基于模糊控制的粮仓温湿度监控系统设计

陈越超

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)



基于模糊控制的粮仓温湿度监控系统设计

陈越超

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)

本文介绍了一种基于模糊控制的粮仓温湿度监控系统设计方案，该监控系统以FPGA为核心，利用温度传感器和湿度传感器对粮仓温湿度数据进行实时采集，利用FPGA计算温湿度偏差及其偏差变化率，通过调用模糊控制算法对粮仓温湿度进行模糊控制。

温度传感器；湿度传感器；FPGA；模糊控制

随着现代农业的发展，粮食存储显得越来越重要。温度和湿度是粮仓存储粮食的两个关键因素，更好地进行粮仓的温湿度监控，是提高粮仓存储的效率的重要保障。本文设计的粮仓温湿度监控系统能够提高粮食的存储效率，避免造成粮食的浪费。

本粮仓温湿度监控系统以模糊逻辑控制(简称模糊控制)理论为基础，模糊控制器使用二阶模型方法，以变化量偏差和偏差变化量(温湿度偏差、温湿度偏差变化量)为输入，以控制量(加湿、除湿、升温、降温)为输出。模糊控制电路以FPGA为核心进行设计，利用Verilog HDL进行模糊控制器的硬件语言描述，完成信号采集、数据处理和环境控制等。湿度传感器选用HS1101，温度传感器选用DS1820。本系统的设计重点是在FPGA上实现模糊控制器的设计。

1 模糊控制规则设计

模糊控制器是模糊控制系统的核心，其性能的好坏直接影响系统的性能。主要包括输入量模糊化、知识库、模糊推理、输出解模糊四部分。模糊控制系统组成如图1所示。

图1 模糊控制系统组成图

输入量模糊化：将温度(或湿度)的偏差分为正大、正中、正小、零、负小、负中、负大七个模糊子集，分别用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代表负。

知识库：输入输出空间如何模糊分割，各个子集如何进行划分、偏差多大为大、偏差多大为中，需要以专家的经验和知识为依据，根据实际情况进行划分。

模糊推理：它是模糊控制器的核心，模糊控制的基本原则是使系统输出响应的静态特性和动态特性达到最优，即当温度(或湿度)偏差为小时，选用控制量要以防止超调为主；当温度(或湿度)偏差为大或中时，则选用控制量要以尽快消除偏差为主，一切以系统稳定性为出发点。

输出解模糊：在一个控制周期内，执行机构动作具有唯一性，因此，需要将模糊推理得到的模糊控制量变换成实际用于控制的清晰量，用于控制执行机构进行升温/降温等。在这里，同样用P、N、L、M、S、O分别表示正、负、大、中、小和零，以温度控制为例，如输出U是PS，则表示需要缓慢加温；如果输出U是O，则表示当前温度为预定值，执行机构停止动作；如果输出U是NL，则表示需要加速降温。表1所示为模糊控制规则。

表1 模糊控制规则表

2 系统框架

系统主要由控制电路、显示电路、时钟电路、键盘输入电路、湿度传感器、温度传感器、上位机、串口通讯电路、执行装置等部分构成。控制电路选用FPGA对温湿度信号进行采集和模糊控制，并对执行机构进行控制。粮仓温湿度监控系统组成框图如图2所示。

图2 粮仓温湿度监控系统组成框图

3 温度检测电路设计

粮仓温湿度监控系统的温度传感器采用美国DALLAS公司的DS1820，它是一种单总线数字温度传感器，具有可组网、抗干扰能力强、低功耗、微型化等优点。DS1820检测电路简单，它可以将温度信号转化为串行数字信号直接传送给微处理器进行处理。DS1820特别适合多点温度检测系统设计，每片DS1820的ROM中都保存芯片唯一的产品号，方便系统组网，可以在单总线上挂接多个芯片。测量范围：-55℃～+125℃，测量分辨率：±0.5℃。

在使用传感器DS1820进行温度监测时，可以利用控制器来读取传感器的序列号，序列号的读取过程需要逐步完成，首先由控制器发出一个数字脉冲，这时传感器DS1820就会进行自动进行数据采集，在经过一个周期后，也就是经过480us，控制器就会重新接收数据，然后主机每隔15us就会发出一个数字脉冲，这样就可以将每一个温度传感器DS1820的序列号读取出来，单线点的测温电路如图3所示。

图3 DS1820传感器的单线点温度电路图

4 湿度检测电路设计

粮仓温湿度监控系统的湿度传感器采用HS1101传感器，其工作原理类似于一个电容，电容值与空气中的湿度值成正比，温度越大，其电容值也就越大。HS1101传感器的特殊点在于其只有两个引脚，又因为该传感器为电容性，所以不能采用直流供电，因此我们需要用到555定时器，直接与控制器的I/O口对接。这样就可以进行测量，设置时间间隔为8s，同时每次测量时间大约持续1s，通过将测得的脉冲数与相对湿度和频率的对比(表2)对照，就可以得出相对湿度的大小。

表2 相对湿度与频率的对比表

在本次设计中，借助于HS1101传感器和555定时器来共同针对湿度的测量，HS1101传感器用于数据的采集，而555定时器则进行定时控制。本系统所用的555定时器采用TI公司研制的TLC555，能够节约很大的成本，同时还能够满足性能的需求。电路图如图4所示。

图4 湿度测量电路图

5 控制电路的设计

控制电路需要进行大量数据存储和运算，因此控制电路采用FPGA，所采用门阵列的具体样式为XC2S50。XC2S50是FPGA系列中最典型的门阵列，包含非常多的优点，具有非常小的功耗，同时易于控制，可以进行多次的编程，包含的触发器数量高达1728个，系统门数为五万门。但是XC2S50在供电方面存在两种不同的形式，在内部需要+2.5V的供电，而其外部的I/O口必须为+3.3V。XC2S50之所以能够被广泛应用，最主要的特点就是其拥有四种不同的配置模式，而这些配置模式完全取决于XC2S50的配置引脚。

图5 控制电路原理图

图6 模糊控制算法流程图

主控电路的主要功能包括：通过键盘输入电路设置温湿度期望值；控制温度传感器实时测量环境温度；接收湿度测量电路数据；对数据进行处理，并进行模糊控制；通过控制电路来进行反馈控制；通过LED显示将期望值和实时数据显示出来。图5为控制电路原理图。

6 模糊控制软件实现

针对粮仓环境的温湿度控制具有多变量、参数相互耦合、非线性等特点，无法建立精确的数学模型，而选用PID控制，其控制调节时间较长且容易产生超调，控制精度很低，不能满足设计需求。本设计通过调用模糊控制算法，对温湿度进行精确控制，有效地解决了上述问题。以温度模糊控制系统为例，采用双输入单输出控制，选取给定值的误差及其误差变化率作为模糊控制器的双输入，将加热和制冷装置的控制开关状态作为输出，以专家知识库中的数据为依据，建立温度模糊控制规则表，获得控制规则语句。模糊控制算法流程如图6所示。

7 结语

本文设计的粮仓温湿度监控系统，以FPGA为系统核心，实现对执行机构的模糊控制，省去了大量的外围数字电路的设计，提高了系统的集成度，优化了系统的性能，增强了系统的可靠性，降低了系统开发成本，并缩短了设计周期。

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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

陈越超(1987- )，男，助理实验师，硕士研究生，从事检测技术与仪器研究。

TP273

A

2095-7602(2016)12-0024-05