人工氣候系統控制性能及可靠性分析

摘 要:論述人工氣候控制的原理#65380;方法和改進措施#65377;介紹SMG12864D液晶顯示模塊的工作原理#65380;功能及液晶顯示開發的基本步驟，給出與新型接口電路及其驅動軟件的設計，并介紹采用80c196kc單片機(MCU)通過8255A驅動液晶顯示模塊的部分程序#65377;研究溫度傳感器的在線校正方法#65377;實踐表明，硬件及軟件的改造是正確的，使系統的性能和可靠性進一步提高#65377;

關鍵詞:人工氣候;空調控溫;液晶顯示;非線性校正;前饋補償;專家模糊控制

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A

1 前 言

人工氣候智能控制系統由單片機#65380;LCD顯示模塊#65380;鍵盤控制器#65380;程序存儲器#65380;數據存儲器#65380;GAL器件等部分組成#65377;主要功能是:按照水稻發育的環境條件要求，對溫度#65380;照度#65380;濕度等進行控制#65377;

目前系統存在的主要問題有:8279鍵盤控制器發熱#65380;LCD失效#65380;電源干擾嚴重#65380;溫度傳感器非線性嚴重#65380;多子系統的相關耦合等#65377;

針對這些問題，提出了相應的解決措施:降低8279的工作頻率;開發新的LCD接口電路及其驅動程序;溫度傳感器進行非線性校正;環境溫度和高壓鈉燈照度的前饋補償等#65377;

2 新LCD模塊接口電路及驅動程序設計

2.1 接口電路設計

本系統采用8255A做I/O口的擴展#65377;8255A是目前應用最廣的可編程并行接口芯片之一^[1]，其最大的特點在于:使用靈活，可以在不改變硬件的情況下通過軟件編程來改變芯片的功能#65377;本系統用PB口為8位數據線，PC口的高4位和MCU的P2.6口為控制線，其中，PC4為片選信號1，PC5為片選信號2，PC6為讀寫選擇信號，PC7為命令數據選擇信號#65377;MCU對8255A的PC口操作，即可實現對LCD模塊的操作#65377;系統原理圖如圖1所示#65377;

KS0108B是此模塊的主控制器，KS0108B和KS0107B共同組成LCD顯示模塊#65377;SMG12864D由兩片64x64的液晶組成，分別為IC1，IC2#65377;輸入為: 8位并行數據線，工作及背光電源線，控制信號線;輸出為:LCD點陣#65377;

此模塊的指令只有五條#65377;通常對LCD的操作是:初始化-測忙-寫指令代碼-寫顯示數據#65377;單片機對SMG12864D訪問時，不需要對其進行忙判斷，從而節省了系統開銷#65377;

控制器內部設有一個數據地址頁指針和一個數據地址列指針，由指令產生，可通過它們訪問內部的全部512 字節RAM^[3]#65377;

計算技術與自動化2007年6月第26卷第2期何 鵬等:人工氣候系統控制性能及可靠性分析2.2 驅動程序設計

驅動程序包括2部分#65377;第1部分是底層驅動程序:LCD寫數據#65380;寫命令驅動程序#65377;第2部分是應用程序:清屏程序，初始化程序，顯示字符程序#65377;編程語言為PL/M-96，是一種可用于MCS-96系列單片機的結構化的高級語言^[2]#65377;寫數據驅動程序是利用8255A的擴展端口進行驅動，只需按照時序對I/O口進行置高置低的操作即可#65377;對LCD寫命令子程序與寫數據子程序類似，僅需要改變I/O口的狀態即可#65377;清屏程序實際上是在相應的點陣寫“0”#65377;;LCD的初始化子程序:向LCD寫命令代碼3FH(開顯示)，0C0H(顯示初始行設置)#65377;

3 人工氣候專家模糊控制系統

由于每個氣候室的三臺空調機不是變頻空調，不能連續變頻控溫，只能通過空調切換#65380;冷熱切換和變換風速調節溫度，且空調機啟停存在“停機三分鐘”問題，因此不能保證控制的連續性，采用普通的控制方法來溫度控制，±0.2℃控溫精度是很難達到的，對此我們采取專家模糊控制的方法，利用大量的專家經驗及規則來保證系統較好的接近連續控制，并克服非線性帶來的問題#65377;

本系統的專家模糊控制器由軟件實現，系統輸入為偏差#65380;偏差變化率#65377;系統輸出為空調模式#65380;風模式#65380;冷熱模式等#65377;是多輸入多輸出的系統#65377;知識庫的知識獲取途徑有3個:

1)通過典型反饋控制，由偏差及偏差變化產生一個控制量，得到溫度值，這種途徑主要用于偏差較大的情況，可以讓系統快速的接近設定值#65377;

2)根據經驗知識，在溫度比較接近設定值的時候，用PI控制往往出現控制效果不佳的情況，主要是因為規則的數目有限導致的，而系統的代碼空間不允許無限的增加規則數目，因此，在這種情況下，就要用到經驗，比如在溫度接近設定值的時候，可以根據空調的性能，跳出原來的規則，直接寫入新的規則#65377;

3)模式多變，風模式#65380;制熱/制冷模式#65380;休眠模式#65380;起停模式#65380;空調切換模式等，而每種模式下又有2～3種情況，可以針對不同的環境變化采用相應的控制模式#65377;

控制流程圖如圖2所示#65377;

4 溫度傳感器的非線性校正

傳感器在控制系統中起到重要作用，直接影響控制性能，因此傳感器的精度及線性度是關鍵指標#65377;根據實測，溫度傳感器的非線性程度嚴重，影響控制精度#65377;因此，采用曲線擬合的方法，分段線性化溫度傳感器的特性，為此用到了MATLAB軟件及相應編程#65377;測試得到的傳感器特性如圖3所示，是用精度為0.1℃的水銀溫度計和12位的A/D轉換器測試得到的，每度1點#65377;分段擬合程序的作用:分段擬合出一條近似直線方程，輸出斜率和截距#65377;然后根據工作點所在區間的斜率和截距，由A/D轉換數據x在線計算相應的實際溫度y#65377;采用這種方法，能較好地擬合出溫度傳感器的實際特性，保證了溫度反饋信號的精度，從而可大大地提高溫度控制精度#65377;

5 環境溫度和高壓鈉燈照度的前饋補償

5.1 環境溫度的前饋補償

春夏秋冬和天氣陰晴，環境溫度變化較大，對人工氣候室的溫度控制精度影響也較大，有時甚至達不到設定的溫度#65377;

為了解決環境溫度變化對溫度控制精度的影響，系統引進了環境溫度的前饋補償#65377;其基本思想是，將環境溫度相對于室內設定溫度r的偏差，等效為室內的溫度誤差

式中，K0-內外溫差折算到室內溫度誤差的系數#65377;

然后，按前饋補償后的室內溫度誤差

進行溫度回路的專家模糊控制#65377;

式中，e(k)=y(k)-r，y(k)為室內實際溫度#65377;

5.2 高壓鈉燈照度的前饋控制

人工氣候室內有36盞高壓鈉燈，每燈400w，消耗功率大，熱量高，嚴重影響室內溫度的控制精度#65377;

為了解決高壓鈉燈照度對溫度控制精度的影響，系統引入了高壓鈉燈照度的前饋補償#65377;其基本思想是，將高壓鈉燈照度相對于設定照度的誤差，等效為室內的溫度誤差

式中，KL-照度誤差折算到室內溫度誤差的系數#65377;

然后，按前饋補償后的室內溫度誤差

進行溫度回路的專家模糊控制#65377;

6 結 論

調試結果表明，MCU與SMG12864D在時序上，以并行口方式可以方便地配合#65377;在底層驅動程序中，延時不能過大，否則會造成無法顯示或顯示亂碼#65377;嚴重時，甚至引起系統死機#65377;

通過溫度傳感器的非線性校正，環境溫度的前饋補償和高壓鈉燈照度的前饋補償，大大地提高了系統的控制精度#65377;

通過降低8279鍵盤控制器的工作頻率，有效地降低了8279的溫升，提高了系統的工作可靠性#65377;

模糊規則的進一步完善，使系統在不同季節下的溫度控制的適應性增強#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。