基于單片機(jī)的倉庫溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前農(nóng)產(chǎn)品種子倉庫存儲(chǔ)自動(dòng)化程度低且不易大面積管理的現(xiàn)狀，提出采用以Atmel公司的AT89系列單片機(jī)為核心的智能溫、濕度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過串行通信方式實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)溫、濕度給定值的設(shè)定，增強(qiáng)倉庫的智能化，搭建了基于單片機(jī)的硬件電路，系統(tǒng)的軟硬件均通過測試，并對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和工作原理以及軟件模糊控制算法做以簡單介紹，實(shí)際使用中效果良好。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；SHT11；DS1302；溫、濕度控制

0 引言
    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)品種子來說，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)來測量倉庫的溫度和濕度，通過人工加熱、加濕、通風(fēng)和降溫等方法來控制倉庫的溫、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，從而帶來極大的經(jīng)濟(jì)及財(cái)產(chǎn)損失。因此，保持適宜的倉庫溫度、濕度對(duì)保證農(nóng)產(chǎn)品種子存儲(chǔ)質(zhì)量十分重要。
    目前市場上的各種溫度控制設(shè)備大多只能根據(jù)簡單的溫度變化規(guī)律制定控制算法，系統(tǒng)擴(kuò)展性較差。本系統(tǒng)采集了種子倉庫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)全方位智能化的倉庫管理控制系統(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。

    本系統(tǒng)可以通過鍵盤設(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)置來調(diào)整倉庫溫、濕度控制范圍。溫度、濕度檢測模塊將倉庫內(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AT89S51主控芯片，溫、濕度檢測模塊，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、濕度檢測模塊使用數(shù)字溫度傳感器。DS18B20測量倉庫的溫度，使用溫、濕度傳感器SHT11測量濕度。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)作來調(diào)節(jié)倉庫的溫、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 溫度檢測模塊
    此系統(tǒng)的溫度檢測模塊根據(jù)倉庫面積的大小可增加多處檢測點(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)DS18B 20并連在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測，其測溫范圍為-55～+125℃，固有測溫分辨率為0．5℃，工作電源為DC 3～5 V，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量的方式串行傳送。其檢測電路如圖2所示。

2．3 濕度檢測模塊
    濕度測量模塊為了節(jié)省控制器I／O接口并方便以后的芯片功能擴(kuò)展，采用SHT11溫、濕度傳感器。此傳感器是高度集成，將溫度感測、濕度感測、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DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高，測量精確度高，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量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。SHT11可通過DATA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：RHlinear為經(jīng)過線性補(bǔ)償后的濕度值；SORH為相對(duì)濕度測量值；C1，C2，C3為線性補(bǔ)償系數(shù)，取值如表1所列。

    而實(shí)際溫度和測試參考溫度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：RHtrue為經(jīng)過線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值；T為測試濕度值時(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。

    具體濕度檢測模塊電路如圖3所示。

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)倉庫溫度和濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)檢測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計(jì)算機(jī)完成控制過程，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)控制過程。倉庫存儲(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?。籒M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)倉庫中溫、濕度的實(shí)時(shí)顯示，讀取并處理傳感器測量的溫、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。

4 結(jié)語
    采用模糊控制算法非常適合大型倉庫中多點(diǎn)溫度和濕度的檢測與控制，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)過簡單的改進(jìn)，就能服務(wù)于國防工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)上的各個(gè)方面。