基于单片机的蔬菜大棚温湿度智能控制系统设计

基于单片机的蔬菜大棚温湿度智能控制系统设计

前言

随着我国国民经济的发展,人民生活水平日益提高,尤其是在北方地区的寒冷冬季，仅靠南菜北调的长途运输，不仅成本高，而且延误蔬菜的最佳食用周期，所以大力推广蔬菜大棚温湿度智能控制，事在必行。

随着社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，物质需求的增长也不断增加，尤其实在寒冷的北方地区，冬季的蔬菜尤其重要，仅靠南菜北调不仅难以满足日渐庞大的需求，同时也会消耗大量的人力物力，所以蔬菜大棚的管理势在必行。

蔬菜大棚的设计其实就是反季节种植，大棚内部的环境必然与外界环境有很多不同之处，在保证内部温度的同时还要做到湿度的控制，所以蔬菜大棚温湿度智能控制系统是蔬菜大棚设计的首选。

智能系统的设计必须满足对大棚内各部分温湿度数据的检测与控制，保证大棚内温度、湿度、光照的必须条件切误差不能过大，蔬菜大棚的温湿度控制不是线性的，所以系统的延迟性不能过高，否则影响大棚的控制。

结合以上特点，传统的大棚人工控制是落后且浪费资源的，温湿度智能控制系统采用了多点温湿度传感器采集各点数据，首先就保证了数据的准确性，及时性，其次采集信息通过4位数码管显示，方便我们排查干扰条件，当采集条件超过我们预设的最低或最高值时，系统通过报警电路对我们进行及时的数据报警，保证大棚环境的稳定。

这些新技术的发明，为当代人们打开了一个全新的技术领域.

1 系统设计功能

1.1 蔬菜大棚特点及监控要求分析

塑料大棚种植蔬菜是反季节种植,外界环境的变化与正常蔬菜生长发育所处自然环境的变化相反;同时,塑料大棚本身调节环境因素的能力有限,必然导致蔬菜生长发育与环境因素以及大棚内环境因素之间的矛盾难以调和,给生产带来诸多问题。

塑料大棚环境的主要特点是:①塑料大棚的半封闭式结构不利于人工检测棚内各个点的温湿度。②塑料大棚的半封闭式结构决定了棚内湿度大,湿度过大极易导致病虫害发生。③棚内环境多变、复杂,光照不足、温度低,同时还存在温差过大等问题,温度过高过低或温差大都不利于蔬菜生长。④蔬菜大棚在温湿度控制上属于复杂的非线性,大延迟系统,简单的控制算法无法达到理想效果。

由以上特点得出,蔬菜大棚监控系统必须对温湿度能检测控制并显示给菜农,由于

大棚的系统特点,传统的控制算法不能满足对温湿度的控制要求,因此笔者改进了传统控制算法,采用传统PID与模糊控制相结合的方法构建了蔬菜大棚温湿度智能控制系统。

1.2 系统结构及主要功能

该系统通过多点温湿度传感器(最多可接8路温度和湿度传感器)采集大棚内各个位置的温度和湿度,采集的实时温湿度通过4位数码管显示,以便菜农了解大棚内环境情况,同时系统根据温湿度的变化情况经模糊PID控制算法决定是否进行加热或开启风门。通过键盘电路可以设置不同的温湿度参数(可以进行分段设置,比如白天25℃晚上20℃)或查看各个点的温湿度。当采集来的环境参数值超过设定的上下限值时,报警电路进行报警提示农业人员可以随时查询采集值和报警信息。该系统也预留了与zigbee无线收发模块的接口电路,通过无线网络以便对分散的多个蔬菜大棚进行统一化管理,同时也支持在系统编程,方便系统升级。

2 系统硬件电路设计

2.1 主要元件选择

温度传感器选择了美国DALLAS公司生产的DS18B20单总线智能温度传感器。它单总线接口,仅需一个端口进行通信;无需转换电路直接输出被测温度,测温范围-55～+125℃;可编程的分辨率为9～12位;在-10～+85℃范围内,精度为±0.5℃,完全可以满足蔬菜大棚的温度要求[2]。湿度传感器选择了国产S302H2湿度传感器,它采用模块化设计,精度可达到3%RH,稳定性好,可靠性好,线性电压输出。

微处理器选择了STC12C5616AD,该器件具有在系统/应用编程(IAP,ISP)功能,可实现在线升级;增强型8051内核,1个时钟/机器周期,速度相当于普通型8051的8～12倍。内部16KFLASH程序存储器;4K掉电不丢失数据存储器,该存储器可以用来存储温湿度设置参数;有8路10位AD,用于湿度传感器采集。

2.2 控制输出电路设计

该系统温度控制设计了两种方案:一种是通过可控硅控制电加热(可接解热灯加热丝);一种作为备用方案是火加热,通过步进电机控制火门的开度来调节大棚内温度。可控硅和步进电机驱动电路分别如图2.2-1所示。

图2.2-1 控制输出电路设计图

3 控制算法及软件设计

3.1 主程序设计主程序设计

总体采样循环结构主要包含几个模块:系统初始化、键盘扫描、数据采样、模糊PID 算法模块和控制量输出模块。

系统初始化主要完成微控制器初始化、LED显示初始化和系统外设检测等;键盘模块主要完成键盘扫描、系统设置和工艺设置等;这里的工艺设置是指,根据蔬菜的生长需要,不同的时间设置不同的温湿度值。主程序流程如图3.1-1所示：

图3.1 主程序设计主程序设计

3.2 控制算法程序

控制算法程序主要完成三方面功能:

行过程中根据模糊控制表实时调试PID控制参数,使系统始终处于最优控制状态。同时也采用了积分分离算法避免了积分饱和问题。

控制模糊PID算法程序流程图如图5所示,e(k)、e(k-1)分别为当前实际采样值与设定值的误差和上次采样值与设定值的误差;ec(k)是当前实际采样值与设定值的误差变化率;KP、KI、KD是系数;u(k)是计算输出值。

蔬菜大棚智能温湿度控制系统采用了模糊控制与传统PID控制结合的控制方法,有效地解决了传统控制方法对棚内温湿度的控制不足;同时也设计了在Zigbee无线收发模块的接口,可以实现蔬菜大棚大规模生产和统一管理监控。该系统人机界面良好、操作简单方便、自动化程度高、稳定可靠,经过实际种植和试验验证,效果良好,有效地降低了菜农的工作量,保证了大棚蔬菜的生产质量,在广大农村地区有广泛应用。

4 总体方案的设计

4.1 设计思想

系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输入，从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过LED数码管进行实时显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理；单片机可以根据比较的结果对执行机构发出相应的信号，并通过继电器的控制对相应的设备如喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作，调节大棚内温湿度状态。用户直接通过键盘对温湿度的上下限值和预置值进行设置后，如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚内湿度和温度状态，直到温湿度状态处于上下限值以内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。上位机是用DELPHI软件编写的一个数据库系统管理系统，有着友好直观的用户界面，可直接设置温湿度的上下限值和读取下位机的数据，也可以直接对温室大棚内下位机的喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作，调节大棚内温湿度状态。由于上位机DELPHI软件有强大的数据库存储和处理功能，我们可以对下位机传送上来的