基于模糊控制的糧倉溫濕度監控系統設計

陳越超

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

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基于模糊控制的糧倉溫濕度監控系統設計

陳越超

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

本文介紹了一種基于模糊控制的糧倉溫濕度監控系統設計方案，該監控系統以FPGA為核心，利用溫度傳感器和濕度傳感器對糧倉溫濕度數據進行實時采集，利用FPGA計算溫濕度偏差及其偏差變化率，通過調用模糊控制算法對糧倉溫濕度進行模糊控制。

溫度傳感器；濕度傳感器；FPGA；模糊控制

隨著現代農業的發展，糧食存儲顯得越來越重要。溫度和濕度是糧倉存儲糧食的兩個關鍵因素，更好地進行糧倉的溫濕度監控，是提高糧倉存儲的效率的重要保障。本文設計的糧倉溫濕度監控系統能夠提高糧食的存儲效率，避免造成糧食的浪費。

本糧倉溫濕度監控系統以模糊邏輯控制(簡稱模糊控制)理論為基礎，模糊控制器使用二階模型方法，以變化量偏差和偏差變化量(溫濕度偏差、溫濕度偏差變化量)為輸入，以控制量(加濕、除濕、升溫、降溫)為輸出。模糊控制電路以FPGA為核心進行設計，利用Verilog HDL進行模糊控制器的硬件語言描述，完成信號采集、數據處理和環境控制等。濕度傳感器選用HS1101，溫度傳感器選用DS1820。本系統的設計重點是在FPGA上實現模糊控制器的設計。

1 模糊控制規則設計

模糊控制器是模糊控制系統的核心，其性能的好壞直接影響系統的性能。主要包括輸入量模糊化、知識庫、模糊推理、輸出解模糊四部分。模糊控制系統組成如圖1所示。

圖1 模糊控制系統組成圖

輸入量模糊化：將溫度(或濕度)的偏差分為正大、正中、正小、零、負小、負中、負大七個模糊子集，分別用PL、PM、PS、O、NS、NM、NL表示，模糊控制中L代表大、M代表中、S代表小、O代表零、P代表正、N代表負。

知識庫：輸入輸出空間如何模糊分割，各個子集如何進行劃分、偏差多大為大、偏差多大為中，需要以專家的經驗和知識為依據，根據實際情況進行劃分。

模糊推理：它是模糊控制器的核心，模糊控制的基本原則是使系統輸出響應的靜態特性和動態特性達到最優，即當溫度(或濕度)偏差為小時，選用控制量要以防止超調為主；當溫度(或濕度)偏差為大或中時，則選用控制量要以盡快消除偏差為主，一切以系統穩定性為出發點。

輸出解模糊：在一個控制周期內，執行機構動作具有唯一性，因此，需要將模糊推理得到的模糊控制量變換成實際用于控制的清晰量，用于控制執行機構進行升溫/降溫等。在這里，同樣用P、N、L、M、S、O分別表示正、負、大、中、小和零，以溫度控制為例，如輸出U是PS，則表示需要緩慢加溫；如果輸出U是O，則表示當前溫度為預定值，執行機構停止動作；如果輸出U是NL，則表示需要加速降溫。表1所示為模糊控制規則。

表1 模糊控制規則表

2 系統框架

系統主要由控制電路、顯示電路、時鐘電路、鍵盤輸入電路、濕度傳感器、溫度傳感器、上位機、串口通訊電路、執行裝置等部分構成。控制電路選用FPGA對溫濕度信號進行采集和模糊控制，并對執行機構進行控制。糧倉溫濕度監控系統組成框圖如圖2所示。

圖2 糧倉溫濕度監控系統組成框圖

3 溫度檢測電路設計

糧倉溫濕度監控系統的溫度傳感器采用美國DALLAS公司的DS1820，它是一種單總線數字溫度傳感器，具有可組網、抗干擾能力強、低功耗、微型化等優點。DS1820檢測電路簡單，它可以將溫度信號轉化為串行數字信號直接傳送給微處理器進行處理。DS1820特別適合多點溫度檢測系統設計，每片DS1820的ROM中都保存芯片唯一的產品號，方便系統組網，可以在單總線上掛接多個芯片。測量范圍：-55℃～+125℃，測量分辨率：±0.5℃。

在使用傳感器DS1820進行溫度監測時，可以利用控制器來讀取傳感器的序列號，序列號的讀取過程需要逐步完成，首先由控制器發出一個數字脈沖，這時傳感器DS1820就會進行自動進行數據采集，在經過一個周期后，也就是經過480us，控制器就會重新接收數據，然后主機每隔15us就會發出一個數字脈沖，這樣就可以將每一個溫度傳感器DS1820的序列號讀取出來，單線點的測溫電路如圖3所示。

圖3 DS1820傳感器的單線點溫度電路圖

4 濕度檢測電路設計

糧倉溫濕度監控系統的濕度傳感器采用HS1101傳感器，其工作原理類似于一個電容，電容值與空氣中的濕度值成正比，溫度越大，其電容值也就越大。HS1101傳感器的特殊點在于其只有兩個引腳，又因為該傳感器為電容性，所以不能采用直流供電，因此我們需要用到555定時器，直接與控制器的I/O口對接。這樣就可以進行測量，設置時間間隔為8s，同時每次測量時間大約持續1s，通過將測得的脈沖數與相對濕度和頻率的對比(表2)對照，就可以得出相對濕度的大小。

表2 相對濕度與頻率的對比表

在本次設計中，借助于HS1101傳感器和555定時器來共同針對濕度的測量，HS1101傳感器用于數據的采集，而555定時器則進行定時控制。本系統所用的555定時器采用TI公司研制的TLC555，能夠節約很大的成本，同時還能夠滿足性能的需求。電路圖如圖4所示。

圖4 濕度測量電路圖

5 控制電路的設計

控制電路需要進行大量數據存儲和運算，因此控制電路采用FPGA，所采用門陣列的具體樣式為XC2S50。XC2S50是FPGA系列中最典型的門陣列，包含非常多的優點，具有非常小的功耗，同時易于控制，可以進行多次的編程，包含的觸發器數量高達1728個，系統門數為五萬門。但是XC2S50在供電方面存在兩種不同的形式，在內部需要+2.5V的供電，而其外部的I/O口必須為+3.3V。XC2S50之所以能夠被廣泛應用，最主要的特點就是其擁有四種不同的配置模式，而這些配置模式完全取決于XC2S50的配置引腳。

圖5 控制電路原理圖

圖6 模糊控制算法流程圖

主控電路的主要功能包括：通過鍵盤輸入電路設置溫濕度期望值；控制溫度傳感器實時測量環境溫度；接收濕度測量電路數據；對數據進行處理，并進行模糊控制；通過控制電路來進行反饋控制；通過LED顯示將期望值和實時數據顯示出來。圖5為控制電路原理圖。

6 模糊控制軟件實現

針對糧倉環境的溫濕度控制具有多變量、參數相互耦合、非線性等特點，無法建立精確的數學模型，而選用PID控制，其控制調節時間較長且容易產生超調，控制精度很低，不能滿足設計需求。本設計通過調用模糊控制算法，對溫濕度進行精確控制，有效地解決了上述問題。以溫度模糊控制系統為例，采用雙輸入單輸出控制，選取給定值的誤差及其誤差變化率作為模糊控制器的雙輸入，將加熱和制冷裝置的控制開關狀態作為輸出，以專家知識庫中的數據為依據，建立溫度模糊控制規則表，獲得控制規則語句。模糊控制算法流程如圖6所示。

7 結語

本文設計的糧倉溫濕度監控系統，以FPGA為系統核心，實現對執行機構的模糊控制，省去了大量的外圍數字電路的設計，提高了系統的集成度，優化了系統的性能，增強了系統的可靠性，降低了系統開發成本，并縮短了設計周期。

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The Granary of the Temperature and Humidity Monitoring System Design Based on Fuzzy Control

CHEN Yue-chao

(School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University,Changchun Jilin 130032,China)

This paper introduces a design of the granary temperature and humidity monitoring system based on fuzzy control whose core is FPGA, and uses temperature sensor and humidity sensor on the granary temperature and humidity to get real-time data ,and FPGA is also used to calculate deviation and the deviation change rate, then it can control granary temperature and humidity in fuzzy by calling the fuzzy control algorithm.

temperature sensors；humidity sensors；FPGA；fuzzy control

2016-07-20

陳越超(1987- )，男，助理實驗師，碩士研究生，從事檢測技術與儀器研究。

TP273

A

2095-7602(2016)12-0024-05