硒砂瓜溫室種植模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了針對(duì)中衛(wèi)香山地區(qū)硒砂瓜溫室種植的智能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)依托溫度傳感器wzppt100、濕度傳感器HS1101以及單片機(jī)MC68HC705 C8等硬件，在采集與處理溫室溫度、濕度、光照度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用模糊算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室卷簾機(jī)、換氣扇、供暖器、微管噴滴灌等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
關(guān)鍵詞：溫室；模糊控制；MC68HC705C8；傳感器

    硒砂瓜被稱為“石頭縫里長(zhǎng)出的兩瓜”，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(duì)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(dú)厚光熱資源為兩甜瓜中天然葡萄糖、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(dú)特的自然條件，因此產(chǎn)出的西瓜個(gè)大皮厚、保鮮期長(zhǎng)、便于運(yùn)輸、果汁豐富、甘蜜爽口，糖份含量高達(dá)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(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的發(fā)展趨勢(shì)，而溫室模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、規(guī)模化種植的必要措施。

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(jī)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。

2 模糊算法
    眾所周知，溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，具有時(shí)變性、非線性且不確性等特點(diǎn)。如增加室內(nèi)的濕度，就會(huì)引起溫度的降低，同樣，溫度的升高也會(huì)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(xué)為基礎(chǔ)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(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，只需將現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)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(duì)象的不確定性、非線形、時(shí)變性、滯后等問題，系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)。
2．1 模糊控制器設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如圖2所示，溫度的實(shí)際測(cè)量值用Tt表示，濕度的實(shí)際測(cè)量值用Ht表示，溫度和濕度設(shè)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(jī)控制；U2-供暖泵控制；U3-換氣風(fēng)扇控制；U4-微管噴滴灌控制。

    其中，T0，H0來自上位機(jī)，Tt、Ht來自現(xiàn)場(chǎng)傳感器，K1、K2為量化因子，實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況及以往人工控制經(jīng)驗(yàn)，可調(diào)整其值。
2．2 隸屬函數(shù)
    在實(shí)際應(yīng)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(duì)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(shè)計(jì)采用正態(tài)分布函數(shù)來表示模糊變量的隸屬函數(shù)。

2．3 建立模糊控制規(guī)則
    模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，是操作者經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)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(dòng)控制策略上升為數(shù)值運(yùn)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(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制。表1所示為Ut的模糊查詢表，同理可得出U2、U3、U4的模糊查詢表。

3 電路設(shè)計(jì)
    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(jī)MC68HC705C8，其主要特點(diǎn)是片內(nèi)EPROM／OTPROM最多可達(dá)7744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(chǔ)器設(shè)置等。

    在控制電路中，單片機(jī)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(shè)置為輸出口，于是A口的數(shù)據(jù)方向寄存器($04)應(yīng)初始化為$FF。單片機(jī)B口的高四位PB7-PB4依次接4x4鍵盤矩陣的4個(gè)行，作為輸入口，而低四位PB3-PB0依次接4x4鍵盤矩陣的4個(gè)列，作為輸出口，因此B口的數(shù)據(jù)方向寄存器($05)應(yīng)初始化為$0F。A／D轉(zhuǎn)換器選用MC145041，它是8位11路逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)設(shè)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(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與A／D轉(zhuǎn)換器之間以SPI方式進(jìn)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(dòng)光電耦合器控制品閘管從而操縱卷簾機(jī)、風(fēng)痢電機(jī)、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($02)應(yīng)初始化為$FF。RDI、TDO設(shè)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(yīng)通過上拉電阻與VDD相接。溫度檢測(cè)選用廉價(jià)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(chǎng)溫度測(cè)量。選用電容式濕度傳感器HS11，它是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，動(dòng)態(tài)范圍大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，幾乎沒有零漂。光照采集電路主要由一個(gè)TSL235型光頻轉(zhuǎn)換器和多路開關(guān)構(gòu)成。在CO2濃度測(cè)量上采用響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、技術(shù)成熟的紅外CO2氣體傳感器6004。針對(duì)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(jī)加以改變。

    設(shè)計(jì)中，在輸出通道采用光耦MOC3021進(jìn)行隔離，將單片機(jī)系統(tǒng)輸出的信號(hào)隔離后送入后控電路，避免了晶閘管對(duì)單片機(jī)的干擾。“看門狗”電路應(yīng)用MAX813L芯片實(shí)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(fù)位輸出，復(fù)位輸出為高電平；2)獨(dú)立的“看門狗”輸出，“看門狗”最大定時(shí)時(shí)間為1．6 s：3)1．25 V門限檢測(cè)器，用于電源故障報(bào)警，低電壓檢測(cè)或+5 V以外的電源的監(jiān)控；4)低電平有效的人工復(fù)位輸入。單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)由MC1413來驅(qū)動(dòng)放大，輸出直接驅(qū)動(dòng)光電耦合器。MC1413輸入低電平時(shí)斷路，輸入高電平時(shí)為達(dá)林頓輸出，電流較大，而電平為低，相當(dāng)于反向隔離驅(qū)動(dòng)放大器。MC1413的內(nèi)部單組結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
    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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、模糊控制及通信等功能。

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

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)以MC68HC705C8單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的溫度、濕度、CO2濃度和光照度的測(cè)控，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單、精度高且響應(yīng)速度快，同時(shí)，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(duì)規(guī)?；瘻厥曳N植具有廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景。