基于PID的蔬菜大棚溫控系統

郭維樹，余世欣

（成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山　614007）

基于PID的蔬菜大棚溫控系統

郭維樹，余世欣

（成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山614007）

溫度變化的慣性比較大，傳統的非連續控制法的精度較低。設計了系統硬件，根據PID算法構建了蔬菜大棚溫控數學模型，采用Vb編寫了計算機用戶控制界面。結果表明：PID控制方式能使被控對象在長時間范圍內不出現太大的漂移變化，實現較為精確的控制。

系統硬件；PID算法；Vb；控制界面

現代工農業中對溫度控制的運用場合較多，鑒于溫度的變化相對其它物理量來說相對較慢，而且慣性比較大，傳統的非連續控制法采用儀表和開關進行，造成控制精度較低［1-2］。文獻［3］在 PID（Proportion？Integration？Differentiatio，比例-積分-微分）算法基礎上，只采用單片機控制溫度，沒有將數據存儲到計算機，也不能通過計算機實現人機對話；文獻［4］融合了模糊、神經網絡控制和PID控制，使得處理器的算法復雜度大大提高，性價比不高。文中根據PID算法構建了蔬菜大棚溫控數學模型，采用單片機與計算機相結合的方式對其管理與控制。結果表明：基于PID算法的溫控系統，溫度能在長時間范圍內不出現太大的漂移變化，實現較為精確的控制。

1　系統硬件設計

1.1總體設計方案

如圖1所示：在蔬菜大棚里各個位置放置n個傳感器節點，將溫度轉換為數字量，單片機采集到這些數字溫度值以后，經過處理再傳送給計算機，管理人員可以實時查看、存儲溫度數據，而且想改變大棚內溫度控制的閾值時，可以通過鼠標點擊相應按鈕進行調節，單片機收到新的控制閾值，就會根據PID控制法則自適應調節棚內相應加熱器的閉合度，使其維持在一個恒定的閾值溫度。

1.2溫度傳感器

溫度傳感器主要負責將大棚內的溫度物理量轉換為電學量，此處選用數字溫度計DS18B20［5］，它輸出的是單片機可以直接處理的數字量，避免模擬式溫度計還需A/D轉換器的麻煩。DS18B20屬于單總線結構，也就是指數據的輸入與輸出共享一個管腳來完成，這樣節省了單片機的I/O口開銷，其管腳電氣連接如圖2所示。

圖1　溫控系統結構

圖2　傳感器電氣連接

值得注意的是：為了數據傳輸的可靠性，DS18B20的數據口必須接一個4.7k的上拉電阻，使總線閑置時處于高電平狀態。其讀取數據的時序圖［6］如圖3所示。

1.3單片機采集器

單片機的任務是根據PID控制法則自適應調節棚內相應加熱器的閉合度，采用STC15系列單片機LQFP44［7］，如圖4所示，其引腳數共有44個，其中包含42個I/O口，可以看出STC15單片機不同于傳統的51單片機：它不需要太多的外部控制腳如RST、INTO、INT1和XTAL1等，這主要是將其直接集成在內部，要么就是使用引腳復用的方法來實現。因此STC15單片機除去電源和地兩個腳之后，其他引腳都可以用作I/O口供外部設備使用。

圖3　讀取數據時序

圖4　單片機引腳

2　PID控制溫度算法及驗證

2.1PID控制算法

如果是單回路控制結構，由于系統不可預知的擾動作用使被控溫度會偏離設定值，從而產生溫度偏差與飄移。鑒于此，溫度控制系統的單片機將來自傳感器的測量值與農戶設定值相比較，將其產生的偏差數值進行比例（P）、積分（I）、微分（D）處理，從而實時、預知性地調節輸出控制量，以實現對大棚內溫度的恒溫控制。其原理結構如圖5所示［1］。

圖5　PID控制體系結構

在圖5中：I（s）與F（s）分別是輸入的溫度設定量和采集的實際溫度值，E（s）則是它們的誤差量，KP（1+1/TIs+TDs）是系統傳遞函數，其中Kp是比例系數，TI是積分時間常數，TD是微分時間常數。

2.2PID算法驗證

由于PID控制算法包含3個步驟：比例（P）、積分（I）、微分（D）處理，而比例控制方式最簡單，其輸出與輸入差值成比例關系，而且此時系統的輸出存在的誤差是穩態的。比例積分控制方式能在比例的基礎上進一步除去余差，使溫控系統在達到恒溫后沒有穩態誤差。缺點就是積分器使輸出伴隨時間延長而不斷增大，故調節時間長，造成溫控調節不實時，降低系統穩定裕度。鑒于此，進一步引入微分結構，可以有效提高溫度的穩定度。假設系統傳遞函數為：G（s）=3/（25s+1）*e-7s，以階躍輸入信號為例，分析比例控制、比例積分控制、比例積分微分（PID）控制，其實驗結果如圖6所示，經過MATLAB計算，得到的PID控制器的參數為：Kp=1.429，Ti=14，Td=3.5，則PID控制器的表達式結果為：Gc（s）=1.429（1+1/14s+3.5s/（0.35s+1）。

圖6　PID算法驗證

3　計算機控制平臺實驗結果

采用Vb編寫了計算機用戶控制界面如圖7所示，將計

圖7　計算機控制臺

算機的USB接口作為一個虛擬串口，通過該虛擬串口與單片機的串口實現數據、命令雙向傳輸，可以實時查詢溫度數據，以十六進制方式顯示；并且根據需求設置溫度閾值，控制加熱器的閉合。

4　結束語

根據PID算法的自適應溫控特點，采用單片機與計算機相結合的方式對蔬菜大棚溫度進行管理與控制，試驗結果表明：PID控制方式能使被控對象在長時間范圍內不出現太大的漂移變化，實現較為精確的控制。

［1］呂占偉,戚曉晶.一種動態高精度溫度控制系統研究［J］.中國科技信息，2009（9）:144-145.

［2］向濤,魯五一,熊紅云.基于Labwindows/CVI的MODBUS通信在溫度控制系統的實現［J］.工業控制計算機，2005,18（10）: 41-42.

［3］于浩令.北方冬季室內溫度控制系統的設計［J］.黑龍江科技信息,2010（26）:272.

［4］付華,徐耀松.CAN技術在溫度控制系統中的應用［J］.工業控制計算機,2002,15（3）:25-27.

［5］黃智偉.全國大學生電子設計競賽制作實訓［M］.北京：北京航空航天大學出版社,2007.

［6］kexuenanhai,Ds18b20讀取時序［EB/OL］［2012-12-06］.http:// wenku.baidu.com/linkurl=6y4ZW_MWrG0imWx JjeQ3_BvbsZRb9rEtYaAjhkhkZXkwGNkNFgCNp_N3Dovc2TSARVHp4 rfOKca-VQsylssb2tCEnOk-D9qM-eP8dQzUgNq.

［7］禾邦電子有限公司,STC89C52RC-40I-LQFP44［EB/OL］［2015-01-06］.http://image.baidu.com/iword=LQ FP 44&ie= utf-8&tn=baiduimage.

The control system to temperature of vegetable greenhouse based on PID

GUO Wei-shu，YU Shi-xin
（College of Engineering and Technology，Chengdu University of Technology，Leshan 614007，China

The inertia of temperature change is larger,and the traditional non continuous control way's precision is low.The system hardware is designed,mathematical model for controlling temperature of vegetable greenhouse is constructed according to the PID algorithm.,and a control interface to computer user is writed by using Vb.The results show that:PID control method can make the object controlled is not too much of a drift in long range,and achieve more precise control.

system hardware；PID algorithm；Vb；control interface

TN02

A

1674－6236（2016）13-0016-02

2015-07-20稿件編號：201507140

郭維樹（1979—），男，四川內江人，碩士，講師。研究方向：算法分析與研究、網絡信息系統與安全技術的教學與科研。