基于51單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊青青

摘 要：針對現(xiàn)有溫濕度控制系統(tǒng)難以滿足高精度控制要求這一問題，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)設(shè)計(jì)出一套基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)前饋解耦控制算法的溫濕度控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：溫濕度解耦 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 自適應(yīng)控制

Design of the Temperature and Humidity Control System based on 51 Microcomputer

Yang qingqing

Abstract：To solve the problem of temperature and humidity control systems low precision control， this paper introduces a kind of temperature and humidity control system based on 51 microcomputer and micro-electricity technology combining neural network with decoupling control.

Key words：decoupling，? neural network，? adaptive control

1 引言

溫濕度控制在農(nóng)林、生物、醫(yī)藥、化工、材料等領(lǐng)域都有著至關(guān)重要的作用，

現(xiàn)階段，對溫、濕度的控制普遍采用兩路PID算法分別控制溫度和濕度。PID控制具有穩(wěn)定性強(qiáng)、魯棒性好、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但對于溫濕度這種時變非線性系統(tǒng)和強(qiáng)耦合場合，如簡單地將它考慮成多個單輸入單輸出的系統(tǒng)，人為地不考慮相互耦合，很難滿足溫濕度的高精度控制要求。如將溫濕度進(jìn)行有效解耦，減小甚至消除二者相互耦合影響，將大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。針對這一情況，本文結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)設(shè)計(jì)出一套基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)前饋解耦控制算法的溫濕度控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的總體功能介紹

系統(tǒng)主要由帶Wince 5.0系統(tǒng)的上位機(jī)和負(fù)責(zé)溫濕度控制的下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面顯示，下位機(jī)完成溫濕度數(shù)據(jù)采集和控制功能。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過RS-485完成通信。

其中：上位機(jī)部分注重于Windows CE上操作界面的設(shè)計(jì)，窗口和窗口控件之間的消息響應(yīng)以及和下位機(jī)的串口通訊，采用電容觸摸屏顯示，操作方便簡單，可同時控制1-32臺下位機(jī)。

下位機(jī)部分主要完成溫度和濕度的采集、溫度和濕度的控制，時鐘、照明等功能。系統(tǒng)主要功能模塊分布如圖1示：

RS-485通訊完成溫度和濕度信息實(shí)時發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)和下位機(jī)控制參數(shù)及時同步。

2.1 上位機(jī)功能及軟硬件實(shí)現(xiàn)方案概述

上位機(jī)CPU采用Samsung公司的S3C2440芯片，主頻為400MHz。上位機(jī)裝有嵌入式操作系統(tǒng)Wince5.0。S3C2440采用先進(jìn)的ARM920T內(nèi)核，擁有64M SDRAM和64M FLASH，支持8/16/32位數(shù)據(jù)格式。

Wince5.0系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)模式，為精簡上位機(jī)系統(tǒng)和減小系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，需用Platform Builder工具先對Wince5.0系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行裁剪，去除不用的功能和驅(qū)動，生成SDK導(dǎo)出。在PC機(jī)上利用EVC開發(fā)Wince應(yīng)用程序，可利用導(dǎo)出的SDK在EVC自帶的模擬器上完成對特定系統(tǒng)的功能模擬。

EVC上開發(fā)的應(yīng)用程序經(jīng)模擬器仿真無誤后，經(jīng)串口或USB下載到上位機(jī)上運(yùn)行。應(yīng)用程序有實(shí)時顯示溫濕度測量數(shù)據(jù)、修改和顯示控制參數(shù)、打印等功能。人機(jī)界面部分通過5.6寸電容觸摸屏顯示和操作。

2.2 下位機(jī)功能及軟硬件實(shí)現(xiàn)方案概述

本系統(tǒng)下位機(jī)主芯片選用增強(qiáng)型51單片機(jī)STC12LE5A32AD，晶振頻率11.0592MHz。STC12LE5A32AD工作電壓為2.2-3.6V（本系統(tǒng)使用3.3V），有40個通用I/O口和4個16位定時器，片上集成1280字節(jié)RAM和28K EEPROM，程序空間達(dá)到32K，完全能滿足系統(tǒng)需求。另外，它內(nèi)部集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（最高可達(dá)25萬次/秒），支持ISP/IAP，為系統(tǒng)的開發(fā)提供極大便利。

溫、濕度的采集和控制工作主要由下位機(jī)完成，它擁有按鍵、顯示、時鐘和485通信等功能，能脫離上位機(jī)作為傳統(tǒng)的溫濕度控制器。

溫度采集分箱體溫度采集和環(huán)境溫度采集兩部分。箱體溫度采集使用PT100，PT100的電阻值隨溫度值變化。PT100上的電壓值經(jīng)適當(dāng)放大后接到STC芯片的AD功能腳。10位采集值經(jīng)濾波、標(biāo)度換算以后得到箱體溫度值，精度為0.1℃，誤差為±1℃。環(huán)境溫度采集使用AD7416芯片，AD7416自帶10位AD轉(zhuǎn)換，測量范圍-55-125℃，測量精度達(dá)0.25℃。AD7416的更新速率達(dá)400us，通過I2C將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給STC主芯片。

濕度采集采用電壓輸出式濕度傳感器HM1500。HM1500的供電電壓為5V，輸出電壓范圍為1-4V，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換成低于3.3V的范圍傳送給STC的AD功能腳。同樣AD轉(zhuǎn)換成的10位采集值，經(jīng)濾波、標(biāo)度換算以后得到濕度測量值，精度為1%RH。

下位機(jī)除了完成溫濕度采集和控制功能，還設(shè)計(jì)了LCD顯示、按鍵、時鐘、照明等功能。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫濕度控制器有定時預(yù)約和定時運(yùn)行等功能，可定時1-10個時間段，每段的溫濕度可以單獨(dú)設(shè)定，同時可以多段數(shù)依次循環(huán)運(yùn)行1-30次。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)解耦控制算法

本系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法，結(jié)合解耦設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出溫度和濕度雙變量非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)解耦控制器。

系統(tǒng)采用單隱層線性輸出的靜態(tài)BP網(wǎng)絡(luò)，多輸入多輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以表示為：yo=NN[W，z]，式中yo表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出;z為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量;W為網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量z是（2-5）式中的x（t）的所有元素按照順序排列成（n+m）×k維的列向量，而x（t）是非線性系統(tǒng)的n個輸出向量和m個輸入向量排列而成。

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自我學(xué)習(xí)功能，可以用小幅值的噪聲（非線性干擾項(xiàng)）在平衡點(diǎn)附近加入到系統(tǒng)輸入中，由此得到輸入輸出數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)集，以供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我訓(xùn)練作為理想模型用來比較。經(jīng)過足夠多的離線訓(xùn)練，可以得到一組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)點(diǎn)的某一領(lǐng)域內(nèi)充分逼近確定性非線性系統(tǒng)。靜態(tài)BP網(wǎng)絡(luò)不僅可以逼近任意非線性函數(shù)，同時還逼近該函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，即可以逼近系統(tǒng)的變化率。這樣就可得到A（z-1）和B（z-1）的估計(jì)值（z-1）和（z-1）。然后用另外一組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線逼近v[x（t）]項(xiàng)k1（t），實(shí)現(xiàn)自校正解耦。由于（z-1） y（t+1）-（z-1）u（t）為期望值，所以實(shí)際上該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近的是非線性項(xiàng)和線性未建模動態(tài)之和。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋?zhàn)赃m應(yīng)解耦控制算法的實(shí)施步驟如下：

（1）用（z-1）和（z-1）代替A（z-1）和B（z-1），通過多次試驗(yàn)“湊”P（z-1），Q（z-1），S滿足（2-28）式和（2-31）式，然后通過（2-27）式和（2-29）式計(jì)算R，K;

（2）得到輸入輸出數(shù)據(jù)y（t），y（t-1），…，u（t-1），u（t-2），…;

（3）將x（t）=[ y（t-n+1），…，y（t）;u（t-m），…，u（t-1），u（t-1）]輸入網(wǎng)絡(luò)NNk1[·]，k1=1，…，k，得到估計(jì)值（t）;

（4）用（2-24）式計(jì)算控制量u（t）;

（5）將u（t）加到系統(tǒng)（2-4）式得到y(tǒng)（t +1）;

（6）x（t）=[y（t-n+1），…，y（t）;u（t-m），…，

u（t-1），u（t）]作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNk1[·]的輸入，以（z-1） y（t+1）-（z-1）u（t）為期望值將NNk1[·]依次訓(xùn)練一遍;

（7）回到第二步，不斷循環(huán)。

將上節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)解耦的控制算法過程在下位機(jī)控制程序中實(shí)現(xiàn)，即把數(shù)學(xué)公式編程用C語言表達(dá)。通過專門的溫濕度監(jiān)控應(yīng)用軟件把記錄制過程，發(fā)現(xiàn)整個控制過程升溫和降溫都十分平穩(wěn)，濕度控制也是如此，幾乎沒有明顯的超調(diào)現(xiàn)象。即使是恒溫狀態(tài)時，濕度每分鐘變化5%，溫度的波動也十分?。ā?.5℃的范圍波動）。

圖2為環(huán)境溫度在15.5℃，環(huán)境濕度在23%RH的一個溫濕度控制實(shí)時記錄曲線圖。目標(biāo)溫度為50℃，目標(biāo)濕度為60%RH。從圖中可知整個溫度和濕度的上升過程都比較平穩(wěn)，濕度變化稍微緩慢點(diǎn)，這與加濕器功率大小有一定關(guān)系。整個控制過程沒有明顯的超調(diào)現(xiàn)象，達(dá)到目標(biāo)溫度以后，濕度上升的時會對溫度造成一定的波動，但波動較小，并很快平穩(wěn)。當(dāng)濕度和溫度都達(dá)到設(shè)定值后，整個控制曲線就變得十分平穩(wěn)。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)依據(jù)溫濕度控制的相關(guān)指標(biāo)設(shè)計(jì)出由硬件和軟件組成的系統(tǒng)方案，再結(jié)合基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器控制算法，通過仿真，可以看到該控制結(jié)果精確度穩(wěn)定性顯著提高。

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