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)品種子來說,， 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)來測(cè)量倉庫的溫度和濕度,， 通過人工加熱,、加濕、通風(fēng)和降溫等方法來控制倉庫的溫,、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， 從而帶來極大的經(jīng)濟(jì)及財(cái)產(chǎn)損失,。因此,， 保持適宜的倉庫溫度、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)采集了種子倉庫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)全方位智能化的倉庫管理控制系統(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,。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)可以通過鍵盤設(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)置來調(diào)整倉庫溫、濕度控制范圍。溫度,、濕度檢測(cè)模塊將倉庫內(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),。控制信息同時(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)量倉庫的溫度,， 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)作來調(diào)節(jié)倉庫的溫、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 開關(guān)斷開， 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 開關(guān)閉合， 相應(yīng)執(zhí)行電機(jī)工作,。鍵盤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RS 485 將事件傳送給遠(yuǎn)程主機(jī),， 發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2. 2 溫度檢測(cè)模塊
此系統(tǒng)的溫度檢測(cè)模塊根據(jù)倉庫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SHT 11 溫,、濕度傳感器。
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DAT A, 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。SHT 11 可通過DA TA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：
式中： RH linear為經(jīng)過線性補(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)
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：
式中： RH true為經(jīng)過線性補(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)
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)倉庫溫度和濕度的自動(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,。
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計(jì)算機(jī)完成控制過程,， 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),。
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)控制過程,。倉庫存儲(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；△e 為溫,、濕度變化率,； u 為輸出控制變量， 其值分別為：
其中： PL 表示負(fù)大,； PM 表示負(fù)中,； PS 表示負(fù)?。?NS 表示正??； 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)條件語句表示,， 例如： IF e= NL and △e=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)倉庫中溫,、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
采用模糊控制算法非常適合大型倉庫中多點(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)過簡(jiǎn)單的改進(jìn),， 就能服務(wù)于國防工業(yè),、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)上的各個(gè)方面。