基于單片機的倉庫溫濕度智能控制系統設計

滿紅, 鄒存名, 冀勇鋼

摘 要：針對目前農產品種子倉庫存儲自動化程度低且不易大面積管理的現狀，提出采用以Atmel公司的AT89系列單片機為核心的智能溫、濕度控制系統。該系統通過串行通信方式實現上下位機溫、濕度給定值的設定，增強倉庫的智能化，搭建了基于單片機的硬件電路，系統的軟硬件均通過測試，并對該系統的結構圖和工作原理以及軟件模糊控制算法做以簡單介紹，實際使用中效果良好。

關鍵詞：單片機； SHT11； DS1302； 溫、濕度控制

中圖分類號：TN710-34文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0118-03

Temperature and Humidity Control System of Warehouse Based on MCU

MAN Hong, ZOU Cun-ming, JI Yong-gang

(Information Engineering College, Dalian Jiaotong University, Dalian 116052, China)

Abstract： According to the low automatic degree of the warehouse of agricultural seed and the difficulty in large area management, an intelligent temperature and humidity control system with MCU of ATMEL Company is designed. The system realized the temperature and humidity value set of PC through serial communication, enhanced the intellectualization of the warehouse, built the hardware circuits based on MCU, and tested the software and hardware of the system. The structure, working principle and fuzzy control algorithm are introduced. The actual effect about the system is good.

Keywords： MCU; SHT11; DS1302; temperature and humidity control

0 引 言

溫、濕度控制廣泛應用于人們的生產和生活中，對于農產品種子來說，對環境溫度與濕度有著比較嚴格的要求。人們通常使用溫度計、濕度計來測量倉庫的溫度和濕度，通過人工加熱、加濕、通風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、實時性差，而且操作人員的勞動強度大。同時溫度與相對濕度的大幅度變化可能導致種子大范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、濕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。本系統采集了種子倉庫所在地一年的溫度變化規律，并使用能適應季節變化、節省能源的模糊控制算法，結合AT89S51單片機技術研制了一種穩定性高、成本低的溫、濕度智能控制系統，采用上、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

該系統采用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、濕度檢測模塊，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通信模塊、報警模塊等。其中外圍設備采用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［1-2］。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、濕度控制范圍。溫度、濕度檢測模塊將倉庫內的溫、濕度信息傳到單片機，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并上傳數據到上位機顯示及保存。當溫度或者濕度超過設定的范圍上下限時，控制器將會啟動或者停止相應設備來調整環境濕度和溫度，同時將各種調整信息在LCD上顯示并發出報警信號。控制信息同時在上位機顯示并報警，建立控制日志保存。另外還可以設計一些通用接口，為以后設備功能擴展提供方便。

2 系統硬件設計

2.1 控制器的設計

此系統下位機采用模塊化設計，由AT89S51主控芯片，溫、濕度檢測模塊，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、濕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、濕度傳感器SHT11測量濕度。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、濕度。單片機的P2.0～P2.4接口分別作為驅動空調加熱制冷、循環風機、排濕窗風門的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。鍵盤和通信模塊采用查詢方式實現對控制系統的設置，從而達到對系統溫、濕度值和其限定范圍的及時調節。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［3-5］。

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［3］就具有支持多點組網的功能，可將多個DS18B20并連在惟一的三線上，實現多點溫度檢測，其測溫范圍為-55～+125 ℃，固有測溫分辨率為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 濕度檢測模塊

濕度測量模塊為了節省控制器I/O接口并方便以后的芯片功能擴展，采用SHT11溫、濕度傳感器［6］。此傳感器是高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D 轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，提供二線數字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高，測量精確度高，由于同時集成溫、濕度傳感器，可以提供溫度補償的濕度測量值和高質量的露點計算功能。SHT11可通過DATA數據總線直接輸出數字量濕度值。該濕度值稱為“相對濕度”,需要進行線性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值。由于相對濕度數字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補償濕度傳感器的非線性，可按下式修正濕度值：

RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SO2RH

式中：RHlinear為經過線性補償后的濕度值;SORH為相對濕度測量值;C1,C2,C3為線性補償系數，取值如表1所列。

表1 濕度線性補償系數

SORHC1C2C3

12位-40.040 5-2.8×106

8位-40.648-7.2×104

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

RHtrue=(T-25)×(t1+t2×SORH)+RHlinear

式中：RHtrue為經過線性補償和溫度補償后的濕度值;T為測試濕度值時的溫度(單位：℃);t1和t2為溫度補償系數，取值如表2所示。

表2 濕度值溫度補償系數

SORHt1t2

12位0.010.000 08

8位0.010.001 28

具體濕度檢測模塊電路如圖3所示。

圖3 濕度檢測模塊電路

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芯片產生電信號，控制相應的設備運轉或者停止，實現倉庫溫度和濕度的自動調節。當檢測到的溫度和濕度值大于或小于設定值時，報警模塊同時會發生報警信號通知用戶注意當前狀況，必要時需采取相應人工措施［7-9］。

3 系統軟件設計

由于溫、濕度變化規律性不強，被檢測對象的溫、濕度具有非線性、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后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［10］。

控制器可以自動檢測晝夜、季節、室內環境溫、濕度值的變化，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個輸入數據和1個輸出數據。e為溫、濕度偏差;Δe為溫、濕度變化率;u為輸出控制變量，其值分別為：

e={PL,PM,PS,0,NS,NM,NL}

Δe={PL,PM,PS,0,NS,NM,NL}

u={PL,PM,PS,0,NS,NM,NL}

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。然后根據專家知識和操作人員的經驗，建立模糊控制表。其模糊關系可以用多個條件語句表示，例如：IF e=NL and Δe=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、濕度的實時顯示，讀取并處理傳感器測量的溫、濕度值，當實際值與事先設定的溫、濕度上下限值不同時，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并作相應控制日志記錄。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 語

采用模糊控制算法非常適合大型倉庫中多點溫度和濕度的檢測與控制，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，就能服務于國防工業、農業等生產上的各個方面。

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