基于PID的蔬菜大棚温控系统

郭维树，余世欣

（成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山　614007）

基于PID的蔬菜大棚温控系统

郭维树，余世欣

（成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山614007）

温度变化的惯性比较大，传统的非连续控制法的精度较低。设计了系统硬件，根据PID算法构建了蔬菜大棚温控数学模型，采用Vb编写了计算机用户控制界面。结果表明：PID控制方式能使被控对象在长时间范围内不出现太大的漂移变化，实现较为精确的控制。

系统硬件；PID算法；Vb；控制界面

现代工农业中对温度控制的运用场合较多，鉴于温度的变化相对其它物理量来说相对较慢，而且惯性比较大，传统的非连续控制法采用仪表和开关进行，造成控制精度较低［1-2］。文献［3］在 PID（Proportion？Integration？Differentiatio，比例-积分-微分）算法基础上，只采用单片机控制温度，没有将数据存储到计算机，也不能通过计算机实现人机对话；文献［4］融合了模糊、神经网络控制和PID控制，使得处理器的算法复杂度大大提高，性价比不高。文中根据PID算法构建了蔬菜大棚温控数学模型，采用单片机与计算机相结合的方式对其管理与控制。结果表明：基于PID算法的温控系统，温度能在长时间范围内不出现太大的漂移变化，实现较为精确的控制。

1　系统硬件设计

1.1总体设计方案

如图1所示：在蔬菜大棚里各个位置放置n个传感器节点，将温度转换为数字量，单片机采集到这些数字温度值以后，经过处理再传送给计算机，管理人员可以实时查看、存储温度数据，而且想改变大棚内温度控制的阈值时，可以通过鼠标点击相应按钮进行调节，单片机收到新的控制阈值，就会根据PID控制法则自适应调节棚内相应加热器的闭合度，使其维持在一个恒定的阈值温度。

1.2温度传感器

温度传感器主要负责将大棚内的温度物理量转换为电学量，此处选用数字温度计DS18B20［5］，它输出的是单片机可以直接处理的数字量，避免模拟式温度计还需A/D转换器的麻烦。DS18B20属于单总线结构，也就是指数据的输入与输出共享一个管脚来完成，这样节省了单片机的I/O口开销，其管脚电气连接如图2所示。

图1　温控系统结构

图2　传感器电气连接

值得注意的是：为了数据传输的可靠性，DS18B20的数据口必须接一个4.7k的上拉电阻，使总线闲置时处于高电平状态。其读取数据的时序图［6］如图3所示。

1.3单片机采集器

单片机的任务是根据PID控制法则自适应调节棚内相应加热器的闭合度，采用STC15系列单片机LQFP44［7］，如图4所示，其引脚数共有44个，其中包含42个I/O口，可以看出STC15单片机不同于传统的51单片机：它不需要太多的外部控制脚如RST、INTO、INT1和XTAL1等，这主要是将其直接集成在内部，要么就是使用引脚复用的方法来实现。因此STC15单片机除去电源和地两个脚之后，其他引脚都可以用作I/O口供外部设备使用。

图3　读取数据时序

图4　单片机引脚

2　PID控制温度算法及验证

2.1PID控制算法

如果是单回路控制结构，由于系统不可预知的扰动作用使被控温度会偏离设定值，从而产生温度偏差与飘移。鉴于此，温度控制系统的单片机将来自传感器的测量值与农户设定值相比较，将其产生的偏差数值进行比例（P）、积分（I）、微分（D）处理，从而实时、预知性地调节输出控制量，以实现对大棚内温度的恒温控制。其原理结构如图5所示［1］。

图5　PID控制体系结构

在图5中：I（s）与F（s）分别是输入的温度设定量和采集的实际温度值，E（s）则是它们的误差量，KP（1+1/TIs+TDs）是系统传递函数，其中Kp是比例系数，TI是积分时间常数，TD是微分时间常数。

2.2PID算法验证

由于PID控制算法包含3个步骤：比例（P）、积分（I）、微分（D）处理，而比例控制方式最简单，其输出与输入差值成比例关系，而且此时系统的输出存在的误差是稳态的。比例积分控制方式能在比例的基础上进一步除去余差，使温控系统在达到恒温后没有稳态误差。缺点就是积分器使输出伴随时间延长而不断增大，故调节时间长，造成温控调节不实时，降低系统稳定裕度。鉴于此，进一步引入微分结构，可以有效提高温度的稳定度。假设系统传递函数为：G（s）=3/（25s+1）*e-7s，以阶跃输入信号为例，分析比例控制、比例积分控制、比例积分微分（PID）控制，其实验结果如图6所示，经过MATLAB计算，得到的PID控制器的参数为：Kp=1.429，Ti=14，Td=3.5，则PID控制器的表达式结果为：Gc（s）=1.429（1+1/14s+3.5s/（0.35s+1）。

图6　PID算法验证

3　计算机控制平台实验结果

采用Vb编写了计算机用户控制界面如图7所示，将计

图7　计算机控制台

算机的USB接口作为一个虚拟串口，通过该虚拟串口与单片机的串口实现数据、命令双向传输，可以实时查询温度数据，以十六进制方式显示；并且根据需求设置温度阈值，控制加热器的闭合。

4　结束语

根据PID算法的自适应温控特点，采用单片机与计算机相结合的方式对蔬菜大棚温度进行管理与控制，试验结果表明：PID控制方式能使被控对象在长时间范围内不出现太大的漂移变化，实现较为精确的控制。

［1］吕占伟,戚晓晶.一种动态高精度温度控制系统研究［J］.中国科技信息，2009（9）:144-145.

［2］向涛,鲁五一,熊红云.基于Labwindows/CVI的MODBUS通信在温度控制系统的实现［J］.工业控制计算机，2005,18（10）: 41-42.

［3］于浩令.北方冬季室内温度控制系统的设计［J］.黑龙江科技信息,2010（26）:272.

［4］付华,徐耀松.CAN技术在温度控制系统中的应用［J］.工业控制计算机,2002,15（3）:25-27.

［5］黄智伟.全国大学生电子设计竞赛制作实训［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2007.

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

［7］禾邦电子有限公司,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稿件编号：201507140

郭维树（1979—），男，四川内江人，硕士，讲师。研究方向：算法分析与研究、网络信息系统与安全技术的教学与科研。