基于物联网技术的温室大棚控制系统设计——08电科

基于物联网技术的温室大棚控制系统设计——08电科内容摘要：

MAX485 与单片机连接电路，如图 所示。 (T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MOSO)7(SCK)8RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE(PRCG)30EA/VPP31(AD7)32(AD6)33(AD5)34(AD4)35(AD3)36(AD2)37(AD1)38(AD0)39VCC40U2AT89S52R01RE2DE3DI4VCC5B6A7GND8U3MAX485A1B2VOUT3U4EM485B上位机+5GND1KR3GNDVCC 图 单片机与上位机 通信电路图 控制电路 模块 本设计的控制电路模块选用继电器作为控制系统的开关。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。 故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 如图 所示，从机从主机接 受指令控制继电器的开关，从而使各类执行器件起到对温室德州学院 物理系 2020 届 电子信息科学与技术专业 毕业设计 13 环境调节的作用。 (T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MOSO)7(SCK)8RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE(PRCG)30EA/VPP31(AD7)32(AD6)33(AD5)34(AD4)35(AD3)36(AD2)37(AD1)38(AD0)39VCC40U2AT89S52GND12345K1RelayQ42N39041KR11VCC加热系统GND12345K2RelayQ52N39041KR12VCC通风系统GND12345K3RelayQ62N39041KR13VCC渗灌系统GND12345K4RelayQ72N39041KR12VCC补光系统 图 继电器控制电路 电源电路模块 本设计中用到 3 种电源，分别为 5V、 +5V、＋ 12V。 如图 所示， 220V交流电经变压器降压、桥式整流、电容滤波后由 790 780 7812 三端集成稳压管分别得到 5V、 +5V、＋ 12V 电压， 为 整个系统供电。 德州学院 物理系 2020 届 电子信息科学与技术专业 毕业设计 14 D1T1AC 220VC222200UC232200UC242200UC21IN1OUT2GND3U107805IN1OUT2GND3U87812IN1OUT2OUT3U97905C19C200,1U+12V+5V5V 图 电源电路图 4 系统软件设计 根据空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照度等数据的特点和农作物的生长特点，本系统对温室的空气温度、光照度进 行 PID 算法控制。 两者的数据先被传感器采集，经过信号处理，存入 AT89S52 的内部数据存储器，与设定值进行比较，经过 PID 算法得到控制量并由单片机输出去控制加热炉、补光光源。 PID 控制算法原理 控制器本身是一种基于对 “ 过去 ” 、 “ 现在 ” 和 “ 未来 ” 信息估计的简单控制算法。 常规的控制系统主要由控制器和被控对象组成。 作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称控制器。 在连续控制系统中， PID 控制器的输出 u(t)与输入 e(t)之间成比例、积分、微分的关系。 即 德州学院 物理系 2020 届 电子信息科学与技术专业 毕业设计 15             dtdeTdeTtektu Dip01 () 写成传递函数的形式        sTsTksE sUsG Dp111 () PID 控制器各个参数对系统的动态和稳态性能有不同的影响 [11]。 A 比例作用 比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。 (1) 对动态特性的影响 比例控制参数 Kc 凡加大，使系统的动作灵敏，速度加快， Kc 偏大，振荡次数加多，调节时间加长。 当 Kc 太大时，系统会趋于不稳定，若 Kc 太小，又会使系统的动作缓慢。 (2)对稳态特性的影响 加大比例系数 Kc，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差 ess，提高控制精度，但是加大 Kc 只是减少 ess，却不能完全消除稳态误差。 在 PID 控制的闭环系统中，对于设定值的变化和外扰的响应是不同的，在工程应用上对两者的性能要求也有所不同，对设定值的变化一般要求满足一定的前提条件，如无超调下的快速跟踪对外扰则希望闭环系统在具有一定衰减比的情况下快速克服。 B 积分作用 积分作用的引入，主 要是为了保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪，它对系统的性能影响可以体现在以下两方面： (1) 对动态特性的影响 积分作用通常使系统的稳定性下降。 如果积分时间 Ti 太小系统将不稳定，Ti 偏小，振荡次数较多 ； 如果 Ti 太大，对系统性能的影响减少，当 Ti 合适时，过渡特性比较理想。 (2) 对稳态特性的影响 积分作用能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。 但是 Ti 太大德州学院 物理系 2020 届 电子信息科学与技术专业 毕业设计 16 时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。 C 微分作用 微分作用通常与比例作用或积分作用联合作用，构成 PD 控制或者 PID 控制。 微分作用的引入， 主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态特性，如使超调量较小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。 当微分时间 Td 偏大时，超调量较大，调节时间较长 ； 当 Td 偏小时，超调量也较大，调节时间也较长只有合适时，可以得到比较满意的过渡过程。 直观地分析，假设被控对象存在一定的惯性，微分作用将使得控制作用与被控量，与偏差量未来变化趋势之间形成近似的比例关系。 从频域分析的角度讲，微分作用等效于一个高通滤波器，即有可能在控制 输出中引入较强的高频噪声，这是实际控制所不希望的。 在现代由于计算机进入控制领 域，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，用软件实现 PID 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使 PID 控制更加灵活。 计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。 因此，连续 PID 控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。 在计算机 PID 控制中，使用的是数字 PID 控制器。 目前有位置式 PID 控制算法以及增量式 PID 控制算法 [12]。 本系统采用了增量数字化 PID 算法。 增量式控制器是指控制器每次输出的只是控制量的增量，当执行机构，例如步进电机，需要的是增量而不是位置量的绝 对数值时，就可以使用增量式 PID 控制器进行控制 [13]。 增量 )(ku ，当执行机构需要的是控制量的增量时，应采用增量式 PID 控制。 根据递推原理可得 T kekekTjekkekku dkjip )2()1()()1()1( 10   () 用式 ()减式 ()，可得增量式 PID 控制算法 德州学院 物理系 2020 届 电子信息科学与技术专业 毕业设计 17 T kekekekTkekkekekku dip )2()1(2)()())1()(()(  () 式 ()称为增量式 PID 控制算法，将其进一步可改写为 )2()1()()( 210  keakeakeaku () 式中， )1(0 TTTTka dip ， )21(1 idp TTka ，idp TTka 2 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少的优点 [14]： (1) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。 (2) 手动 /自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。 此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。 (3) 算式中不需要累加。 控制增量 u(k)的 确定，仅与最近 k 次的采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但是增量式控制也有其不足之处 [15]：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。 因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置式控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。 系统下位机主程序流程图设计 本系统软件下位机程序主要由下位机各数据测控、上位机与下位机通讯、报警等程序组成。 下位机主程序流程图，如图 所示。 传感器采 集的数据存储入单片机，单片机初始化，开始比较采集的空气温湿度是否在测量范围内，如果在测量范围内，则比较采集到的土壤湿度是否在测量范围内，否则进入空气温度调整子程序，控制加热炉加热或者通风系统通风以升高或降低空气温湿度，然后比较采集到的土壤湿度是否在测量范围内，以此类推，当比较完采集到的二氧化碳浓度后进入下一个循环重新开始比较空气温湿度。 德州学院 物理系 2020 届 电子信息科学与技术专业 毕业设计 18 N Y N Y N Y N Y N N Y 图 主程序图 开始 系统初始化 参数设定 空气温湿度测量 空气温度是否在测量范围内 空气湿度测量 空气温度调整子程序 空气湿度是否在测量范围内 土壤湿度测量 空气湿度调整子程序 土壤湿度是否在测量范围内 二氧化碳浓度测量 土壤湿度调整子程序 二氧化碳浓度是否在测量范围内 光照度测量 二氧化碳浓度调整子程序 二氧化碳浓度是否在测量范围内 光照度调整子程序 德州学院 物理系 2020 届 电子信息科学与技术专业 毕业设计 19 5 结论 本次设计结合单片机技术、传感器技术和物联网技术，构建了一个基于物联网技术的温室大棚控制系统。 本系统是本着在不影响功能实现的前提条件下尽可能降低生产成本的宗旨，以 AT89S52 为核心，以 PID 控制为主要控制方式，以检测并调节空气温湿度、土壤湿度、 CO2 浓度和光照度为主要目的的测控系统。 该系统可以实现对温室大棚参数信息的实时检测和调整并报警，并且通过无线传输模。