智能化的溫溼度智能控制系統設計詳細講解

2020-12-12 電子發燒友

智能化的溫溼度智能控制系統設計詳細講解

工程師2 發表於 2018-05-23 15:51:00

溫、溼度控制廣泛應用於人們的生產和生活中，對於農產品種子來說，對環境溫度與溼度有著比較嚴格的要求。人們通常使用溫度計、溼度計來測量倉庫的溫度和溼度，通過人工加熱、加溼、通風和降溫等方法來控制倉庫的溫、溼度，這種方法不但控制精度低、實時性差，而且操作人員的勞動強度大。同時溫度與相對溼度的大幅度變化可能導致種子大範圍腐爛或者影響種子的發芽率，從而帶來極大的經濟及財產損失。因此，保持適宜的倉庫溫度、溼度對保證農產品種子存儲質量十分重要。

目前市場上的各種溫度控制設備大多只能根據簡單的溫度變化規律制定控制算法，系統擴展性較差。本系統採集了種子倉庫所在地一年的溫度變化規律，並使用能適應季節變化、節省能源的模糊控制算法， 結合AT89S51 單片機技術研製了一種穩定性高、成本低的溫、溼度智能控制系統，採用上、下位機控制結構，實現全方位智能化的倉庫管理控制系統。

1 系統結構及工作原理

該系統採用PC 機作為上位機監控單元，AT89S51單片機作為下位機控制器，其外圍設備包括溫度、溼度檢測模塊， 溫、溼度輸出控制模塊，鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊及上下位機通信模塊、報警模塊等。其中外圍設備採用RS 485 串行通信接口方式和上位機實現遠程數據交換， 用以實現向用戶發送信息， 用戶對設備進行操作處理等功能。系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

本系統可以通過鍵盤設定模塊或者上位機下裝模塊進行系統給定值的設置來調整倉庫溫、溼度控制範圍。溫度、溼度檢測模塊將倉庫內的溫、溼度信息傳到單片機， 單片機根據實際情況發出控制信號驅動控制模塊進行相應操作， 同時將當前信息存儲到單片機相應內存單元中並上傳數據到上位機顯示及保存。當溫度或者溼度超過設定的範圍上下限時， 控制器將會啟動或者停止相應設備來調整環境溼度和溫度， 同時將各種調整信息在LCD 上顯示並發出報警信號。控制信息同時在上位機顯示並報警， 建立控制日誌保存。另外還可以設計一些通用接口， 為以後設備功能擴展提供方便。

2 系統硬體設計

2. 1 控制器的設計

此系統下位機採用模塊化設計， 由AT 89S51 主控晶片， 溫、溼度檢測模塊， 輸出控制模塊， 鍵盤輸入模塊，LCD 顯示模塊， 上下位機通信模塊等幾部分組成。溫、溼度檢測模塊使用數字溫度傳感器DS18B20 測量倉庫的溫度， 使用溫、溼度傳感器SHT11 測量溼度。輸出控制模塊的控制信號由單片機控制器提供， 通過光電隔離器傳送信號到繼電器控制各執行電機動作來調節倉庫的溫、溼度。單片機的P2. 0~ P2. 4 接口分別作為驅動空調加熱製冷、循環風機、排溼窗風門的I/ O 接口。

在I/ O 接口輸出電平為0 時， K1 開關斷開， 相應執行電機不工作； 在I/ O接口輸出電平為1 時， 光電隔離器輸出信號使K1 開關閉合， 相應執行電機工作。鍵盤和通信模塊採用查詢方式實現對控制系統的設置， 從而達到對系統溫、溼度值和其限定範圍的及時調節。如果出現異常情況， 設備將立即通過RS 485 將事件傳送給遠程主機， 發出報警信號。

2. 2 溫度檢測模塊

此系統的溫度檢測模塊根據倉庫面積的大小可增加多處檢測點， 而數字溫度傳感器DS18B20就具有支持多點組網的功能， 可將多個DS18B20 並連在惟一的三線上， 實現多點溫度檢測， 其測溫範圍為- 55~+ 125 ， 固有測溫解析度為0. 5 ， 工作電源為DC 3~ 5 V， 測量結果以9~ 12 位數字量的方式串行傳送。其檢測電路如圖2 所示。

圖2 溫度檢測模塊電路

2. 3 溼度檢測模塊

溼度測量模塊為了節省控制器I/ O 接口並方便以後的晶片功能擴展， 採用SHT 11 溫、溼度傳感器。

此傳感器是高度集成， 將溫度感測、溼度感測、信號變換、A/ D 轉換和加熱器等功能集成到一個晶片上， 提供二線數字串行接口SCK 和DAT A， 接口簡單， 支持CRC 傳輸校驗， 傳輸可靠性高， 測量精確度高， 由於同時集成溫、溼度傳感器， 可以提供溫度補償的溼度測量值和高質量的露點計算功能。SHT 11 可通過DA TA數據總線直接輸出數字量溼度值。該溼度值稱為 相對溼度！， 需要進行線性補償和溫度補償後才能得到較為準確的溼度值。由於相對溼度數字輸出特性呈一定的非線性， 因此為了補償溼度傳感器的非線性， 可按下式修正溼度值：

式中： RH linear為經過線性補償後的溼度值； SORH 為相對溼度測量值； C1 ， C2 ， C3 為線性補償係數， 取值如表1所列。

表1 溼度線性補償係數

而實際溫度和測試參考溫度25 有所不同， 所以對線性補償後的溼度值進行溫度補償很有必要。補償公式如下：

式中： RH true為經過線性補償和溫度補償後的溼度值； T為測試溼度值時的溫度（ 單位： ℃ ） ; t1 和t2 為溫度補償係數， 取值如表2 所示。

表2 溼度值溫度補償係數

具體溼度檢測模塊電路如圖3 所示。

圖3 溼度檢測模塊電路

2. 4 輸出驅動控制模塊及報警模塊

輸出驅動控制模塊通過控制晶片產生電信號， 控制相應的設備運轉或者停止， 實現倉庫溫度和溼度的自動調節。當檢測到的溫度和溼度值大於或小於設定值時，報警模塊同時會發生報警信號通知用戶注意當前狀況，必要時需採取相應人工措施。

3 系統軟體設計

由於溫、溼度變化規律性不強， 被檢測對象的溫、溼度具有非線性、熱慣性、時變性等特點， 較難建立精確的數學模型。而模糊控制算法不需要建立精確的數學模型， 可依據人工實際操作經驗， 將其抽象為一系列的控制算法後通過計算機完成控制過程， 具有控制動態響應好、超調小、穩定性強等特點。

控制器可以自動檢測晝夜、季節、室內環境溫、溼度值的變化， 利用模糊算法實現自動控制過程。倉庫存儲土豆種子的溫度控制在- 1~ + 3℃ 之間， 相對溼度保持在45%~ 70% 較為適宜。

溫、溼度控制程序中， 溫、溼度各有2 個輸入數據和1 個輸出數據。e 為溫、溼度偏差；△e 為溫、溼度變化率； u 為輸出控制變量， 其值分別為：

其中： PL 表示負大； PM 表示負中； PS 表示負小； NS 表示正小； NM 表示正中； NL 表示正大。然後根據專家知識和操作人員的經驗， 建立模糊控制表。其模糊關係可以用多個條件語句表示， 例如： IF e= NL and △e=NL then u= SM; 根據模糊推理進行運算， 即可推出控制結果。

在主程序中， 主要負責倉庫中溫、溼度的實時顯示，讀取並處理傳感器測量的溫、溼度值， 當實際值與事先設定的溫、溼度上下限值不同時， 發出控制信號， 驅動輸出控制單元啟動或停止執行控制電機， 同時發出報警信號， 通知用戶當前發生的狀況並作相應控制日誌記錄。

主程序流程圖和溫、溼度採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、溼度採集處理框圖

4 結語

採用模糊控制算法非常適合大型倉庫中多點溫度和溼度的檢測與控制， 具有可靠性高、成本低廉、能耗低、反應靈敏、以及可擴展性好等特點。該設備具備一定的通用性， 經過簡單的改進， 就能服務於國防工業、農業等生產上的各個方面。

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