一種基于BP算法的智能溫控水杯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王健 唐玲

摘 ?要：文章把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和以往的PID控制技術(shù)相結(jié)合，開展了智能溫控水杯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)并輔以外圍電路作為系統(tǒng)控制核心，同時(shí)選用NTC熱敏電阻器作為溫度傳感原件。為了方便用戶看清杯中液體的當(dāng)前溫度，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中外裝了OLED顯示屏。據(jù)此，用戶可以根據(jù)自身的需求來(lái)選擇設(shè)定不同的溫度，以滿足自身的需求。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法;智能溫控;MSP430系列單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP277 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0036-02

Abstract： This paper combines the neural network algorithm with the traditional PID control technology to design an intelligent temperature control water cup system. MSP430 series MCU system and peripheral circuit are used as the core of the system control. NTC thermistor is used as the temperature sensor to change the working state of refrigeration or heating by switching the direction of current. In order to make it easy for users to see the current temperature of the liquid in the cup， the OLED display screen is installed in the designed system. Accordingly， users can choose to set different temperatures according to their own needs.

Keywords： Neural Network Algorithms; intelligent temperature control; MSP430 series single chip microcomputer

引言

在常規(guī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們常用PID控制器調(diào)節(jié)溫度。但是現(xiàn)實(shí)生活中人們對(duì)于飲用水溫總是有著不同需要，比如天冷想喝熱水，天熱更想喝冰水等等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)人腦神經(jīng)系統(tǒng)的模擬而建立的一種運(yùn)算模型，它由簡(jiǎn)單的信息處理單元互相連接組成，能夠接收或者處理信息[1-3]。本文以便攜式設(shè)備水杯作為載體，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與PID控制相結(jié)合[4-5]，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以自身學(xué)習(xí)和加權(quán)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，與PID互補(bǔ)提高控制器的控制精確度。推而廣之，我們的新型智能溫控系統(tǒng)不僅可以嵌入到水杯中[6-7]，還可以適當(dāng)調(diào)整后加載到諸如飲水機(jī)、空調(diào)等等溫控相關(guān)領(lǐng)域之中。

1 智能溫控設(shè)計(jì)的基本原理

智能溫控水杯設(shè)計(jì)的基本原理就是誤差反向傳播算法。它的基本原理就是根據(jù)反向傳播的誤差會(huì)更新權(quán)值，進(jìn)一步的縮小著誤差，圖1可知從輸入層到隱含層再到輸出層，層層反饋，權(quán)重更新。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的MCU采用MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)輔以外圍電路為控制核心，水杯內(nèi)部的溫度感應(yīng)裝置使用NTC（Negative Temperature Coefficient，NTC.負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料）熱敏電阻傳感器;以半導(dǎo)體制冷器構(gòu)成了溫度調(diào)控裝置，電源提供電能，OLED顯示屏提供顯示功能?？傇O(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2.1 單片機(jī)MCU的選擇

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇了MSP430系列單片機(jī)，它是一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式用具中。該MCU結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 電源部分

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和產(chǎn)品特點(diǎn)，選擇可充電式的小型鋰電池作為MCU和制冷片等元件的供電來(lái)源?？紤]到本系統(tǒng)需要充電以及給不同部分供給不同電壓，選擇電池充電器IC系列的ADP5090充電管理芯片，該芯片可以方便嵌入水杯這類小型設(shè)備之中。支持鋰電池，并且該產(chǎn)品具有恒流/恒壓線性充電特性，其靈活性可讓這些應(yīng)用在多個(gè)系統(tǒng)中正常工作。芯片內(nèi)部模塊如下圖4所示。

2.3 水杯內(nèi)外溫度的監(jiān)測(cè)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)溫度控制不僅要能夠設(shè)定調(diào)節(jié)，還要根據(jù)外部環(huán)境溫度對(duì)水溫進(jìn)行閉環(huán)控制，這就決定了傳感器將分為以下兩個(gè)部分。

第一部分是測(cè)量杯內(nèi)水溫的內(nèi)溫傳感器，采用NTC熱敏電阻傳感器。NTC熱敏電阻器的電阻值在不同的溫度下有不同的阻值，一般是負(fù)相關(guān)關(guān)系。并且小巧輕便價(jià)格不高而且能夠保持干凈衛(wèi)生，是非常理想的選擇。

第二部分是用于測(cè)量杯外氣溫，使用普通的片式熱敏電阻傳感器，這樣貼于產(chǎn)品表面不會(huì)占空間，具有很好隱蔽性，不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)。

2.4 加熱制冷系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的智能溫控水杯的加熱以及制冷系統(tǒng)是采用了具有帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷的裝置。該裝置最大的優(yōu)點(diǎn)就是它既能加熱也能制冷。當(dāng)溫度低于系統(tǒng)的設(shè)定值，它的電荷載體就會(huì)往低能級(jí)的方向運(yùn)動(dòng)從而放熱來(lái)給水杯里的液體升溫。同理，當(dāng)溫度過(guò)高的時(shí)候就會(huì)改變電流方向來(lái)吸熱制冷。

2.5 顯示模塊

在杯身外嵌入小型OLED顯示屏為用戶顯示時(shí)間、溫度、飲水量等信息以及文字提示。采用IIC接口，3.3V供電，小巧輕便易安裝。

3 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目的新型智能溫控系統(tǒng)不僅能夠以MCU為核心進(jìn)行更為精細(xì)的智能控制，并且創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)加熱制冷雙重功能。解決了傳統(tǒng)熱系統(tǒng)粗糙簡(jiǎn)單等弊端和不足，為用戶提供了方便。而且可以據(jù)此原理開發(fā)出更多的系列產(chǎn)品，有著實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]舒懷林.基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性時(shí)變系統(tǒng)辨識(shí)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，28（3）：474-476.

[2]涂川川，朱鳳武，李鐵.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器在溫室溫度控制中的研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012，240（2）：151-155.

[3]張學(xué)燕，高培金，劉勇.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器在工業(yè)控制系統(tǒng)中的研究與仿真[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（5）：9-12.

[4]屈毅，寧鐸，賴展翅.溫室溫度控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（2）：307-311.

[5]李翔宇，楊亞男，任珍珍.基于Arduino的便攜式智能溫控沖奶器創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018，21：40-41.

[6]朱可欣.基于智能家居的智能溫控器的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2018，1：104-107.

[7]侯衛(wèi)周，顧玉宗.一款單片機(jī)系統(tǒng)控制的溫控智能水杯設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（3）：70-74.