【文章內(nèi)容簡介】 MAX485 與單片機連接電路，如圖 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上位機+5GND1KR3GNDVCC 圖 單片機與上位機 通信電路圖 控制電路 模塊 本設(shè)計的控制電路模塊選用繼電器作為控制系統(tǒng)的開關(guān)。 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。如圖 所示，從機從主機接受指 令控制繼電器的開關(guān)，從而使各類執(zhí)行器件起到對溫室德州學(xué)院 物理系 2021 屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 13 環(huán)境調(diào)節(jié)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加熱系統(tǒng)GND12345K2RelayQ52N39041KR12VCC通風(fēng)系統(tǒng)GND12345K3RelayQ62N39041KR13VCC滲灌系統(tǒng)GND12345K4RelayQ72N39041KR12VCC補光系統(tǒng) 圖 繼電器控制電路 電源電路模塊 本設(shè)計中用到 3 種電源，分別為 5V、 +5V、＋ 12V。 如圖 所示， 220V交流電經(jīng)變壓器降壓、橋式整流、電容濾波后由 790 780 7812 三端集成穩(wěn)壓管分別得到 5V、 +5V、＋ 12V 電壓， 為 整個系統(tǒng)供電。 德州學(xué)院 物理系 2021 屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 14 D1T1AC 220VC222200UC232200UC242200UC21IN1OUT2GND3U107805IN1OUT2GND3U87812IN1OUT2OUT3U97905C19C200,1U+12V+5V5V 圖 電源電路圖 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 根據(jù)空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照度等數(shù)據(jù)的特點和農(nóng)作物的生長特點，本系統(tǒng)對溫室的空氣溫度、光照度進行 PID 算法控制。兩者的數(shù)據(jù)先被傳感器采集，經(jīng)過信號處理，存入 AT89S52 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，與設(shè)定值進行比較，經(jīng)過 PID 算法得到控制量并由單片機輸出去控制加熱爐、補光光源。 PID 控制算法原理 控制器本身是一種基于對 “ 過去 ” 、 “ 現(xiàn)在 ” 和 “ 未來 ” 信息估計的簡單控制算法。常規(guī)的控制系統(tǒng)主要由控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱控制器。 在連續(xù)控制系統(tǒng)中， PID 控制器的輸出 u(t)與輸入 e(t)之間成比例、積分、微分的關(guān)系。即 德州學(xué)院 物理系 2021 屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??? ? dtdeTdeTtektu Dip???01 () 寫成傳遞函數(shù)的形式 ? ? ? ?? ? ???????? ???? sTsTksE sUsG Dp111 () PID 控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能有不同的影響 [11]。 A 比例作用 比例作用的引入是為了及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。 (1) 對動態(tài)特性的影響 比例控制參數(shù) Kc 凡加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快， Kc 偏 大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng) Kc 太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定，若 Kc 太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。 (2)對穩(wěn)態(tài)特性的影響 加大比例系數(shù) Kc，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差 ess，提高控制精度，但是加大 Kc 只是減少 ess，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 在 PID 控制的閉環(huán)系統(tǒng)中，對于設(shè)定值的變化和外擾的響應(yīng)是不同的，在工程應(yīng)用上對兩者的性能要求也有所不同，對設(shè)定值的變化一般要求滿足一定的前提條件，如無超調(diào)下的快速跟蹤對外擾則希望閉環(huán)系統(tǒng)在具有一定衰減比的情況下快速克服。 B 積分作用 積分作用的引入，主要是 為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時對設(shè)定值的無靜差跟蹤，它對系統(tǒng)的性能影響可以體現(xiàn)在以下兩方面： (1) 對動態(tài)特性的影響 積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。如果積分時間 Ti 太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定，Ti 偏小，振蕩次數(shù)較多 ； 如果 Ti 太大，對系統(tǒng)性能的影響減少，當(dāng) Ti 合適時，過渡特性比較理想。 (2) 對穩(wěn)態(tài)特性的影響 積分作用能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是 Ti 太大德州學(xué)院 物理系 2021 屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 16 時，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。 C 微分作用 微分作用通常與比例作用或積分作用聯(lián)合作用，構(gòu)成 PD 控制或者 PID 控制。 微分作用的引入，主要 是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性，如使超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng)微分時間 Td 偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長 ； 當(dāng) Td 偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。直觀地分析，假設(shè)被控對象存在一定的慣性，微分作用將使得控制作用與被控量，與偏差量未來變化趨勢之間形成近似的比例關(guān)系。 從頻域分析的角度講，微分作用等效于一個高通濾波器，即有可能在控制 輸出中引入較強的高頻噪聲，這是實際控制所不希望的。 在現(xiàn)代由于計算機進入控制領(lǐng)域， 用數(shù)字計算機代替模擬計算機調(diào)節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，用軟件實現(xiàn) PID 控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使 PID 控制更加靈活。計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù) PID 控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計算機 PID 控制中，使用的是數(shù)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]。 本系統(tǒng)采用了增量數(shù)字化 PID 算法。 增量式控制器是指控制器每次輸出的只是控制量的增量，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)，例如步進電機，需要的是增量而不是位置量的絕對數(shù) 值時，就可以使用增量式 PID 控制器進行控制 [13]。 增量 )(ku? ，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，應(yīng)采用增量式 PID 控制。根據(jù)遞推原理可得 T kekekTjekkekku dkjip )2()1()()1()1( 10 ???????? ??? () 用式 ()減式 ()，可得增量式 PID 控制算法 德州學(xué)院 物理系 2021 屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 17 T kekekekTkekkekekku dip )2()1(2)()())1()(()( ?????????? () 式 ()稱為增量式 PID 控制算法，將其進一步可改寫為 )2()1()()( 210 ?????? keakeakeaku () 式中， )1(0 TTTTka dip ???， )21(1 idp TTka ??，idp TTka ?2 增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來了不少的優(yōu)點 [14]： (1) 由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。 (2) 手動 /自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值。 (3) 算式中不需要累加。控制增量 u(k)的確定 ，僅與最近 k 次的采樣值有關(guān)， 所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 但是增量式控制也有其不足之處 [15]：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式控制算法，而在以步進電動機或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。 系統(tǒng)下位機主程序流程圖設(shè)計 本系統(tǒng)軟件下位機程序主要由下位機各數(shù)據(jù)測控、上位機與下位機通訊、報警等程序組成。下位機主程序流程圖，如圖 所示。傳感器采集的 數(shù)據(jù)存儲入單片機，單片機初始化，開始比較采集的空氣溫濕度是否在測量范圍內(nèi)，如果在測量范圍內(nèi)，則比較采集到的土壤濕度是否在測量范圍內(nèi)，否則進入空氣溫度調(diào)整子程序，控制加熱爐加熱或者通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)以升高或降低空氣溫濕度，然后比較采集到的土壤濕度是否在測量范圍內(nèi)，以此類推，當(dāng)比較完采集到的二氧化碳濃度后進入下一個循環(huán)重新開始比較空氣溫濕度。 德州學(xué)院 物理系 2021 屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 18 N Y N Y N Y N Y N N Y 圖 主程序圖 開始 系統(tǒng)初始化 參數(shù)設(shè)定 空氣溫濕度測量 空氣溫度是否在測量范圍內(nèi) 空氣濕度測量 空氣溫度調(diào)整子程序 空氣濕度是否在測量范圍內(nèi) 土壤濕度測量 空氣濕度調(diào)整子程序 土壤濕度是否在測量范圍內(nèi) 二氧化碳濃度測量 土壤濕度調(diào)整子程序 二氧化碳濃度是否在測量范圍內(nèi) 光照度測量 二氧化碳濃度調(diào)整子程序 二氧化碳濃度是否在測量范圍內(nèi) 光照度調(diào)整子程序 德州學(xué)院 物理系 2021 屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 19 5 結(jié)論 本次設(shè)計結(jié)合單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)是本著在不影響功能實現(xiàn)的前提條件下盡可能降低生產(chǎn)成本的宗旨，以 AT89S52 為核心，以 PID 控制為主要控制方式，以檢測并調(diào)節(jié)空氣溫濕度、土壤濕度、 CO2 濃度和光照度為主要目的的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫室大棚參數(shù)信息的實時檢測和調(diào)整并報警，并且通過無線傳輸