硒砂瓜溫室種植模糊控制系統(tǒng)設計

劉麗萍

（寧夏大學 物理電氣信息學院，寧夏 銀川 750021）

硒砂瓜被稱為“石頭縫里長出的西瓜”，是寧夏中衛(wèi)香山地區(qū)農(nóng)民在沙礫淤積豐富的香山?jīng)_擊扇區(qū)域?qū)⒋罅克樯呈采w在山地表層，利用砂礫鋪壓對地表所具有的節(jié)水、增溫、保墑效果的一種特殊種植模式下產(chǎn)出的西瓜。這里海拔1 600～1 800 m高的得天獨厚光熱資源為西甜瓜中天然葡萄糖、維生素、氨基酸和多種微量元素特別是食物中稀缺的硒元素的積聚提供了獨特的自然條件，因此產(chǎn)出的西瓜個大皮厚、保鮮期長、便于運輸、果汁豐富、甘蜜爽口，糖份含量高達13.8%。

硒砂瓜的營養(yǎng)元素含量全面合理，其中，含人體所需的氨基酸18種，維生素3種，微量元素5種，含鈣56 mg/kg，鉀1 090 mg/kg，特別是含有人體保健必需的硒和鋅等微量元素。

溫室種植硒砂瓜可以大幅提高其年產(chǎn)量。如今，硒砂瓜種植產(chǎn)業(yè)科學化、標準化發(fā)展已經(jīng)成為當?shù)剞r(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的發(fā)展趨勢，而溫室模糊控制系統(tǒng)的設計與實施，是實現(xiàn)科學化、規(guī)模化種植的必要措施[1]。

1 控制系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、基于模糊算法的單片機處理子系統(tǒng)、卷簾保暖子系統(tǒng)、供暖與換氣子系統(tǒng)、微管噴滴灌子系統(tǒng)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Blueprint of control system

2 模糊算法

眾所周知，溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，具有時變性、非線性且不確性等特點。如增加室內(nèi)的濕度，就會引起溫度的降低，同樣，溫度的升高也會引起室內(nèi)濕度發(fā)生變化，這就為基于傳統(tǒng)控制理論開發(fā)溫室控制系統(tǒng)帶來了很大的困難。模糊控制是以模糊數(shù)學為基礎發(fā)展起來的一種非線性的控制方法，模糊控制在一定程度上模仿了人在操作控制過程中的思維和邏輯推理，不需要建立控制對象精確的數(shù)學模型，只需將現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語言控制規(guī)則并形成模糊控制芯片的工作軟件即可。因此它能解決對象的不確定性、非線形、時變性、滯后等問題，系統(tǒng)的魯棒性強[5]。

2.1 模糊控制器設計

系統(tǒng)設計中，如圖2所示，溫度的實際測量值用Tt表示，濕度的實際測量值用Ht表示，溫度和濕度設定值分別用T0、H0表示，將溫濕度誤差ET、EH作為控制器輸入，則ET=Tt-T0，EH=Ht-H0， 控制器的輸出變量分別用 U1，U2，U3，U4表 示，其中，U1—卷簾機控制；U2—供暖泵控制；U3—換氣風扇控制；U4—微管噴滴灌控制[2]。

圖2 模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Frame diagram of fuzzy control system principle

其中，T0、H0來自上位機，Tt、Ht來自現(xiàn)場傳感器，K1、K2為量化因子，實際應用中，根據(jù)現(xiàn)場實況及以往人工控制經(jīng)驗，可調(diào)整其值。

2.2 隸屬函數(shù)

在實際應用中，隸屬函數(shù)主要有正態(tài)函數(shù)、梯形和三角形等幾種形式，由于人們對事物的判別往往沿用正態(tài)分布的思維方式，因此，如圖3所示，本設計采用正態(tài)分布函數(shù)來表示模糊變量的隸屬函數(shù)[3]。

2.3 建立模糊控制規(guī)則

圖3 輸入變量隸屬函數(shù)曲線Fig.3 Curve of input E&Er

模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動控制策略，是操作者經(jīng)驗和技術(shù)知識的集合，通過語言歸納出來的條件語句，利用模糊集合理論和語言變量的概念，把利用語言歸納的手動控制策略上升為數(shù)值運算，最后寫成矩陣形式就構(gòu)成了基本模糊查詢表（決策庫），并由此實現(xiàn)模糊自動控制。表1所示為U1的模糊查詢表，同理可得出U2、U3、U4的模糊查詢表。

表1 U1的模糊查詢表Tab.1 Fuzzy control search table of U1

3 電路設計

圖4 控制系統(tǒng)電氣原理圖Fig.4 Diagram of fuzzy control system principle

如圖4所示，系統(tǒng)控制的核心選用MOTOROLA公司CMOS工藝8位單片機MC68HC705C8，其主要特點是片內(nèi)EPROM/OTPROM最多可達7 744字節(jié)，24條雙向I/O線，7條固定輸入線，電源電壓3.0～5.5 V （2 V數(shù)據(jù)保持方式），WAIT、STOP低功耗和數(shù)據(jù)保持方式，可選擇存儲器設置等。

在控制電路中，單片機的A口PA7－PA0與LCD顯示器件的DATA7－DATA0相連，將傳感器數(shù)據(jù)傳送到LCD器件，而PC2－PC0與LCD器件的E、RS、R/W端相連，以控制數(shù)據(jù)的傳送。PA7－PA0設置為輸出口，于是A口的數(shù)據(jù)方向寄存器（$04）應初始化為$FF。單片機B口的高四位 PB7－PB4依次接4×4鍵盤矩陣的4個行，作為輸入口，而低四位PB3－PB0依次接4×4鍵盤矩陣的4個列，作為輸出口，因此B口的數(shù)據(jù)方向寄存器 （$05）應初始化為$0F。A/D轉(zhuǎn)換器選用MCl45041，它是8位11路逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)設置了多路模擬選通開關(guān)以及通道地址譯碼及鎖存電路，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。它的DOUT、DIN、SCK與SPI引腳相連接，而PC3與A/D轉(zhuǎn)換器的片選端相連接，由此實現(xiàn)了單片機與A/D轉(zhuǎn)換器之間以SPI方式進行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道相連。C口的PC7－PC4分別通過放大器后，再驅(qū)動光電耦合器控制晶閘管從而操縱卷簾機、風扇電機、供暖泵和微管噴滴灌泵。因此C口的所有端作為控制端，均為輸出，這樣C口的數(shù)據(jù)方向寄存器（$02）應初始化為$FF。RDI、TDO設置為串行通訊口。端外接看門狗電路MAX813L。其它不用的端PD5、PD7應通過上拉電阻與VDD相接。溫度檢測選用廉價的WZP Pt100型熱電阻作溫度傳感器，該器件耐磨、耐碰，體積小，使用方便，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。選用電容式濕度傳感器HS1101，它是基于獨特工藝設計的電容元件，動態(tài)范圍大，動態(tài)響應快，幾乎沒有零漂。光照采集電路主要由一個TSL235型光頻轉(zhuǎn)換器和多路開關(guān)構(gòu)成。在CO2濃度測量上采用響應速度快、測量精度高、技術(shù)成熟的紅外CO2氣體傳感器6004。針對冬季、夏季大環(huán)境溫度、濕度的大幅變化，控制系統(tǒng)的軟件參數(shù)可通過上位機加以改變。

設計中，在輸出通道采用光耦MOC3021進行隔離，將單片機系統(tǒng)輸出的信號隔離后送入后控電路，避免了晶閘管對單片機的干擾。“看門狗”電路應用MAX813L芯片實現(xiàn)，該電路具有以下4種功能：1）加電、掉電以及降壓使用情況下的復位輸出，復位輸出為高電平；2）獨立的“看門狗”輸出，“看門狗”最大定時時間為1.6 s；3）1.25 V門限檢測器，用于電源故障報警，低電壓檢測或+5 V以外的電源的監(jiān)控；4）低電平有效的人工復位輸入。單片機發(fā)出的控制信號由MC1413來驅(qū)動放大，輸出直接驅(qū)動光電耦合器。MC1413輸入低電平時斷路，輸入高電平時為達林頓輸出，電流較大，而電平為低，相當于反向隔離驅(qū)動放大器。MC1413的內(nèi)部單組結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 軟件設計

圖5 MC1413內(nèi)部單組結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure chart of a MC1413

系統(tǒng)軟件主要包括：主程序，鍵盤中斷子程序、數(shù)據(jù)采集子程序和與上位機通信的子程序等，主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)在完成初始化后，通過調(diào)用相關(guān)的子程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、模糊控制及通信等功能。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

下位機軟件利用匯編語言編制，主要側(cè)重于信號采集、數(shù)據(jù)顯示和通信。上位機軟件可視化語言VB6.0編制，重點放在模糊控制決策表的計算以及檢測上。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以MC68HC705C8單片機為核心，實現(xiàn)對溫室的溫度、濕度、CO2濃度和光照度的測控，系統(tǒng)運行可靠、操作簡單、精度高且響應速度快，同時，由于數(shù)據(jù)采用模糊處理方式，因此控制結(jié)果可與人工操作相媲美，提高了溫室生產(chǎn)的智能控制管理水平，對規(guī)模化溫室種植具有廣泛的開發(fā)應用前景。

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