基于LPC2294的温度湿度控制系统

摘要:基于LPC2294微处理器的嵌入式仓库控制系统采用三层体系结构。从机主要由AT89C2051单片机构成,通过单片机控制各个测温点,并与主机实现多机通信。文章对数字式温度传感器DS18B20和湿度传感器HSllOI的检测装置进行了详细介绍,采用BP神经网络进行了水分值的非线性校正,采用PID智能温度控制。

关键词:嵌入式系统;LPC2294;监控系统水分检测;PID智能温度控制

中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0031-02

一、仓库温度湿度控制系统

(一)仓库温度湿度控制系统总体方案

本文提出了基于LPC2294微处理器的嵌入式系统的粮库控制系统的设计方案。从机主要由AT89C2051单片机构成,通过单片机控制各个测温点完成温度转换和相应测温点温度数据的查询,并与主机实现多机通信。粮仓内外的温湿度采集由基于AT89C2051微控制器的从机完成,从机具有现场总线接口,使用数字式温度传感器DS18B20采集温度,使用湿度传感器HSllOI采集湿度。仓库内外的设备由现场总线上的测控仪器来控制,仓库的现场工作站可以通过现场总线发送控制命令给测控仪器,它根据接受的命令执行通风和冷却。

(二)硬件介绍

LPC2294是PHILIPS公司推出的一款功能强大、超低功耗且具有ARM7TDMI内核的32位微控制器。它具有丰富的片上资源,完全可以满足一般的工业控制需要,同时还可以减少系统硬件设计的复杂度,提高系统的稳定性。它的工作原理主要是用ARM7芯片LPC2294为内核,与一系列器件连接起来。AT89C2051是20脚8位的单片机,它提供了以下标准功能:2K字节闪速存储器,128字节RAM,15根I/O引线,一个全双工串行口。此外,AT89C2051软件节电方式,一方式停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。二方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止所有其它部件的工作直到水分检测系统下一个硬件复位。硬件设计框图如图1所示:

(三)温湿度测量原理与器件选择

1.测温原理与相应的温度传感器。温度是数据采集中因为要采集多点温度,所以传感器的选型非常重要,它将直接影响到测温系统的复杂度和精确度。DS18B20低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。单片机在控制DS18B20进行温度转换之前,需要总线上所有DS18B20的64位序列号,这样才可以对总线上的某个DS18B20进行ROM匹配,将其选中。

2.温度数据采集及发送。由于所要监测的粮库储量大,要监测的温度点比较多,采用外部供电方式。由于采用单总线数据传输方式DS18B20的数据I/O均是由同一条线来完成的,因此,对读写的操作时序要求严格。协议数据传输为主/从式,形式为请求/响应帧方式。每次通信均由主机发起,不需握手。主机发出请求帧后,等待从机返回响应帧直至响应时间到来,对于从机不返回响应帧。基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的,初始化过程有主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道,总线上有从机设备,且准备就绪。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)测湿度原理与相应的湿度传感器

湿度传感器采用高分子电容式传感器181191-Hsloll,温湿度传感器输出的信号都没有经过放大、AD/转换而直接送入单片机进行处理。将它接入555定时器或施密特触发器组成的振荡电路中,则传感器所测的湿度信号与振荡电路输出的电压信号的频率成线性关系,该频率信号也可直接送入单片机进行处理。

将HSllol与555定时器组成振荡电路,则传感器所测的湿度信号与振荡电路输出的电压信号的频率成线性关系,该频率信号也可直接送入单片机进行处理。这样,温湿度传感器输出的信号都没有经过放大、AD/转换而直接送入单片机进行处理,从而省去了信号放大和A/D转换这两个环节,进一步减小了测量误差。

二、算法实现

(一)BP神经网络水分值校正

将温度和频率值作为神经网络的输入,水分值作为网络的输出。所以输入层设计为2个神经元,输出层为1个神经元。对于隐含层的结构,经过反复试用,隐含层的神经元数取为5个的拓扑结构。目标水分值与经BP神经网络训练后的预测值的对比,温度变化范围是-15℃～22℃。在大部分区域内预测值围绕目标值上下浮动,跳动范围在±5%之内。

(二)PID线性控温法

PID控温方法是基于古典控制理论中的调节器控制原理,PID控制是早期发展起来的控制策略之一,由于其鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用于工业过程控制中,尤其适用于可建立确定性控制系统。具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。

PID智能温度控制法这种温控方法采用神经元网络和模糊数学为理论基础,并实现智能化。针对控制过程易于振荡、自适应能力有限的缺点,引入了基于模糊逻辑的自调整过程,把对控制规则的调整转化为对参数的调整。

三、粮情监控系统性能分析及展望

(一)系统性能分析

仓库监控系统三层网络体系,各项指标都达到了预期的效果,尤其是数字式温度传感器 DS18B20的应用,使得温度采集的精度和灵敏度大大提高了。由于现场总线上挂接的底层智能测控板比较多,向上发出的温度数据也比较多,通过嵌入式现地工作站现场手动操作键盘,数据查询也十分方便,通过以太网可以在任何一个地方查询仓库数据。基于LPC2294的温度湿度控制系统能够很好的处理仓库数据,并且根据历史记录以及专家知识做出相应的决策。温度湿度控制系统还能够自动保存历史记录,打印报表。

(二)系统应用前景

就目前来看,国内仓库储藏自动化水平还比较落后,温度湿度控制系统具有广阔的推广价值,经济效益和社会效益都将是非常可观的。当然,系统还存在一些不足,如光纤的铺设,需要很大的工程来实现。

参考文献

[1]赫振方.粮情测控系统在粮食储藏中的应用[J].粮油食品科技,2001,(3).

[2]任如杉,万艳芬,等.粮情测控系统在粮食储藏中的应用[J].粮食流通技术,2002,(4).

[3]鲁昌华.分布式微机系统在粮情监控系统中的应用[J].化工自动化与仪表,2000,(2).

[4]冯建新,王光兴.基于网络设备的远程监控系统的设计与实现[J].东北大学学报,2002,(7).

[5]陈涛,王仲东.DS18B20在粮情监控系统中的应用[J].昆明理工大学学报,2003,(5).

[6]马忠梅,籍顺心,等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社,2001.

作者简介:王燕妮(1983-),太原理工大学信息工程学院、太原理工大学阳泉学院信息系助教,硕士,研究方向:控制理论与控制工程。