設(shè)備包括溫度、濕度檢測(cè)模塊， 溫、濕度輸出控制模塊， 鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊及上下位機(jī)通信模塊、報(bào)警模塊等。其中外圍設(shè)備采用RS 485 串行通信接口方式和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換， 用以實(shí)現(xiàn)向用戶發(fā)送信息， 用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作處理等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤設(shè)定模塊或者上位機(jī)下裝模塊進(jìn)行系統(tǒng)給定值的設(shè)置來(lái)調(diào)整倉(cāng)庫(kù)溫、濕度控制范圍。溫度、濕度檢測(cè)模塊將倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫、濕度信息傳到單片機(jī)， 單片機(jī)根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制模塊進(jìn)行相應(yīng)操作， 同時(shí)將當(dāng)前信息存儲(chǔ)到單片機(jī)相應(yīng)內(nèi)存單元中并上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)顯示及保存。當(dāng)溫度或者濕度超過(guò)設(shè)定的范圍上下限時(shí)， 控制器將會(huì)啟動(dòng)或者停止相應(yīng)設(shè)備來(lái)調(diào)整環(huán)境濕度和溫度， 同時(shí)將各種調(diào)整信息在LCD 上顯示并發(fā)出報(bào)警信號(hào)?？刂菩畔⑼瑫r(shí)在上位機(jī)顯示并報(bào)警， 建立控制日志保存。另外還可以設(shè)計(jì)一些通用接口， 為以后設(shè)備功能擴(kuò)展提供方便。

　　2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1  控制器的設(shè)計(jì)

　　此系統(tǒng)下位機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)， 由AT 89S51 主控芯片， 溫、濕度檢測(cè)模塊， 輸出控制模塊， 鍵盤輸入模塊，LCD 顯示模塊， 上下位機(jī)通信模塊等幾部分組成。溫、濕度檢測(cè)模塊使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20 測(cè)量倉(cāng)庫(kù)的溫度， 使用溫、濕度傳感器SHT11 測(cè)量濕度。輸出控制模塊的控制信號(hào)由單片機(jī)控制器提供， 通過(guò)光電隔離器傳送信號(hào)到繼電器控制各執(zhí)行電機(jī)動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)倉(cāng)庫(kù)的溫、濕度。單片機(jī)的P2. 0~ P2. 4 接口分別作為驅(qū)動(dòng)空調(diào)加熱制冷、循環(huán)風(fēng)機(jī)、排濕窗風(fēng)門的I/ O 接口。

　　在I/ O 接口輸出電平為0 時(shí)， K1 開關(guān)斷開， 相應(yīng)執(zhí)行電機(jī)不工作； 在I/ O接口輸出電平為1 時(shí)， 光電隔離器輸出信號(hào)使K1 開關(guān)閉合， 相應(yīng)執(zhí)行電機(jī)工作。鍵盤和通信模塊采用查詢方式實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)置， 從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)溫、濕度值和其限定范圍的及時(shí)調(diào)節(jié)。如果出現(xiàn)異常情況， 設(shè)備將立即通過(guò)RS 485 將事件傳送給遠(yuǎn)程主機(jī)， 發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　2. 2  溫度檢測(cè)模塊

　　此系統(tǒng)的溫度檢測(cè)模塊根據(jù)倉(cāng)庫(kù)面積的大小可增加多處檢測(cè)點(diǎn)， 而數(shù)字溫度傳感器DS18B20就具有支持多點(diǎn)組網(wǎng)的功能， 可將多個(gè)DS18B20 并連在惟一的三線上， 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)， 其測(cè)溫范圍為- 55~+ 125  , 固有測(cè)溫分辨率為0. 5  , 工作電源為DC 3~ 5 V, 測(cè)量結(jié)果以9~ 12 位數(shù)字量的方式串行傳送。其檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2  溫度檢測(cè)模塊電路

　　2. 3  濕度檢測(cè)模塊

　　濕度測(cè)量模塊為了節(jié)省控制器I/ O 接口并方便以后的芯片功能擴(kuò)展， 采用SHT 11 溫、濕度傳感器。

　　此傳感器是高度集成， 將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/ D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上， 提供二線數(shù)字串行接口SCK 和DAT A, 接口簡(jiǎn)單， 支持CRC 傳輸校驗(yàn)， 傳輸可靠性高， 測(cè)量精確度高， 由于同時(shí)集成溫、濕度傳感器， 可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。SHT 11 可通過(guò)DA TA數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。該濕度值稱為 相對(duì)濕度！， 需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后才能得到較為準(zhǔn)確的濕度值。由于相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性呈一定的非線性， 因此為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性， 可按下式修正濕度值：

　　式中： RH linear為經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償后的濕度值； SORH 為相對(duì)濕度測(cè)量值； C1 , C2 , C3 為線性補(bǔ)償系數(shù)， 取值如表1所列。

表1  濕度線性補(bǔ)償系數(shù)

　　而實(shí)際溫度和測(cè)試參考溫度25  有所不同， 所以對(duì)線性補(bǔ)償后的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償很有必要。補(bǔ)償公式如下：

　　式中： RH true為經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值； T為測(cè)試濕度值時(shí)的溫度（ 單位： ℃  ） ; t1 和t2 為溫度補(bǔ)償系數(shù)， 取值如表2 所示。

表2  濕度值溫度補(bǔ)償系數(shù)

　　具體濕度檢測(cè)模塊電路如圖3 所示。

圖3 濕度檢測(cè)模塊電路

　　2. 4  輸出驅(qū)動(dòng)控制模塊及報(bào)警模塊

　　輸出驅(qū)動(dòng)控制模塊通過(guò)控制芯片產(chǎn)生電信號(hào)， 控制相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或者停止， 實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)溫度和濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)檢測(cè)到的溫度和濕度值大于或小于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警模塊同時(shí)會(huì)發(fā)生報(bào)警信號(hào)通知用戶注意當(dāng)前狀況，必要時(shí)需采取相應(yīng)人工措施。

　　3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　由于溫、濕度變化規(guī)律性不強(qiáng)， 被檢測(cè)對(duì)象的溫、濕度具有非線性、熱慣性、時(shí)變性等特點(diǎn)， 較難建立精確的數(shù)學(xué)模型。而模糊控制算法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型， 可依據(jù)人工實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)， 將其抽象為一系列的控制算法后通過(guò)計(jì)算機(jī)完成控制過(guò)程， 具有控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、超調(diào)小、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　控制器可以自動(dòng)檢測(cè)晝夜、季節(jié)、室內(nèi)環(huán)境溫、濕度值的變化， 利用模糊算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制過(guò)程。倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)土豆種子的溫度控制在- 1~ + 3℃ 之間， 相對(duì)濕度保持在45%~ 70% 較為適宜。

　　溫、濕度控制程序中， 溫、濕度各有2 個(gè)輸入數(shù)據(jù)和1 個(gè)輸出數(shù)據(jù)。e 為溫、濕度偏差；△e 為溫、濕度變化率； u 為輸出控制變量， 其值分別為：

　　其中： PL 表示負(fù)大； PM 表示負(fù)中； PS 表示負(fù)??； NS 表示正小； NM 表示正中； NL 表示正大。然后根據(jù)專家知識(shí)和操作人員的經(jīng)驗(yàn)， 建立模糊控制表。其模糊關(guān)系可以用多個(gè)條件語(yǔ)句表示， 例如： IF e= NL and △e=NL then u= SM; 根據(jù)模糊推理進(jìn)行運(yùn)算， 即可推出控制結(jié)果。

　　在主程序中， 主要負(fù)責(zé)倉(cāng)庫(kù)中溫、濕度的實(shí)時(shí)顯示，讀取并處理傳感器測(cè)量的溫、濕度值， 當(dāng)實(shí)際值與事先設(shè)定的溫、濕度上下限值不同時(shí)， 發(fā)出控制信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)輸出控制單元啟動(dòng)或停止執(zhí)行控制電機(jī)， 同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)， 通知用戶當(dāng)前發(fā)生的狀況并作相應(yīng)控制日志記錄。

　　主程序流程圖和溫、濕度采集處理流程圖分別如圖4,圖5所示。

圖4  主程序流程圖

圖5 溫、濕度采集處理框圖

　　4  結(jié)語(yǔ)

　　采用模糊控制算法非常適合大型倉(cāng)庫(kù)中多點(diǎn)溫度和濕度的檢測(cè)與控制， 具有可靠性高、成本低廉、能耗低、反應(yīng)靈敏、以及可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。該設(shè)備具備一定的通用性， 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改進(jìn)， 就能服務(wù)于國(guó)防工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)上的各個(gè)方面。