摘要:基于LPC2294微處理器的嵌入式倉庫控制系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)。從機(jī)主要由AT89C2051單片機(jī)構(gòu)成,通過單片機(jī)控制各個測溫點(diǎn),并與主機(jī)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。文章對數(shù)字式溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HSllOI的檢測裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了水分值的非線性校正,采用PID智能溫度控制。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);LPC2294;監(jiān)控系統(tǒng)水分檢測;PID智能溫度控制

中圖分類號:TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)20-0031-02

一、倉庫溫度濕度控制系統(tǒng)

(一)倉庫溫度濕度控制系統(tǒng)總體方案

本文提出了基于LPC2294微處理器的嵌入式系統(tǒng)的糧庫控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。從機(jī)主要由AT89C2051單片機(jī)構(gòu)成,通過單片機(jī)控制各個測溫點(diǎn)完成溫度轉(zhuǎn)換和相應(yīng)測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的查詢,并與主機(jī)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。糧倉內(nèi)外的溫濕度采集由基于AT89C2051微控制器的從機(jī)完成,從機(jī)具有現(xiàn)場總線接口,使用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度,使用濕度傳感器HSllOI采集濕度。倉庫內(nèi)外的設(shè)備由現(xiàn)場總線上的測控儀器來控制,倉庫的現(xiàn)場工作站可以通過現(xiàn)場總線發(fā)送控制命令給測控儀器,它根據(jù)接受的命令執(zhí)行通風(fēng)和冷卻。

(二)硬件介紹

LPC2294是PHILIPS公司推出的一款功能強(qiáng)大、超低功耗且具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器。它具有豐富的片上資源,完全可以滿足一般的工業(yè)控制需要,同時還可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計的復(fù)雜度,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它的工作原理主要是用ARM7芯片LPC2294為內(nèi)核,與一系列外圍器件連接起來。AT89C2051是20腳8位的單片機(jī),它提供了以下標(biāo)準(zhǔn)功能:2K字節(jié)閃速存儲器,128字節(jié)RAM,15根I/O引線,一個全雙工串行口。此外,AT89C2051軟件節(jié)電方式,一方式停止CPU工作但允許RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。二方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止所有其它部件的工作直到水分檢測系統(tǒng)下一個硬件復(fù)位。硬件設(shè)計框圖如圖1所示:

(三)溫濕度測量原理與器件選擇

1.測溫原理與相應(yīng)的溫度傳感器。溫度是數(shù)據(jù)采集中因?yàn)橐杉帱c(diǎn)溫度,所以傳感器的選型非常重要,它將直接影響到測溫系統(tǒng)的復(fù)雜度和精確度。DS18B20低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小,用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變,所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性,其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。單片機(jī)在控制DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換之前,需要總線上所有DS18B20的64位序列號,這樣才可以對總線上的某個DS18B20進(jìn)行ROM匹配,將其選中。

2.溫度數(shù)據(jù)采集及發(fā)送。由于所要監(jiān)測的糧庫儲量大,要監(jiān)測的溫度點(diǎn)比較多,采用外部供電方式。由于采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均是由同一條線來完成的,因此,對讀寫的操作時序要求嚴(yán)格。協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸為主/從式,形式為請求/響應(yīng)幀方式。每次通信均由主機(jī)發(fā)起,不需握手。主機(jī)發(fā)出請求幀后,等待從機(jī)返回響應(yīng)幀直至響應(yīng)時間到來,對于從機(jī)不返回響應(yīng)幀。基于單總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的,初始化過程有主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機(jī)響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道,總線上有從機(jī)設(shè)備,且準(zhǔn)備就緒。初始化子程序如下:

DELAY:MOV R4,#8

DJNZ R6,DELAY

RET

RESET:CLR P1.0

MOV R6,#35

CALL DELAY

SETB P1.0

MOV R6,#4

CALL DELAY

CLR PSW.0

JB P1.0,RET1

SETB PSW.0

MOV R6,#30

CALL DELAY

RET

(四)測濕度原理與相應(yīng)的濕度傳感器

濕度傳感器采用高分子電容式傳感器181191-Hsloll,溫濕度傳感器輸出的信號都沒有經(jīng)過放大、AD/轉(zhuǎn)換而直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。將它接入555定時器或施密特觸發(fā)器組成的振蕩電路中,則傳感器所測的濕度信號與振蕩電路輸出的電壓信號的頻率成線性關(guān)系,該頻率信號也可直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

將HSllol與555定時器組成振蕩電路,則傳感器所測的濕度信號與振蕩電路輸出的電壓信號的頻率成線性關(guān)系,該頻率信號也可直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。這樣,溫濕度傳感器輸出的信號都沒有經(jīng)過放大、AD/轉(zhuǎn)換而直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理,從而省去了信號放大和A/D轉(zhuǎn)換這兩個環(huán)節(jié),進(jìn)一步減小了測量誤差。

二、算法實(shí)現(xiàn)

(一)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水分值校正

將溫度和頻率值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,水分值作為網(wǎng)絡(luò)的輸出。所以輸入層設(shè)計為2個神經(jīng)元,輸出層為1個神經(jīng)元。對于隱含層的結(jié)構(gòu),經(jīng)過反復(fù)試用,隱含層的神經(jīng)元數(shù)取為5個的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目標(biāo)水分值與經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的預(yù)測值的對比,溫度變化范圍是-15℃～22℃。在大部分區(qū)域內(nèi)預(yù)測值圍繞目標(biāo)值上下浮動,跳動范圍在±5%之內(nèi)。

(二)PID線性控溫法

PID控溫方法是基于古典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理,PID控制是早期發(fā)展起來的控制策略之一,由于其魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中,尤其適用于可建立確定性控制系統(tǒng)。具體電路可以采用模擬電路或計算機(jī)軟件方法來實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。

PID智能溫度控制法這種溫控方法采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),并實(shí)現(xiàn)智能化。針對控制過程易于振蕩、自適應(yīng)能力有限的缺點(diǎn),引入了基于模糊邏輯的自調(diào)整過程,把對控制規(guī)則的調(diào)整轉(zhuǎn)化為對參數(shù)的調(diào)整。

三、糧情監(jiān)控系統(tǒng)性能分析及展望

(一)系統(tǒng)性能分析

倉庫監(jiān)控系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)體系,各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期的效果,尤其是數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20的應(yīng)用,使得溫度采集的精度和靈敏度大大提高了。由于現(xiàn)場總線上掛接的底層智能測控板比較多,向上發(fā)出的溫度數(shù)據(jù)也比較多,通過嵌入式現(xiàn)地工作站現(xiàn)場手動操作鍵盤,數(shù)據(jù)查詢也十分方便,通過以太網(wǎng)可以在任何一個地方查詢倉庫數(shù)據(jù)?；贚PC2294的溫度濕度控制系統(tǒng)能夠很好的處理倉庫數(shù)據(jù),并且根據(jù)歷史記錄以及專家知識做出相應(yīng)的決策。溫度濕度控制系統(tǒng)還能夠自動保存歷史記錄,打印報表。

(二)系統(tǒng)應(yīng)用前景

就目前來看,國內(nèi)倉庫儲藏自動化水平還比較落后,溫度濕度控制系統(tǒng)具有廣闊的推廣價值,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都將是非常可觀的。當(dāng)然,系統(tǒng)還存在一些不足,如光纖的鋪設(shè),需要很大的工程來實(shí)現(xiàn)。

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作者簡介:王燕妮(1983-),太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院、太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院信息系助教,碩士,研究方向:控制理論與控制工程。