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

滿紅, 鄒存名, 冀勇鋼

摘 要：針對(duì)目前農(nóng)產(chǎn)品種子倉(cāng)庫(kù)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(guò)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(cāng)庫(kù)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(guò)測(cè)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(jiǎn)單介紹，實(shí)際使用中效果良好。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)； SHT11； DS1302； 溫、濕度控制

中圖分類號(hào)：TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0118-03

Temperature and Humidity Control System of Warehouse Based on MCU

MAN Hong, ZOU Cun-ming, JI Yong-gang

(Information Engineering College, Dalian Jiaotong University, Dalian 116052, China)

Abstract： According to the low automatic degree of the warehouse of agricultural seed and the difficulty in large area management, an intelligent temperature and humidity control system with MCU of ATMEL Company is designed. The system realized the temperature and humidity value set of PC through serial communication, enhanced the intellectualization of the warehouse, built the hardware circuits based on MCU, and tested the software and hardware of the system. The structure, working principle and fuzzy control algorithm are introduced. The actual effect about the system is good.

Keywords： MCU; SHT11; DS1302; temperature and humidity control

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(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(pán)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［1-2］。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(pán)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AT89S51主控芯片，溫、濕度檢測(cè)模塊，輸出控制模塊，鍵盤(pán)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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(kāi)關(guān)閉合，相應(yīng)執(zhí)行電機(jī)工作。鍵盤(pán)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)［3-5］。

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［3］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SHT11溫、濕度傳感器［6］。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DATA，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。SHT11可通過(guò)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：

RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SO2RH

式中：RHlinear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)

SORHC1C2C3

12位-40.040 5-2.8×106

8位-40.648-7.2×104

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：

RHtrue=(T-25)×(t1+t2×SORH)+RHlinear

式中：RHtrue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)

SORHt1t2

12位0.010.000 08

8位0.010.001 28

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［7-9］。

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)［10］。

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;Δe為溫、濕度變化率;u為輸出控制變量，其值分別為：

e={PL,PM,PS,0,NS,NM,NL}

Δe={PL,PM,PS,0,NS,NM,NL}

u={PL,PM,PS,0,NS,NM,NL}

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 Δe=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。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文