摘 要:論述人工氣候控制的原理#65380;方法和改進(jìn)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(fā)的基本步驟，給出與新型接口電路及其驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)，并介紹采用80c196kc單片機(jī)(MCU)通過8255A驅(qū)動(dòng)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(shí)踐表明，硬件及軟件的改造是正確的，使系統(tǒng)的性能和可靠性進(jìn)一步提高#65377;

關(guān)鍵詞:人工氣候;空調(diào)控溫;液晶顯示;非線性校正;前饋補(bǔ)償;專家模糊控制

中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 前 言

人工氣候智能控制系統(tǒng)由單片機(jī)#65380;LCD顯示模塊#65380;鍵盤控制器#65380;程序存儲(chǔ)器#65380;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器#65380;GAL器件等部分組成#65377;主要功能是:按照水稻發(fā)育的環(huán)境條件要求，對(duì)溫度#65380;照度#65380;濕度等進(jìn)行控制#65377;

目前系統(tǒng)存在的主要問題有:8279鍵盤控制器發(fā)熱#65380;LCD失效#65380;電源干擾嚴(yán)重#65380;溫度傳感器非線性嚴(yán)重#65380;多子系統(tǒng)的相關(guān)耦合等#65377;

針對(duì)這些問題，提出了相應(yīng)的解決措施:降低8279的工作頻率;開發(fā)新的LCD接口電路及其驅(qū)動(dòng)程序;溫度傳感器進(jìn)行非線性校正;環(huán)境溫度和高壓鈉燈照度的前饋補(bǔ)償?shù)?65377;

2 新LCD模塊接口電路及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

2.1 接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用8255A做I/O口的擴(kuò)展#65377;8255A是目前應(yīng)用最廣的可編程并行接口芯片之一^[1]，其最大的特點(diǎn)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(tǒng)用PB口為8位數(shù)據(jù)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(hào)1，PC5為片選信號(hào)2，PC6為讀寫選擇信號(hào)，PC7為命令數(shù)據(jù)選擇信號(hào)#65377;MCU對(duì)8255A的PC口操作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD模塊的操作#65377;系統(tǒng)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(shù)據(jù)線，工作及背光電源線，控制信號(hào)線;輸出為:LCD點(diǎn)陣#65377;

此模塊的指令只有五條#65377;通常對(duì)LCD的操作是:初始化-測忙-寫指令代碼-寫顯示數(shù)據(jù)#65377;單片機(jī)對(duì)SMG12864D訪問時(shí)，不需要對(duì)其進(jìn)行忙判斷，從而節(jié)省了系統(tǒng)開銷#65377;

控制器內(nèi)部設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)地址頁指針和一個(gè)數(shù)據(jù)地址列指針，由指令產(chǎn)生，可通過它們?cè)L問內(nèi)部的全部512 字節(jié)RAM^[3]#65377;

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2007年6月第26卷第2期何 鵬等:人工氣候系統(tǒng)控制性能及可靠性分析2.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序包括2部分#65377;第1部分是底層驅(qū)動(dòng)程序:LCD寫數(shù)據(jù)#65380;寫命令驅(qū)動(dòng)程序#65377;第2部分是應(yīng)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(jī)的結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語言^[2]#65377;寫數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序是利用8255A的擴(kuò)展端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只需按照時(shí)序?qū)/O口進(jìn)行置高置低的操作即可#65377;對(duì)LCD寫命令子程序與寫數(shù)據(jù)子程序類似，僅需要改變I/O口的狀態(tài)即可#65377;清屏程序?qū)嶋H上是在相應(yīng)的點(diǎn)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(shè)置)#65377;

3 人工氣候?qū)＜夷：刂葡到y(tǒng)

由于每個(gè)氣候室的三臺(tái)空調(diào)機(jī)不是變頻空調(diào)，不能連續(xù)變頻控溫，只能通過空調(diào)切換#65380;冷熱切換和變換風(fēng)速調(diào)節(jié)溫度，且空調(diào)機(jī)啟停存在“停機(jī)三分鐘”問題，因此不能保證控制的連續(xù)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(dá)到的，對(duì)此我們采取專家模糊控制的方法，利用大量的專家經(jīng)驗(yàn)及規(guī)則來保證系統(tǒng)較好的接近連續(xù)控制，并克服非線性帶來的問題#65377;

本系統(tǒng)的專家模糊控制器由軟件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)輸入為偏差#65380;偏差變化率#65377;系統(tǒng)輸出為空調(diào)模式#65380;風(fēng)模式#65380;冷熱模式等#65377;是多輸入多輸出的系統(tǒng)#65377;知識(shí)庫的知識(shí)獲取途徑有3個(gè):

1)通過典型反饋控制，由偏差及偏差變化產(chǎn)生一個(gè)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(tǒng)快速的接近設(shè)定值#65377;

2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，在溫度比較接近設(shè)定值的時(shí)候，用PI控制往往出現(xiàn)控制效果不佳的情況，主要是因?yàn)橐?guī)則的數(shù)目有限導(dǎo)致的，而系統(tǒng)的代碼空間不允許無限的增加規(guī)則數(shù)目，因此，在這種情況下，就要用到經(jīng)驗(yàn)，比如在溫度接近設(shè)定值的時(shí)候，可以根據(jù)空調(diào)的性能，跳出原來的規(guī)則，直接寫入新的規(guī)則#65377;

3)模式多變，風(fēng)模式#65380;制熱/制冷模式#65380;休眠模式#65380;起停模式#65380;空調(diào)切換模式等，而每種模式下又有2～3種情況，可以針對(duì)不同的環(huán)境變化采用相應(yīng)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(tǒng)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(guān)鍵指標(biāo)#65377;根據(jù)實(shí)測，溫度傳感器的非線性程度嚴(yán)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(yīng)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(jì)和12位的A/D轉(zhuǎn)換器測試得到的，每度1點(diǎn)#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(jù)工作點(diǎn)所在區(qū)間的斜率和截距，由A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)x在線計(jì)算相應(yīng)的實(shí)際溫度y#65377;采用這種方法，能較好地?cái)M合出溫度傳感器的實(shí)際特性，保證了溫度反饋信號(hào)的精度，從而可大大地提高溫度控制精度#65377;

5 環(huán)境溫度和高壓鈉燈照度的前饋補(bǔ)償

5.1 環(huán)境溫度的前饋補(bǔ)償

春夏秋冬和天氣陰晴，環(huán)境溫度變化較大，對(duì)人工氣候室的溫度控制精度影響也較大，有時(shí)甚至達(dá)不到設(shè)定的溫度#65377;

為了解決環(huán)境溫度變化對(duì)溫度控制精度的影響，系統(tǒng)引進(jìn)了環(huán)境溫度的前饋補(bǔ)償#65377;其基本思想是，將環(huán)境溫度相對(duì)于室內(nèi)設(shè)定溫度r的偏差，等效為室內(nèi)的溫度誤差

式中，K0-內(nèi)外溫差折算到室內(nèi)溫度誤差的系數(shù)#65377;

然后，按前饋補(bǔ)償后的室內(nèi)溫度誤差

進(jìn)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(nèi)實(shí)際溫度#65377;

5.2 高壓鈉燈照度的前饋控制

人工氣候室內(nèi)有36盞高壓鈉燈，每燈400w，消耗功率大，熱量高，嚴(yán)重影響室內(nèi)溫度的控制精度#65377;

為了解決高壓鈉燈照度對(duì)溫度控制精度的影響，系統(tǒng)引入了高壓鈉燈照度的前饋補(bǔ)償#65377;其基本思想是，將高壓鈉燈照度相對(duì)于設(shè)定照度的誤差，等效為室內(nèi)的溫度誤差

式中，KL-照度誤差折算到室內(nèi)溫度誤差的系數(shù)#65377;

然后，按前饋補(bǔ)償后的室內(nèi)溫度誤差

進(jìn)行溫度回路的專家模糊控制#65377;

6 結(jié) 論

調(diào)試結(jié)果表明，MCU與SMG12864D在時(shí)序上，以并行口方式可以方便地配合#65377;在底層驅(qū)動(dòng)程序中，延時(shí)不能過大，否則會(huì)造成無法顯示或顯示亂碼#65377;嚴(yán)重時(shí)，甚至引起系統(tǒng)死機(jī)#65377;

通過溫度傳感器的非線性校正，環(huán)境溫度的前饋補(bǔ)償和高壓鈉燈照度的前饋補(bǔ)償，大大地提高了系統(tǒng)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(tǒng)的工作可靠性#65377;

模糊規(guī)則的進(jìn)一步完善，使系統(tǒng)在不同季節(jié)下的溫度控制的適應(yīng)性增強(qiáng)#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。