方威+張騰

摘 要 自改革開放以來，我國糧食產量大幅增加，據權威部門估計，2013年我國糧食產量可能達到6億噸，再次創(chuàng)造歷史記錄。這樣，我國每年有很多糧食要儲存。在儲存過程中，為防止糧食變質、霉爛，這就對糧倉內的溫度、濕度等條件提出較高的要求，而基于模糊PID技術的溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的勝任對糧倉溫度進行監(jiān)測的任務。

關鍵詞 模糊PID技術；糧倉；溫度監(jiān)測

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0010-02

隨著我國農業(yè)機械化水平的不斷提高以及各種高產品種的農作物投入市場，我國糧食產量逐年穩(wěn)定增加，在2012年，我國的糧食產量達到5億9千多萬噸，比2011年增加1800多萬噸，增長率為3.2%，高居世界第一位，而且我國的糧食儲量連續(xù)多年也遠遠高于國際安全水平。目前我國大部分地區(qū)的糧食存儲仍采用傳統(tǒng)的方式，即在糧倉中安裝的傳感器是銅電阻或熱敏電阻，工作人員需要逐個點進行查看，工作效率很低，實時性差，精確度也比較差，我們知道糧食是很容易長霉菌的，每年我國因糧食發(fā)霉而造成的經濟損失就高達幾千萬，所以，建立起一套準確、快速以及能夠自動監(jiān)測和控制糧倉溫度和濕度的系統(tǒng)對于提高糧倉質量、減少存儲糧食的變質量是十分必要的。

1 模糊PID控制技術的原理和特點

在現代各類工業(yè)生產和工程建設中，比例控制、積分控制和微分控制是應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律，這些技術總稱為模糊PID控制技術，又稱為PID調節(jié)技術。在20世紀四五十年代，PID控制技術就已經問世，經過近70年的發(fā)展和改進，此技術憑借結構簡單、工作穩(wěn)定可靠、工作效率高以及調節(jié)方便等特點，成為各類工業(yè)生產和工程建設最主要的控制技術之一。

在現實生產中，很多被監(jiān)控對象的許多重要參數不能被完全掌握，如果采用傳統(tǒng)的控制技術時，將得不到比較精確的數學模型，不得不憑借經驗或現場調試來確定，這時候傳統(tǒng)的PID控制技術的實用性就會大打折扣，而模糊PID控制技術非常適用于這種情況，當我們不能得到有效的系統(tǒng)參數時，模糊PID控制技術就會根據參數誤差，利用比例、微分和幾份等數學手段計算出控制量，最終將監(jiān)測對象進行合理的調節(jié)控制。模糊PID控制技術的基礎是自然控制規(guī)則和模糊推理，不像傳統(tǒng)控制系統(tǒng)依賴于精確的數學模型。該系統(tǒng)的核心部分是模糊控制器，控制器的設計主要包括函數的確定、編制模糊控制規(guī)則以及反模糊設計。模糊PID控制技術結合了模糊控制器的智能化和PID系統(tǒng)的精確性，最終使控制系統(tǒng)達到最佳效果。

2 模糊PID控制技術的發(fā)展現狀

在20世紀50年代，模糊PID控制技術還處于剛剛起步的階段，經過十多年的發(fā)展，國外出現第一種能夠進行自動進行調節(jié)控制的系統(tǒng)，然而由于它的很多技術還不成熟，可靠性較差，而且由于人類當時電子技術還不發(fā)達，導致該系統(tǒng)的體積龐大，價格昂貴，根本無法滿足市場需求。之后隨著人類計算機和電子技術的飛速發(fā)展，研發(fā)人員利用人工智能方法將之前的很多調控經驗存儲到計算機中，這樣計算機就能根據現場收集到的數據，自動調整各種PID參數，最終大幅度提高了該系統(tǒng)的自動性、快速性以及可靠性。

3 控制糧倉溫度的模糊PID控制系統(tǒng)的介紹

3.1 系統(tǒng)框架

圖1是模糊PID技術在糧倉溫度的監(jiān)控系統(tǒng)框架圖。整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心是單片機AT89C51（應用了模糊PID技術），對糧倉溫度的監(jiān)測是由安置在多個不同地點的溫度傳感器來完成的，然后由多路模擬開關對溫度傳感器監(jiān)測的數據進行采集，經過放大電路后由轉換器接收，最后進入單片機，最后溫度會顯示出來，一旦溫度超出了最初設定的范圍，報警器就會響起，同時通風裝置也會啟動，此套系統(tǒng)可以精確控制糧倉的溫度在某一限定的范圍內變化，從而有效保證被存儲糧食的質量。

圖1

3.2 對系統(tǒng)各個部件的簡單介紹

3.2.1 溫度傳感器

溫度傳感器在該系統(tǒng)中充當著“先鋒”的作用，作為關鍵部件之一，它的精度以及性能的高低將直接關系到整個測控系統(tǒng)的運行效果。目前應用較多的是AD590集成溫度傳感器，它的測溫范圍大概是-50℃到100℃，誤差在±0.3℃左右，完全滿足在糧倉內使用的環(huán)境要求，另外，它的輸出電流和絕對溫度有關，與附加的電阻值無關，而且該型傳感器的輸入和輸出均采用差動的方式，這樣做的目的就是當通信模塊的工作受到干擾時，兩根信號線能夠同時產生干擾電平，這就會平衡對差動輸入的影響，這些設計都使得該型傳感器不會因為傳輸距離太遠等因素產生誤差。

3.2.2 多路模擬開關

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，要求多路模擬開關在接通時兩端的電阻值很小，在斷開的狀態(tài)下電阻很大，并且要求開關反應速度快，工作穩(wěn)定性好以及使用壽命較長，而且要求多段模擬開關對傳輸信號要有很好的線性度，這樣才能減少信號的失真度，保證信號的精確度。目前應用較為廣泛的是CC4051型單八路模擬開關，它由電平位移電路以及帶禁止端的譯碼器組成，CC4051型多段模擬開關真值表如表1所示。

表1

輸入狀態(tài) 導通通道

INH C B A

0 0 0 0 1

0 0 0 1 2

0 0 1 0 3

0 0 1 1 4

0 1 0 0 5

0 1 0 1 6

0 1 1 0 7

0 1 1 1 8

1 ⊕ ⊕ ⊕ 關斷

3.2.3 放大電路

溫度傳感器測得的數據經過轉換得到的電信號往往很小，需要先將這些電信號經過放大處理，集成運算放大器以其簡單的電路和較為方便的調試被應用的較為廣泛。ICL7650型放大器是由Intersil公司利用動態(tài)校零技術制作而成的，另外它還采用了CMOS工藝，具有輸入偏值電流小、增益高、反應快以及性價比高等優(yōu)點，基本特性為：1）低電源電流為2mA，低觸壓為1μV；2）無微調需要的偏移電壓；3）具有時間和溫度的低偏移漂流；4）高增益的CMRR和PSRR為120dB。endprint

3.2.4 A/D轉換器

A/D轉換器也就是模數轉換器，簡稱為ADC，它的功能就是可以將模擬信號轉換為數字信號，即輸入端是一個電壓信號，輸出端是一個模擬信號，但是因為數字信號只是表示一個相對大小，并沒有什么實際意義，所以通常需要一個作為轉換標準的參考模擬量。A/D轉換器的工作順序一般是采樣、保持、量化和編碼四個步驟。

在本文介紹的系統(tǒng)中，我們選用ADC0809型逐次逼近式A/D轉換器，它是帶有8路多路開關和兼容微處理機控制邏輯的組件，由于其內部帶有輸出鎖存器，所以可以直接和單片機連接。它的選擇通道如表2所示。

表2

C B A 選擇的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

3.2.5 單片機

在監(jiān)控糧倉溫度系統(tǒng)中，我們采用AT89C51單片機。它完全兼容MCS-51系列單片機的所有功能，并且本身帶有2K的內存儲器，可以在編程器上實現閃爍式的電擦寫達幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機系統(tǒng)在硬件上具有更加簡單方便等優(yōu)點，具體如下：1）AT89C51單片機是最早期也最典型的產品，低功耗、高性能、采用CHMOS工藝的8位單片機；2）它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與Intel 80C3X單片機完全相同。在應用中可直接替換；3）在AT89C51內部有FLASH程序存儲器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對其編程。編程速度很快，擦除時也無需紫外線，非常方便；4）AT89C5X系列可認為是Intel 80C3X的內核與Atmel FLASH技術的結合體。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。

4 結束語

本文介紹的糧倉溫度測控系統(tǒng)具有結構簡單、調試方便、抗干擾能力強以及可遠距離傳輸等優(yōu)點，具有很強的實用價值。但是我們始終要明白，在任何時候機器是永遠代替不了人的思維，所以我們不能完全盲目的相信機器，因此在現實的工作中，我們更應該認真負責，既應該積極采用高科技手段但又不能對它產生過度依賴性。另外我們的科技工作者們也要不斷努力，創(chuàng)造出更多質量好的產品以滿足我們各行各業(yè)的需求。

參考文獻

[1]付立思，孫曉杰，吳秀華，等.模糊自適應PID控制器在太陽能干燥溫度控制中的應用[J].農業(yè)工程學報，2006，22（7）：217-219.

[2]彭勇剛，韋巍.人工氣候溫箱濕度模糊控制[J].農業(yè)工程學報，2006，22（8）：166-169.

[3]李朝清.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005：38-47.

[4]傅宇，宋長垣，周昭峰.基于單片機的糧食干燥設備溫度控制系統(tǒng)設計[J].糧油加工，2006（8）：74-75.

作者簡介

方威（1987-），男，西安工業(yè)大學電子信息工程學院碩士研究生在讀，研究方向：計算機控制技術。endprint

3.2.4 A/D轉換器

A/D轉換器也就是模數轉換器，簡稱為ADC，它的功能就是可以將模擬信號轉換為數字信號，即輸入端是一個電壓信號，輸出端是一個模擬信號，但是因為數字信號只是表示一個相對大小，并沒有什么實際意義，所以通常需要一個作為轉換標準的參考模擬量。A/D轉換器的工作順序一般是采樣、保持、量化和編碼四個步驟。

在本文介紹的系統(tǒng)中，我們選用ADC0809型逐次逼近式A/D轉換器，它是帶有8路多路開關和兼容微處理機控制邏輯的組件，由于其內部帶有輸出鎖存器，所以可以直接和單片機連接。它的選擇通道如表2所示。

表2

C B A 選擇的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

3.2.5 單片機

在監(jiān)控糧倉溫度系統(tǒng)中，我們采用AT89C51單片機。它完全兼容MCS-51系列單片機的所有功能，并且本身帶有2K的內存儲器，可以在編程器上實現閃爍式的電擦寫達幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機系統(tǒng)在硬件上具有更加簡單方便等優(yōu)點，具體如下：1）AT89C51單片機是最早期也最典型的產品，低功耗、高性能、采用CHMOS工藝的8位單片機；2）它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與Intel 80C3X單片機完全相同。在應用中可直接替換；3）在AT89C51內部有FLASH程序存儲器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對其編程。編程速度很快，擦除時也無需紫外線，非常方便；4）AT89C5X系列可認為是Intel 80C3X的內核與Atmel FLASH技術的結合體。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。

4 結束語

本文介紹的糧倉溫度測控系統(tǒng)具有結構簡單、調試方便、抗干擾能力強以及可遠距離傳輸等優(yōu)點，具有很強的實用價值。但是我們始終要明白，在任何時候機器是永遠代替不了人的思維，所以我們不能完全盲目的相信機器，因此在現實的工作中，我們更應該認真負責，既應該積極采用高科技手段但又不能對它產生過度依賴性。另外我們的科技工作者們也要不斷努力，創(chuàng)造出更多質量好的產品以滿足我們各行各業(yè)的需求。

參考文獻

[1]付立思，孫曉杰，吳秀華，等.模糊自適應PID控制器在太陽能干燥溫度控制中的應用[J].農業(yè)工程學報，2006，22（7）：217-219.

[2]彭勇剛，韋巍.人工氣候溫箱濕度模糊控制[J].農業(yè)工程學報，2006，22（8）：166-169.

[3]李朝清.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005：38-47.

[4]傅宇，宋長垣，周昭峰.基于單片機的糧食干燥設備溫度控制系統(tǒng)設計[J].糧油加工，2006（8）：74-75.

作者簡介

方威（1987-），男，西安工業(yè)大學電子信息工程學院碩士研究生在讀，研究方向：計算機控制技術。endprint

3.2.4 A/D轉換器

A/D轉換器也就是模數轉換器，簡稱為ADC，它的功能就是可以將模擬信號轉換為數字信號，即輸入端是一個電壓信號，輸出端是一個模擬信號，但是因為數字信號只是表示一個相對大小，并沒有什么實際意義，所以通常需要一個作為轉換標準的參考模擬量。A/D轉換器的工作順序一般是采樣、保持、量化和編碼四個步驟。

在本文介紹的系統(tǒng)中，我們選用ADC0809型逐次逼近式A/D轉換器，它是帶有8路多路開關和兼容微處理機控制邏輯的組件，由于其內部帶有輸出鎖存器，所以可以直接和單片機連接。它的選擇通道如表2所示。

表2

C B A 選擇的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

3.2.5 單片機

在監(jiān)控糧倉溫度系統(tǒng)中，我們采用AT89C51單片機。它完全兼容MCS-51系列單片機的所有功能，并且本身帶有2K的內存儲器，可以在編程器上實現閃爍式的電擦寫達幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機系統(tǒng)在硬件上具有更加簡單方便等優(yōu)點，具體如下：1）AT89C51單片機是最早期也最典型的產品，低功耗、高性能、采用CHMOS工藝的8位單片機；2）它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與Intel 80C3X單片機完全相同。在應用中可直接替換；3）在AT89C51內部有FLASH程序存儲器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對其編程。編程速度很快，擦除時也無需紫外線，非常方便；4）AT89C5X系列可認為是Intel 80C3X的內核與Atmel FLASH技術的結合體。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。

4 結束語

本文介紹的糧倉溫度測控系統(tǒng)具有結構簡單、調試方便、抗干擾能力強以及可遠距離傳輸等優(yōu)點，具有很強的實用價值。但是我們始終要明白，在任何時候機器是永遠代替不了人的思維，所以我們不能完全盲目的相信機器，因此在現實的工作中，我們更應該認真負責，既應該積極采用高科技手段但又不能對它產生過度依賴性。另外我們的科技工作者們也要不斷努力，創(chuàng)造出更多質量好的產品以滿足我們各行各業(yè)的需求。

參考文獻

[1]付立思，孫曉杰，吳秀華，等.模糊自適應PID控制器在太陽能干燥溫度控制中的應用[J].農業(yè)工程學報，2006，22（7）：217-219.

[2]彭勇剛，韋巍.人工氣候溫箱濕度模糊控制[J].農業(yè)工程學報，2006，22（8）：166-169.

[3]李朝清.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005：38-47.

[4]傅宇，宋長垣，周昭峰.基于單片機的糧食干燥設備溫度控制系統(tǒng)設計[J].糧油加工，2006（8）：74-75.

作者簡介

方威（1987-），男，西安工業(yè)大學電子信息工程學院碩士研究生在讀，研究方向：計算機控制技術。endprint