AT89C51单片机大棚温湿度控制系统设计+电路图+流程图(5)
1.6 单元模块电路设计
1.6.1 温度、湿度采集模块设计
(1)湿度采集模块
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。由于PROTEUS数据库中不存在HS1100/HS1101湿度传感器，根据其工作原理可以用滑动变阻器或可变电容代替进行仿真，本为采用滑动变阻器。
如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号。
(2)A/D转换模块
由与HS1100/HS1101湿度传感器采集的模拟信号，必须经过模数转换才能被单片机进行处理。
(3)温度采集模块见附录
1.6.2 外部中断模块设计
采用中断方式查询温湿度预设值，方便快捷如图7所示：
图7 外部中断按键电路
1.6.3 报警模块设计
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波和标度变换，这些已经在软件程序里边处理过，所以显示温湿度即为外界采集的温湿度，和设定的值比较，如果高于上限值或低于下限值并在一定的时间内没有回归预设值则报警电路会报警，否则就作为采样的正常值进行显示和控制，其电路设计如图8所示：
图8 报警电路
2. 解耦控制系统设计
大棚系统是一个非线性、多变量、大延迟、大惯性、参数强耦合、时变的复杂对象且温度与湿度之间存在交叉耦合，采用常规控制方法处理大棚系统多输出、多输入、参数强耦合、非线性的、滞后的、时变的复杂控制过程，通常难以获得理想的效果，本文采用解耦控制技术。解耦控制又称为一对一控制，对于一般的多输入多输出的受控系统来说，系统的每个输入分量通常与各个输出分量都互相耦合，即一个输出分量受多个输入分量的控制。这就给系统的分析和设计带来很大的麻烦，所谓解耦控制就是寻求合适的控制规律，使闭环系统实现一个输出分量仅仅受一个输入分量的控制，从而解除输入与输出间的耦合[7]。
大棚温湿度控制存在着交叉耦合关系，本文以温室中的加热机构、喷雾机构以及天窗机构为研究对象，建立了2输入3输出控制器，列出8种调控组合对温度湿度的影响如表2所示：
表2 调控组对温度湿度影响表
加热机构 喷雾机构 天窗机构 温度 湿度
注：“1”表示调控机构打开，“0”表示调控机构关闭，“↑”表示增加，“↓”表示减少。
2.1 温湿度对角解耦控制
温湿度控制存在着强耦合关系，但温度对湿度的影响要大于湿度对温度的影响，且湿度变化比温度变化慢得多，所以本文提出以温度控制为主[8]，湿度控制为辅的温湿度解耦原则。耦合关系可通过补偿进行解耦，所以提出主控制器和补偿控制器的思路，通过温度对湿度的补偿，温湿度可作为单变量进行控制[9]，解耦控制示意图如图9所示：
图9 解耦控制示意图
大棚温湿度解耦控制原理图如10所示：
图10 解耦控制原理图
图10中Gp11(s)、Gp12(s)、Gp21(s)、Gp22(s)为大棚系统温控对象、温度与湿度、湿度与温度及湿控对象的传递函数，D1l(s)、D12(s)、D21(s)、D22(s)为设计的解耦器，Gc1(s)、Gc2(s)为设计的温度调节器和湿度调节器。为了计算出解耦器的数学模型，需求出被控温度调节量 和被控湿度调节量 与温度调节量 和湿度调节量 的关系，由图10可得公式：