王 琦，梁鐸耀，孫竹梅，武 斌

(1.山西大學(xué)自動化系,山西 太原 030013；2 太原市外國語學(xué)校,山西 太原 030027)

0 引言

溫度、濕度和光照度對生物的生長繁衍產(chǎn)生巨大的影響[1]，人為建立適合生物生長的環(huán)境，對反季蔬菜種植[2]、珍稀動植物養(yǎng)殖、跨境花卉種植甚至是生物科學(xué)試驗等有著重要的意義。溫室大棚是對人造環(huán)境技術(shù)的有效應(yīng)用。利用自動化技術(shù)，通過配置自動檢測和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度、濕度和光照度自動控制，使溫室各參數(shù)達(dá)到設(shè)定值，為室內(nèi)動植物提供最佳生長環(huán)境，并消除環(huán)境條件對生物生長的制約。

1 溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計

溫室自動控制系統(tǒng)是針對溫室室內(nèi)環(huán)境條件開發(fā)的自動控制系統(tǒng)，一般具有溫控、濕控和光控等功能[3]。該系統(tǒng)包括測量單元、控制單元和執(zhí)行單元三部分。

反映溫室狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)包括溫度、濕度和光照度。這三個參數(shù)由各自的傳感器進(jìn)行測量。將測得參數(shù)與設(shè)定的期望值進(jìn)行比較，若存在偏差，則進(jìn)行相應(yīng)控制?？刂破鬏敵鲋噶铗?qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，改變輸入溫室的熱量、水量等能量，使溫室的狀態(tài)參數(shù)接近期望值。

實踐中，三個被控參數(shù)是互相耦合、相互影響的。因此，本文選用簡單的解耦方法，即構(gòu)建溫度控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)和光照度控制系統(tǒng)。三個單回路負(fù)反饋的子控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)使被控參數(shù)與期望值相等。當(dāng)三個子系統(tǒng)都進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時，溫室狀態(tài)就能滿足控制要求。溫室自動控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 溫室自動控制系統(tǒng)原理框圖

2 控制器

根據(jù)溫室及被控參數(shù)的實際情況，溫室控制系統(tǒng)的控制器可選微控制器或可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)等。對于小型溫室和區(qū)域劃分較細(xì)的智能溫室系統(tǒng)，選用微控制器作為核心控制器[4]，通過微控制器實現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而在保證溫室參數(shù)滿足要求的同時，盡可能節(jié)電、節(jié)水。使用STC89C52RC微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，實現(xiàn)對溫度、濕度和光照度的精確控制。

STC89C52RC是宏晶公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的八位微控制器。與AT89C51相比，其具有更大的程序存儲空間(8 KB)和數(shù)據(jù)存儲空間(512 B)，I/O口多(32個)，定時器多(3個16位T0、T1、T2)，4路外部中斷；可通過串口(RxD/P3.0，TxD/P3.1)直接下載用戶程序，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，實際工作頻率可達(dá)48 MHz。

3 測量傳感器

溫室自動控制的前提是及時、準(zhǔn)確地獲取各被控參數(shù)的實時數(shù)值。因此，需要選擇恰當(dāng)?shù)臏囟取穸群凸庹斩葌鞲衅鳌?/p>

3.1 溫度傳感器

選用DS18B20溫度傳感器測量溫室環(huán)境溫度。DS18B20是數(shù)字化溫度傳感器，測溫范圍為-55～+125 ℃。該溫度傳感器具有以下優(yōu)點：測溫精準(zhǔn)，在-10～+85 ℃時精度可達(dá)±0.5 ℃；工作速度快，在最高的12位分辨率時，溫度數(shù)值化轉(zhuǎn)換時間不超過750 ms；引腳少，體積小，僅需一個I/O口就可與微控制器雙向通信；通過一個4.7 kΩ的上拉電阻，可使用外部電源或內(nèi)部寄生電源供電。

由于DS18B20與微控制器通過單線連接，因此發(fā)送和接收口必須是三態(tài)的。STC89C52控制DS18B20完成轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。

根據(jù)DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫三個子程序：初始化子程序INIT、命令或數(shù)據(jù)寫子程序WRITE和讀數(shù)據(jù)子程序READ。所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始[5]。

3.2 濕度傳感器

使用HIH3610濕度傳感器測量溫室環(huán)境濕度。HIH3610濕度傳感器測量范圍寬、精度高，線性度好[6]，可在40～85 ℃溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)范圍為0%～100%RH的濕度測量。精度可達(dá)±2%RH。

3.3 光照度傳感器

使用光照度模塊GY-30對溫室環(huán)境光照度進(jìn)行測量，測量范圍為0～65 535 lx。傳感器內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器，可直接輸出數(shù)字量，不區(qū)分環(huán)境光源，測定精度高達(dá)1 lx。采用NXP IIC通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與5 V微控制器的I/O口直接連接。

由于傳感器的輸出信號形式不同，微控制器在讀取溫度和光照度時直接讀取傳感器輸出的數(shù)字量即可；而讀取濕度參數(shù)時，則需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換等數(shù)據(jù)處理[7]。

傳感器及其管腳連接如圖2所示。

圖2 傳感器及其管腳連接圖

4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

選用加熱器、霧化噴濕裝置、通風(fēng)機(jī)、遮光簾和補光燈等執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制三個被控參數(shù)[8]。

溫度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為加熱器和通風(fēng)機(jī)。當(dāng)溫室溫度低于設(shè)定溫度時，開啟加熱器；當(dāng)溫室溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，停止加熱。當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度的上限時，啟動通風(fēng)機(jī)，以通風(fēng)的方式進(jìn)行室內(nèi)外換熱，達(dá)到降溫目的。出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，為避免加熱器和通風(fēng)機(jī)反復(fù)啟停，設(shè)計了0.5 ℃雙邊控制死區(qū)[9]。

光照度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括遮光簾和補光燈。遮光簾采用可調(diào)整角度的百葉窗。在午間光照充分時，通過調(diào)整百葉窗的角度合理遮光；在早晚間光照不足時，通過控制照明設(shè)備的工作數(shù)量，達(dá)到補充光照的目的。遮光控制回路包括D/A轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)理電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和角行程電動執(zhí)行器四部分。微控制器根據(jù)光照度偏差，由比例積分微分(proportional integral derivative,PID)算法算得百葉窗的角度指令，經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號。放大器LM358將輸出電壓調(diào)整到0～5 V，再經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，將0～5 V的電壓信號轉(zhuǎn)換為角行程電動執(zhí)行器可接收的4～20 mA信號。角行程執(zhí)行器調(diào)整百葉窗的角度，直至光照度等于設(shè)定強(qiáng)度。LED補光燈控制回路由補光燈地址譯碼電路和補光燈驅(qū)動電路構(gòu)成。由于微控制器的驅(qū)動能力有限，補光電路采用光電耦合、繼電器驅(qū)動的方式。微控制器根據(jù)補光需要，將地址譯碼器74ALS138的部分或全部輸出端置低電平，這樣光電耦合器OPTOISO1的發(fā)光二極管導(dǎo)通，光敏三極管隨即導(dǎo)通，繼電器上電，閉合LED燈的電源開關(guān)，補光燈點亮。

濕度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括霧化噴水裝置和通風(fēng)機(jī)。霧化噴水裝置用于增濕，通風(fēng)機(jī)用于除濕。通過噴水閥的開度調(diào)節(jié)，控制噴水量，達(dá)到增加濕度的目的。當(dāng)濕度超過濕度上限時，開啟通風(fēng)機(jī)降低濕度。增濕控制也采用模擬量控制的方法，原理與遮光簾控制相同。

5 輔助器件

用矩陣式鍵盤實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定和顯示狀態(tài)的切換。采用LCD1602顯示器實現(xiàn)微控制器對測量數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)的顯示[10]。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832用于將數(shù)字量形式的控制指令轉(zhuǎn)換為模擬的輸出電壓值，從而控制驅(qū)動電路的輸出，最終將執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整到需要的狀態(tài)。用三極管驅(qū)動蜂鳴器，連接微控制器構(gòu)成報警系統(tǒng)。

6 軟件控制流程

溫室控制系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

由定時器控制程序的進(jìn)程，按照溫度、濕度和光照度的順序，每2 min對參數(shù)進(jìn)行一次測量和參數(shù)處理，并調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，使被控參數(shù)保持在期望值允許范圍內(nèi)。當(dāng)參數(shù)越限時，蜂鳴器報警，同時聯(lián)鎖啟動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使參數(shù)向期望值靠近。

7 結(jié)束語

光熱感應(yīng)溫室自動控制系統(tǒng)的增濕和遮光控制采用模擬量控制的思想，根據(jù)測得參數(shù)與設(shè)定值的偏差進(jìn)行PID控制運算[11]，并根據(jù)算得指令調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使被控參數(shù)等于設(shè)定值。這種控制方法與傳統(tǒng)的開關(guān)量控制相比，有更高的控制精度，且因執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作連續(xù)，在超調(diào)量和穩(wěn)定性方面有較明顯的控制優(yōu)勢，有利于延長執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命。由于系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶需要對被控參數(shù)的期望值進(jìn)行設(shè)定，具有很強(qiáng)的控制靈活性，可滿足多種生物的不同培育環(huán)境要求[12]。