光热感应温室自动控制系统设计.pdf

第39 卷 第9 期 2018 年9 月 自 动 化 仪 表 PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION Vol39 No9 Sep.2018 收 稿 日 期 :2018-03-30 基 金 项 目 : 山 西 省 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 基 金 资 助 项 目(2018-033) 作 者 简 介 : 王 琦(1973), 女, 硕 士, 副 教 授, 主 要 从 事 测 控 系 统 集 成 与 优 化 方 向 的 研 究,E-mail:wq288sina.com 光 热 感 应 温 室 自 动 控 制 系 统 设 计 王 琦 1 , 梁 铎 耀 2 , 孙 竹 梅 1 , 武 斌 1 (1. 山 西 大 学 自 动 化 系, 山 西 太 原030013;2 太 原 市 外 国 语 学 校, 山 西 太 原030027) 摘 要 : 针 对 精 细 化 养 殖 和 栽 培 的 需 要, 设 计 了 温 室 自 动 控 制 系 统, 建 立 了 温 度、 湿 度 和 光 照 度 满 足 生 物 生 长 所 需 条 件 的 人 造 环 境。 温 室 自 动 控 制 系 统 以STC89C52RC 微 控 制 器 为 核 心 控 制 器, 选 用DS18B20 数 字 式 温 度 传 感 器、HIH3610 湿 度 传 感 器 和GY-30 数 字 式 光 照 度 模 块 作 为 温 室 参 数 测 量 器 件, 配 置 加 热 器、 通 风 机、 雾 化 喷 湿 装 置、 遮 光 帘 以 及 补 光 灯 作 为 系 统 的 执 行 机 构。 当 参 数 偏 离 设 定 值 时, 控 制 器 通 过 对 执 行 机 构 的 控 制, 实 现 温 室 系 统 光 热 湿 参 数 的 自 动 控 制。 不 同 于 传 统 的 位 式 控 制, 湿 度 和 光 照 度 的 控 制 采 用 比 例 积 分 微 分(PID) 控 制 算 法, 通 过 改 变 喷 水 阀 的 开 度 和 遮 光 帘 百 叶 窗 的 倾 角, 连 续 调 节 喷 水 量 和 遮 光 量, 有 效 提 高 了 湿 度 和 光 照 度 控 制 的 稳 定 性 和 准 确 性。 根 据 实 际 需 要, 对 系 统 参 数 期 望 值 进 行 设 定。 该 系 统 具 有 很 强 的 控 制 灵 活 性, 可 满 足 多 种 生 物 对 不 同 培 育 环 境 的 要 求。 该 系 统 造 价 低、 参 数 控 制 精 度 高, 对 温 室 其 他 参 数 的 控 制 有 借 鉴 和 参 考 价 值。 关 键 词 : 温 室; 光 热 感 应; 自 动 控 制 系 统; 微 控 制 器; 连 续 控 制; 测 量 传 感 器; 执 行 机 构; 越 限 报 警 中 图 分 类 号 :TH-39;TP273 文 献 标 志 码 : A DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2018030052 DesignofthePhoto-ThermalSensingGreenhouseAutomaticControlSystem WANGQi 1 ,LIANGDuoyao 2 ,SUNZhumei 1 ,WUBin 1 (1.DeparmentofAutomation,ShanxiUniversity,Taiyuan030013,China;2.TaiyuanForeignLanguageSchool,Taiyuan030027,China) Abstract:Fortheneedsofprecisebreedingandcultivation,theautomaticgreenhousecontrolsystemisdesignedtoestablishan artificialenvironmenttomaketemperature,humidity,andilluminationmeettheconditionsrequiredforbiologicalgrowth.With STC89C52RCmicro-controllerasthecorecontrollerofgreenhouseautomaticcontrolsystem,theDS18B20digitaltemperature sensor,HIH3610humiditysensorandGY-30digitalilluminationmoduleareselectedastheparameterssensingdevicesforthe greenhouse.Inaddition,heater,fan,atomizedsprayingdevice,windowblindsandauxiliarylightsareconfiguredastheactuatorsof system.Whentheparameterdeviatesfromthesetvalue,thecontrollerwillrealizetheautomaticcontroloftheheatandhumidity parametersbycontrollingtheactuators.Differentfromthetraditionalon/offcontrol,theproportionalintegralderivative(PID) controlalgorithmisadoptedforthehumidityandilluminationcontrol.Bychangingtheopeningofthewatersprayvalveandthe inclinationoftheblindsofthewindow-shades,andcontinuouslyadjustingtheamountofwatersprayandtheamountofshading,it effectivelyimprovesthestabilityandaccuracyofthehumidityandilluminationcontrol.Asthesystemparameterscanbepreset accordingto actual needs,the system has a strong control flexibility and can meet the requirements of different breeding environments.Thesystemfeatureslowcost,highcontrolprecision,itcanbeusedasreferenceforcontrollingothergreenhouse parameters. Keywords: Greenhouse;Photo-thermal sensing;Automatic control system;Microcontroller;Continuous control;Measuring sensor;Actuator;Overlimitalarm 0 引 言 温 度、 湿 度 和 光 照 度 对 生 物 的 生 长 繁 衍 产 生 巨 大 的 影 响 1 , 人 为 建 立 适 合 生 物 生 长 的 环 境, 对 反 季 蔬 菜 种 植 2 、 珍 稀 动 植 物 养 殖、 跨 境 花 卉 种 植 甚 至 是 生 物 科 学 试 验 等 有 着 重 要 的 意 义。 温 室 大 棚 是 对 人 造 环 境 技 术 的 有 效 应 用。 利 用 自 动 化 技 术, 通 过 配 置 自 动 检 测 和 控 制 系 统, 实 现 温 度、 湿 度 和 光 照 度 自 动 控 制, 使 温 室 各 参 数 达 到 设 定 值, 为 室 内 动 植 物 提 供 最 佳 生 长 环 境, 并 消 除 环 境 条 件 对 生 物 生 长 的 制 约。 自 动 化 仪 表 第39 卷 1 温 室 自 动 控 制 系 统 设 计 温 室 自 动 控 制 系 统 是 针 对 温 室 室 内 环 境 条 件 开 发 的 自 动 控 制 系 统, 一 般 具 有 温 控、 湿 控 和 光 控 等 功 能 3 。 该 系 统 包 括 测 量 单 元、 控 制 单 元 和 执 行 单 元 三 部 分。 反 映 温 室 状 态 的 关 键 参 数 包 括 温 度、 湿 度 和 光 照 度。 这 三 个 参 数 由 各 自 的 传 感 器 进 行 测 量。 将 测 得 参 数 与 设 定 的 期 望 值 进 行 比 较, 若 存 在 偏 差, 则 进 行 相 应 控 制。 控 制 器 输 出 指 令 驱 动 执 行 机 构 动 作, 改 变 输 入 温 室 的 热 量、 水 量 等 能 量, 使 温 室 的 状 态 参 数 接 近 期 望 值。 实 践 中, 三 个 被 控 参 数 是 互 相 耦 合、 相 互 影 响 的。 因 此, 本 文 选 用 简 单 的 解 耦 方 法, 即 构 建 温 度 控 制 系 统、 湿 度 控 制 系 统 和 光 照 度 控 制 系 统。 三 个 单 回 路 负 反 馈 的 子 控 制 系 统 负 责 使 被 控 参 数 与 期 望 值 相 等。 当 三 个 子 系 统 都 进 入 稳 定 状 态 时, 温 室 状 态 就 能 满 足 控 制 要 求。 温 室 自 动 控 制 系 统 原 理 框 图 如 图1 所 示。 图1 温 室 自 动 控 制 系 统 原 理 框 图 Fig.1 Blockdiagramofgreenhouseautomaticcontrolsystem 2 控 制 器 根 据 温 室 及 被 控 参 数 的 实 际 情 况, 温 室 控 制 系 统 的 控 制 器 可 选 微 控 制 器 或 可 编 程 逻 辑 控 制 器 (programmablelogiccontroller,PLC) 等。 对 于 小 型 温 室 和 区 域 划 分 较 细 的 智 能 温 室 系 统, 选 用 微 控 制 器 作 为 核 心 控 制 器 4 , 通 过 微 控 制 器 实 现 对 执 行 机 构 被 控 参 数 的 连 续 调 节, 从 而 在 保 证 温 室 参 数 满 足 要 求 的 同 时, 尽 可 能 节 电、 节 水。 使 用STC89C52RC 微 控 制 器 进 行 数 据 处 理 和 控 制, 实 现 对 温 度、 湿 度 和 光 照 度 的 精 确 控 制。 STC89C52RC 是 宏 晶 公 司 生 产 的 一 种 低 功 耗、 高 性 能 的 八 位 微 控 制 器。 与AT89C51 相 比, 其 具 有 更 大 的 程 序 存 储 空 间(8KB) 和 数 据 存 储 空 间(512B),I/O 口 多(32 个), 定 时 器 多(3 个16 位T0、T1、T2),4 路 外 部 中 断; 可 通 过 串 口(RxD/P3.0,TxD/P 3.1 ) 直 接 下 载 用 户 程 序, 指 令 代 码 完 全 兼 容 传 统 的8051 单 片 机, 实 际 工 作 频 率 可 达48MHz。 3 测 量 传 感 器 温 室 自 动 控 制 的 前 提 是 及 时、 准 确 地 获 取 各 被 控 参 数 的 实 时 数 值。 因 此, 需 要 选 择 恰 当 的 温 度、 湿 度 和 光 照 度 传 感 器。 3.1 温 度 传 感 器 选 用DS18B20 温 度 传 感 器 测 量 温 室 环 境 温 度。 DS18B20 是 数 字 化 温 度 传 感 器, 测 温 范 围 为- 55 +125。 该 温 度 传 感 器 具 有 以 下 优 点: 测 温 精 准, 在 -10+85 时 精 度 可 达0.5; 工 作 速 度 快, 在 最 高 的12 位 分 辨 率 时, 温 度 数 值 化 转 换 时 间 不 超 过 750ms; 引 脚 少, 体 积 小, 仅 需 一 个I/O 口 就 可 与 微 控 制 器 双 向 通 信; 通 过 一 个4.7k 的 上 拉 电 阻, 可 使 用 外 部 电 源 或 内 部 寄 生 电 源 供 电。 由 于DS18B20 与 微 控 制 器 通 过 单 线 连 接, 因 此 发 送 和 接 收 口 必 须 是 三 态 的。 STC89C52 控 制DS18B20 完 成 转 换 必 须 经 过 三 个 步 骤: 初 始 化、ROM 操 作 指 令、 存 储 器 操 作 指 令。 根 据DS18B20 的 初 始 化 时 序、 写 时 序 和 读 时 序, 分 别 编 写 三 个 子 程 序: 初 始 化 子 程 序INIT、 命 令 或 数 据 写 子 程 序WRITE 和 读 数 据 子 程 序READ。 所 有 的 数 据 读 写 均 由 最 低 位 开 始 5 。 3.2 湿 度 传 感 器 使 用HIH3610 湿 度 传 感 器 测 量 温 室 环 境 湿 度。 HIH3610 湿 度 传 感 器 测 量 范 围 宽、 精 度 高, 线 性 度 好 6 , 可 在4085 温 度 范 围 内 实 现 范 围 为0% 100%RH 的 湿 度 测 量。 精 度 可 达2%RH。 3.3 光 照 度 传 感 器 使 用 光 照 度 模 块GY-30 对 温 室 环 境 光 照 度 进 行 测 量, 测 量 范 围 为065535 lx。 传 感 器 内 置16 位 A/D 转 换 器, 可 直 接 输 出 数 字 量, 不 区 分 环 境 光 源, 测 定 精 度 高 达1lx。 采 用NXPIIC 通 信 协 议 标 准 与5V 微 控 制 器 的I/O 口 直 接 连 接。 由 于 传 感 器 的 输 出 信 号 形 式 不 同, 微 控 制 器 在 读 取 温 度 和 光 照 度 时 直 接 读 取 传 感 器 输 出 的 数 字 量 即 可; 而 读 取 湿 度 参 数 时, 则 需 要 进 行A/D 转 换、 标 度 变 换 等 数 据 处 理 7 。 传 感 器 及 其 管 脚 连 接 如 图2 所 示。 0 6 第9 期 光 热 感 应 温 室 自 动 控 制 系 统 设 计 王 琦 , 等 图2 传 感 器 及 其 管 脚 连 接 图 Fig.2 Connectiondiagramamongsensorsandpin 4 执 行 机 构 选 用 加 热 器、 雾 化 喷 湿 装 置、 通 风 机、 遮 光 帘 和 补 光 灯 等 执 行 机 构 控 制 三 个 被 控 参 数 8 。 温 度 控 制 的 执 行 机 构 为 加 热 器 和 通 风 机。 当 温 室 温 度 低 于 设 定 温 度 时, 开 启 加 热 器; 当 温 室 温 度 达 到 设 定 温 度 时, 停 止 加 热。 当 室 内 温 度 高 于 设 定 温 度 的 上 限 时, 启 动 通 风 机, 以 通 风 的 方 式 进 行 室 内 外 换 热, 达 到 降 温 目 的。 出 于 经 济 性 的 考 虑, 为 避 免 加 热 器 和 通 风 机 反 复 启 停, 设 计 了0.5 双 边 控 制 死 区 9 。 光 照 度 控 制 的 执 行 机 构 包 括 遮 光 帘 和 补 光 灯。 遮 光 帘 采 用 可 调 整 角 度 的 百 叶 窗。 在 午 间 光 照 充 分 时, 通 过 调 整 百 叶 窗 的 角 度 合 理 遮 光; 在 早 晚 间 光 照 不 足 时, 通 过 控 制 照 明 设 备 的 工 作 数 量, 达 到 补 充 光 照 的 目 的。 遮 光 控 制 回 路 包 括D/A 转 换 器、 电 压 调 理 电 路、 电 压/ 电 流 转 换 电 路 和 角 行 程 电 动 执 行 器 四 部 分。 微 控 制 器 根 据 光 照 度 偏 差, 由 比 例 积 分 微 分(proportional integralderivative,PID) 算 法 算 得 百 叶 窗 的 角 度 指 令, 经DAC0832 转 换 为 相 应 的 电 压 信 号。 放 大 器LM358 将 输 出 电 压 调 整 到05V, 再 经 过 电 压/ 电 流 转 换 电 路,将05V 的 电 压 信 号 转 换 为 角 行 程 电 动 执 行 器 可 接 收 的420mA 信 号。 角 行 程 执 行 器 调 整 百 叶 窗 的 角 度, 直 至 光 照度 等 于 设定 强度。 LED 补 光 灯 控 制 回 路 由 补 光灯 地 址 译 码 电 路 和 补 光灯 驱 动 电路 构 成。 由 于微 控 制 器 的 驱 动 能 力 有限, 补光 电路 采用 光 电 耦 合、 继 电 器 驱 动 的 方 式。 微 控 制 器 根 据 补 光 需 要, 将 地 址 译 码 器 74ALS138 的 部 分 或 全 部 输 出 端 置 低 电 平,这 样 光 电 耦 合 器OPTOISO1 的 发 光 二 极 管 导 通,光 敏 三 极 管 随 即 导 通, 继 电 器 上 电, 闭 合LED 灯 的 电 源 开 关, 补 光 灯 点 亮。 湿 度 控制 的执 行 机 构包 括 雾 化 喷 水 装 置 和 通 风 机。 雾 化 喷水 装置 用 于 增湿, 通 风 机 用 于 除 湿。 通 过 喷 水 阀 的 开 度调 节,控 制 喷 水 量, 达 到 增 加 湿 度 的 目 的。 当 湿 度 超 过湿 度上 限 时, 开 启通 风 机 降 低 湿 度。 增 湿 控 制 也 采 用 模拟 量控 制 的 方法, 原 理与 遮 光 帘控 制 相 同。 5 辅 助 器 件 用 矩 阵式 键盘 实 现 参数 的 设 定 和 显 示 状 态 的 切 换。 采 用LCD1602 显 示 器 实 现 微 控 制 器 对 测 量 数 据 和 设 备 状 态 的显 示 10 。 数 模 转 换器DAC0832 用 于 将 数 字 量 形 式 的 控制 指令 转换 为 模 拟的 输 出 电 压 值,从 而 控 制 驱 动 电 路 的输 出, 最终 将 执 行机 构 调 整 到 需 要 的 状 态。 用 三 极 管 驱动 蜂鸣 器, 连 接 微控 制器 构 成 报警 系 统。 6 软 件 控 制 流 程 温 室 控 制 系 统 流 程 如 图3 所 示。 图3 系 统 流 程 图 Fig.3 Flowchartofsystem 1 6 自 动 化 仪 表 第39 卷 由 定 时 器 控 制 程 序 的 进 程, 按 照 温 度、 湿 度 和 光 照 度 的 顺 序, 每2min 对 参 数 进 行 一 次 测 量 和 参 数 处 理, 并 调 整 执 行 机 构 的 状 态, 使 被 控 参 数 保 持 在 期 望 值 允 许 范 围 内。 当 参 数 越 限 时, 蜂 鸣 器 报 警, 同 时 联 锁 启 动 相 应 的 执 行 机 构, 使 参 数 向 期 望 值 靠 近。 7 结 束 语 光 热 感 应 温 室 自 动 控 制 系 统 的 增 湿 和 遮 光 控 制 采 用 模 拟 量 控 制 的 思 想, 根 据 测 得 参 数 与 设 定 值 的 偏 差 进 行PID 控 制 运 算 11 , 并 根 据 算 得 指 令 调 整 执 行 机 构, 使 被 控 参 数 等 于 设 定 值。 这 种 控 制 方 法 与 传 统 的 开 关 量 控 制 相 比, 有 更 高 的 控 制 精 度, 且 因 执 行 机 构 的 动 作 连 续, 在 超 调 量 和 稳 定 性 方 面 有 较 明 显 的 控 制 优 势, 有 利 于 延 长 执 行 机 构 的 使 用 寿 命。 由 于 系 统 能 够 根 据 用 户 需 要 对 被 控 参 数 的 期 望 值 进 行 设 定, 具 有 很 强 的 控 制 灵 活 性, 可 满 足 多 种 生 物 的 不 同 培 育 环 境 要 求 12 。 参 考 文 献 : 1 李 俊. 分 布 式 温 室 控 制 系 统 研 制D. 镇 江: 江 苏 大 学,2003. 2 石 建 业, 罗 有 中, 王 娇 敏, 等. 日 光 温 室 卷 帘 机 自 动 控 制 技 术 研 究 与 应 用J. 中 国 农 业 信 息,2017(11):77-79. 3 葛 燕. 基 于89C52 的 智 能 温 室 控 制 系 统 的 研 发D. 济 南: 齐 鲁 工 业 大 学,2013. 4 王 国 美. 温 室 自 动 控 制 系 统 的 设 计D. 杨 凌: 西 北 农 林 科 技 大 学,2001. 5 武 斌, 王 琦, 袁 文 囿, 等. 超 声 波 倒 车 雷 达 系 统 设 计J. 科 技 创 新 与 生 产 力,2017(12):110-113. 6 甘 云 华. 温 室 智 能 控 制 系 统 设 计 与 研 究D. 武 汉: 武 汉 轻 工 大 学,2014. 7 张 智. 基 于 单 片 机 的 日 光 温 室 控 制 系 统 的 设 计J. 单 片 机 开 发 与 应 用,2006,22(12):77-78. 8 张 侃 谕, 余 玲 文. 基 于S7-224 的 自 动 化 温 室 控 制 系 统 设 计J. 自 动 化 仪 表,2009,3(2):36-38. 9 刘 雁 征, 滕 光 辉, 刘 世 荣. 温 室 环 境 控 制 系 统 的 发 展 及 现 存 问 题J. 中 国 农 学 通 报,2007,23(10):154-157. 10 罗 瑞 雪. 基 于 蓝 牙 的 温 室 环 境 检 测 与 控 制 系 统J. 自 动 化 与 仪 器 仪 表,2017(7):130-132. 11 段 翠 芳. 基 于 单 片 机 技 术 的 温 室 自 动 控 制 系 统 的 设 计J. 农 机 化 研 究,2011(7):144-146. 12 梁 纯. 基 于 单 片 机 的 温 室 大 棚 自 动 控 制 系 统 的 设 计J. 办 公 自 动 化,2017(11):42-44. ( 上 接 第58 页) 阻 短 路, 烧 坏I/O 板 线 圈、CPU 板 线 圈 与 保 险 丝, 导 致 模 块 失 去 工 作 能 力, 指 示 灯 也 不 亮。 根 据 故 障 可 能 原 因, 考 虑 到 核 电 上 设 备 故 障 不 得 导 致 下 游 设 备 故 障 的 原 则, 建 议 采 用 如 下 方 案 提 高 模 块 的 可 靠 性。 压 敏 电 阻 老 化 管 理 4 。 在 输 出 通 道 加 隔 离 栅 5 。 压 敏 电 阻 并 联 瞬 态 抑 制 二 极 管 (transientvoltagesuppressor,TVS)。 5 结 束 语 本 电 路 设 计 中, 由 于 双 极 压 敏 电 阻 保 护 电 路 6-9 在 接 感 性 负 载 时 不 能 很 好 地 分 流, 且 通 过 模 块 来 驱 动 感 性 负 载 电 器 转 换 器 时 两 者 间 没 有 采 用 隔 离, 当 电 器 转 换 器 受 到 干 扰 时, 压 敏 电 阻R 21 两 端 会 出 现 电 压 冲 击。 多 次 电 压 冲 击 后, 该 压 敏 电 阻 会 加 速 老 化, 导 致 压 敏 电 压 降 低。 本 案 例 中 的 压 敏 电 阻 老 化 影 响 了DCS 系 统 数 据 的 正 常 采 集, 尽 管 采 用 了 冗 余 配 置 预 防 了 严 重 后 果 的 产 生, 但 模 块 的 高 故 障 率 极 大 地 增 加 了DCS 系 统 的 维护 成 本, 频 繁 的 更 换 卡 件 也 给 维 护 人 员 带 来 了 维 护 负 担。 因此, 应 根 据 负载 的性 质 对 仪 表 输 出 端 进 行 保 护 设 计, 避免 直 接 用仪 表 驱 动感 性负 载, 以 提高 模块 可 靠 性。 参 考 文 献 : 1 马 斌, 杨 子 华, 臧 维 乔.DCS 在 核 岛 消 防 系 统 的 应 用 及 控 制 优 化J. 仪 器 仪 表 用 户,2017,24(1):87-90. 2 毛 声 道. 浅 析 浪 涌 保 护 器 中 压 敏 电 阻 的 失 效 保 护J. 科 技 创 新 导 报,2015,12(8):89-90. 3 杜 志 航, 孙 涌, 汪 计 昌, 等. 压 敏 电 阻 在 配 合 使 用 时 的 老 化 和 失 效 分 析J. 电 瓷 避 雷 器,2009,13(6):31-39. 4 张 兵. 秦 山 第 二 核 电 厂 仪 控 系 统 的 老 化 管 理J. 仪 器 仪 表 用 户,2013(3):64-66. 5 张 利 兴. DCS 系 统 干 扰 与 处 理J. 中 国 科 技 博 览, 2011(29):34. 6 廖 圣 勇, 王 兰 兰, 顾 燕 春. 核 电 厂DCS 系 统 信 号 失 效 分 析 及 缺 省 值 设 置J. 自 动 化 与 仪 表,2014(5):5-8. 7 刘 蕴 韬. 浅 析 电 子 电 路 维 修J. 电 子 测 试,2017(3):123-124. 8 范 大 祥. 接 口 电 路 可 靠 性 设 计J. 质 量 与 可 靠 性,2007(4): 49-55. 9 李 祥 超, 张 静, 陈 良 英. 组 合 型 电 涌 保 护 器 设 计 方 法 的 研 究J. 电 瓷 避 雷 器,2017,13(3):16-22. 2 6