硒砂瓜溫室種植模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉麗萍

（寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

硒砂瓜被稱(chēng)為“石頭縫里長(zhǎng)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(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(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(yíng)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)?；N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(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?chē)姷喂嘧酉到y(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(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(kāi)發(fā)溫室控制系統(tǒng)帶來(lái)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(lái)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(guò)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(yǔ)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(wèn)題，系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)[5]。

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?chē)姷喂嗫刂芠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(lái)自上位機(jī)，Tt、Ht來(lái)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(lái)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(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(guò)語(yǔ)言歸納出來(lái)的條件語(yǔ)句，利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的概念，把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制策略上升為數(shù)值運(yùn)算，最后寫(xiě)成矩陣形式就構(gòu)成了基本模糊查詢(xún)表（決策庫(kù)），并由此實(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制。表1所示為U1的模糊查詢(xún)表，同理可得出U2、U3、U4的模糊查詢(xún)表。

表1 U1的模糊查詢(xún)表Tab.1 Fuzzy control search table of U1

3 電路設(shè)計(jì)

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(jī)MC68HC705C8，其主要特點(diǎn)是片內(nèi)EPROM/OTPROM最多可達(dá)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(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4×4鍵盤(pán)矩陣的4個(gè)行，作為輸入口，而低四位PB3－PB0依次接4×4鍵盤(pán)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MCl45041，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(kāi)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(guò)放大器后，再驅(qū)動(dòng)光電耦合器控制晶閘管從而操縱卷簾機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、供暖泵和微管?chē)姷喂啾?。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(mén)狗電路MAX813L。其它不用的端PD5、PD7應(yīng)通過(guò)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HS1101，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(méi)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(kāi)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(guò)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?！翱撮T(mén)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(mén)狗”輸出，“看門(mén)狗”最大定時(shí)時(shí)間為1.6 s；3）1.25 V門(mén)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(lái)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)

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(pán)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(guò)調(diào)用相關(guān)的子程序來(lái)實(shí)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(jī)軟件利用匯編語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)

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)模化溫室種植具有廣泛的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

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