[DS18B20在水产养殖温控系统中的应用] 水产养殖温控设备

　　【摘要】文中介绍了DS18B20在水产养殖温控系统中的应用,讨论了DS18B20的特点及系统的硬件、软件设计。系统具有设计简单、使用方便、可靠性高的特点。 　　【关键词】DS18B20；1-wire总线；水产养殖温控系统；STM32F103CB
　　The Application of DS18B20 in The Aquaculture Temperature Control System
　　HＶ Hong-haoWANG Yun-xing
　　(Jingdezhen Ceramic InstituteＪｉａｎｇｘｉJingdezhen333403)
　　【Abstract】The paper introduces the application of DS18B20 in the aquaculture temperature control system and discusses specialty of DS18B20 and system hardware and software design. The specialties are simple desigh, easy to use and high reliability.
　　【Key words】DS18B20;1-wire BUS; Aquaculture Temperature Control System; STM32F103CB
　　
　　0.引言
　　我国渔业生产正处在从粗放型、分散化向精准型、集约化方向发展，从资源消耗型、数量型向资源节约型、质量型现代化渔业跨越的重要时期。水产养殖监控系统可以发挥其重要作用：实时监测各个养殖池生产情况，促使养殖温室严格按照规范进行生产，从而保证产品质量；及时发现养殖过程中的环境和疫病等隐患，提高养殖存活率。其中温度的监测是很重要的一个指标。故此，我们设计了这套性价比高、使用方便、易于安装和维护的水产养殖温控系统。
　　1.系统概述
　　本系统是针对鳝鱼幼苗培育而研发的一套以温度控制为主兼顾其他指标的监控系统。其系统构成如图1所示。本系统由32位微控制器模块、温度采集模块、光照采集模块、控制执行模块、加热模块等组成。其工作过程为:多个数字温度传感器DS18B20将感应到的温度模拟信号转换为数字电信号后，输入到温度检测模块，由温度检测模块传给微控制器模块，进行数据的处理，处理好的数据一方面通过RS232通讯传输给上位机实时监控显示；另一方面在进行模糊PID参数的自调整，调整好的参数输出到控制执行模块和加热模块，控制执行模块接受到命令以后执行卷帘伺服电机的开度、冷气机的开关、热水炉的开关及变频器的调节等。
　　图1系统框图
　　2.硬件部分
　　2.1DS18B20简介
　　DS18B20是最新型的数字化温度传感器，是单总线器件家族中的一员。它使用一种片内专有的温度测量技术测温。利用高低温度系数振荡器记录由当时环境温度所确定的计数值,以此确定当时当地的温度。内部主要有测温电路，1-Wire接口电路，存储电路及CRC校验电路[1]。其特点如下。
　　2.1.1 1-wire数字接口。
　　2.1.2专有的64位ROM序列号。含有8位家族号(28H),48位独立序列号，8位CRC校验码，保证串行数据传输的可靠，出错可检验。
　　2.1.3 -10℃至+85℃范围内保证测温精度：±0.5℃。
　　2.1.4 -55℃至+125℃的宽工作范围。
　　2.1.5 +3.0V至+5.5V的宽电源范围。
　　2.1.6可根据实际情况采用本地供电或通过I/O线供电。
　　2.1.7用户可选的9至12位分辨率,可编程选择。
　　2.1.8 2字节EERROM,存储上下限报警温度设定值。
　　2.1.9封装形式有TO-92，150milSO和倒装芯片(±2.0℃精度)。
　　2.1.10体积小，价格低，使用灵活。
　　2.1.11无需任何外围硬件。
　　2.1.1216位二进制温度数据格式(两个字节)，负温度采用补码表示。这些特点使系统设计更灵活、方便，适合构建大型的温度测量系统。单总线的数字方式传输也大大提高了系统的抗干扰能力。主机与DS18B20交换数据主要靠CPU按照1-wire单总线协议在单总线上产生复位时序和读写时序来实现。其中包含复位脉冲、响应脉冲，写1写0读1、读0时序。只有响应脉冲由DS18B20发出，其余都由主机(程序)发出。
　　2.2STM32F103CB简介
　　该系统芯片采用ST公司32位微处理芯片STM32F103CB，该芯片采用Cortex-M3内核的作为中心控制单元，具有32位硬件除法和单周期乘法器等一系列先进的体系结构；可以有效地实现一些数字信号处理的算法(如FFT、DTMF等)，有多达128KB的闪存，4个通用定时器模块，32位定时器模式，34个中断，具有8个优先级，2个SSI同步串行接口模块等丰富的资源[2] 。
　　STM32F103CB微处理器模块是整个温控系统的核心模块，主要功能是实时处理数字温度传感器DS18B20采集到的温度信息，并将得到的温度信息值与模糊PID控制器设定控制输出曲线进行实时对比得出需要输出的控制信号量；产生输出控制PWM波信号和通过RS232通讯传输给上位机实时监控显示。
　　2.3硬件电路图
　　图2DS18B20温度采集电路图
　　图3RS232通讯电路图
　　3.软件部分
　　3.1温度采集子
　　图4DS18B20数据采集流程图
　　3.2模糊PID控制子任务
　　图5模糊PID算法流程图
　　由于水温控制系统本身具有非线性、大惯性、时滞性等特点，且难以用精确的数学模型描述，结合本系统的实际，采用模糊PID控制算法。本文针对这一类控制系统的特点，采用模糊PID控制，模糊控制提供良好的动态响应，PID控制输出参数自整定，综合性地解决传统单一模糊控制和PID控制的动、静态特性不太理想的难题。使非线性迟滞的控制系统既有很强的鲁棒性，又有很高的控制精度，从而使系统达到最佳控制状态[3] [4]。
　　3.3上位机界面
　　图6上位机控制界面
　　本上位机界面采用VB编写，方便实用，操作简单。下位机与上位机应用ModBus通讯协议经RS232进行数据传输。ModBus控制器的数据通信采用Master/Slave方式（主/从），即Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求;Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。
　　4.结束语
　　本系统将模糊PID温度自动控制技术应用于水产养殖中，以养殖场内各种水温为主要被控对象，建立了以模糊PID控制理论为基础的温度自动控制系统，整个系统可以有效地降低消耗，提高生产效率，符合国家提出的"节能减排"要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场应用前景。
　　图7调试现场
　　通过现场3个月的实际应用测试，目前运行良好，达到了当初的设计目的。■
　　
　　【参考文献】
　　［１］赵海兰,赵祥伟.智能温度传感器DS18B20的原理及应用[J].现代电子技术, 2003(14): 32-34.
　　［２］周立功等编著.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航天航空大学出版.2005，01.
　　［３］增光奇，胡均安，王东等.模糊控制理论与工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社.2006，8.
　　［４］马占有.模糊PID控制技术在烘干炉单片机温度控制系统中的应用研究[D].西北第二民族学院.2008.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文