孫啟云， 劉清惓， 周 亞， 王 琿

(1. 江蘇省大氣環(huán)境與設備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044；2. 南京信息工程大學 電子與信息工程學院， 南京 210044；3. 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室， 南京 210044)

0 引 言

大氣濕度是氣象探測中一項重要參數(shù)，露點溫度作為濕度定義和計量的標準，準確測量大氣露點溫度尤為重要。冷鏡式露點儀是濕度量值傳遞和國際對比標準儀器[1]。傳統(tǒng)的冷鏡式露點儀雖然有精度高的優(yōu)點，但是價格昂貴，一旦有灰塵等污染物附著在鏡面上就會對反射光形成干擾。當鏡面溫度低于0℃時，難以分辨鏡面是結(jié)霜還是結(jié)露，亦有可能導致測量誤差增大。大部分研究者采用傳統(tǒng)的PID控制算法對露點儀進行控制，當測量環(huán)境變化時，傳統(tǒng)PID控制算法的參數(shù)自適應能力有限，PID控制的響應速率變低，對其性能進一步提高造成了限制[2-3]。隨著微加工技術(shù)的進步，一些國內(nèi)外學者研制了基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的露點儀系統(tǒng)[4]。傳統(tǒng)露點儀中的光源和光電探測系統(tǒng)的成本高昂，且在低溫環(huán)境中響應速度較慢，MEMS傳感器在該領(lǐng)域的應用，不但使儀器的小型化和低成本化成為可能，亦有利于提高傳感器的響應速率和測量精度[5]。

本文提出了一款基于MEMS及BP PID控制算法的露點儀設計，通過檢測MEMS電容芯片及其表面溫度變化，實現(xiàn)露點的測量。采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制算法，提高了傳統(tǒng)PID控制算法參數(shù)的自適應能力及系統(tǒng)響應速率。移植FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、多任務能力和內(nèi)存管理能力。

1 露點儀系統(tǒng)設計

1.1 MEMS露點儀設計原理

露點溫度是指將一個光潔鏡面放置在待測空氣中進行等壓降溫，結(jié)露量保持恒定時的表面溫度[6-7]。本文設計的露點儀，將MEMS傳感器芯片表面的電容器件作為檢測微小露珠的鏡面，根據(jù)電容變化判定其表面是否有露形成。測量前，對電容進行標定。當鏡面溫度降低到露點溫度時，鏡面的水汽達到飽和狀態(tài)，MEMS電容芯片表面有微小的露珠凝結(jié)[8]，從而引起相對介電常數(shù)增加，此時測量MEMS電容值，當其穩(wěn)定在系統(tǒng)預設電容值時，其表面溫度即為露點溫度[9]。通過算法控制半導體制冷器，使電容的測量值實時跟蹤預設值，并使鏡面上的結(jié)露量保持動態(tài)平衡。MEMS電容芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 MEMS電容芯片結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 高精度測控電路設計

系統(tǒng)測控電路主要包括處理器、電容測量電路、溫度測量電路及制冷器溫度控制電路。選用Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器作為主控芯片，其具有功耗低、中斷延遲短、成本低、處理性強等優(yōu)點，滿足系統(tǒng)設計中數(shù)字信號采集、轉(zhuǎn)換等需求。系統(tǒng)測控電路設計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)測控電路設計框圖

使用由實驗室自主研制的MEMS電容芯片作為傳感器探頭，其具有體積小、功耗低、成本低、高精度等特點[10]。選用AD7746作為電容測量芯片，AD7746作為一款Σ-Δ型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，噪聲低，具有±0.01%的線性度，±4 fF的精度，4 aF的分辨率，可以精確檢測到MEMS電容。當電容測量值穩(wěn)定在預設值時，認為此時已達到露點溫度，可進行溫度測量。

為實現(xiàn)溫度的高精度測量，使用鉑電阻溫度傳感器采集溫度。采用四線制鉑電阻傳感器的連接方式，有利于降低引線以及接線誤差[11]。使用Fluke 1595A超級測溫電橋與ISOTECH干體爐進行鉑電阻溫度傳感器標定。選用Vishay公司研制的Z型金屬箔精密電阻，并使用超級測溫電橋?qū)ζ溥M行阻值標定，減少普通電阻因溫度、電流變換而引起的阻值誤差。采用24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794測量鉑電阻及參考電阻兩端的電壓，并將數(shù)據(jù)傳輸給處理器進行數(shù)據(jù)處理，并采用線性電源LP2951供電。為減少內(nèi)部基準電壓源產(chǎn)生溫漂而帶來的系統(tǒng)誤差，使用ADR444作為A/D采樣的基準源，提高系統(tǒng)精度。

為使電容表面結(jié)露量保持動態(tài)平衡，采用多級半導體制冷器控制電容表面溫度。使用微控制器產(chǎn)生PWM波，通過調(diào)節(jié)其占空比控制半導體制冷器功率開關(guān)的MOS管的通斷。采用光耦連接處理器的輸出和功率開關(guān)，可有效減少電流高頻分量對處理器以及測量電路的影響[12]。為保證半導體制冷器的制冷效果，在其背面安裝散熱器。

為降低系統(tǒng)誤差，提高測量精度，在PCB布局設計中，將數(shù)字部分與模擬部分獨立分區(qū)布局與鋪地，并使用磁珠進行耦合，減少處理器與通訊芯片中高頻噪聲對測量電路的影響。在電源電路中引入去耦、濾波電容消除電源雜波干擾。露點儀測控電路實物圖如圖3所示。

圖3 露點儀測控電路實物圖

1.3 系統(tǒng)軟件設計

利用處理器與24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器之間I2C通信測量MEMS電容，使用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制算法控制半導體制冷器的輸出功率，實現(xiàn)電容芯片表面溫度控制。當電容測量值穩(wěn)定在系統(tǒng)預設值時，利用處理器與24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間SPI通信測量鉑電阻兩端電壓，通過轉(zhuǎn)換得到鉑電阻阻值，最終計算得出露點溫度，并由串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機進行數(shù)據(jù)顯示。處理器需完成多通道ADC數(shù)據(jù)測量、數(shù)學計算、上位機通訊等工作，任務量大,實時性要求高。FreeRTOS作為一款內(nèi)核較小但功能齊全的操作系統(tǒng)，可方便移植，無任務數(shù)量限制，通過移植FreeRTOS操作系統(tǒng)提高了本系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性[13]。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設計流程圖

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制算法設計

為提高傳統(tǒng)PID控制算法參數(shù)的自適應能力及系統(tǒng)響應速率，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法應用于PID的參數(shù)識別過程，設計基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制算法[14]。設計中采用增量式離散PID算法[15]

Kd(e(k)-e(k-1))

(1)

式中：Kp、Ki、Kd分別為控制器的比例、積分和微分系數(shù)；e(k)、e(k-1)指采集到的第k次和第k-1次時電容值與預設電容值的差值；u(k)、u(k-1)指在第k次和第k-1次采集時接入半導體制冷器的輸入電壓。在此基礎(chǔ)上加入BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型通過訓練和學習找出一個最佳控制算法規(guī)律，實現(xiàn)Kp、Ki、Kd實時可調(diào)。

本文建立如圖5的3層神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，確定網(wǎng)絡輸入層、隱含層、輸出層的神經(jīng)元個數(shù)分別為4、20、3。隱含層與輸出層的權(quán)值函數(shù)分別為vij、wli。將測量得到的電容差值作為輸入層的輸入，

Oj=ej,j=1,2,3,4

(2)

隱含層的輸入輸出分別為：

輸出層的輸入輸出分別為：

圖5 3層神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

隱含層神經(jīng)元活化函數(shù)f(x)為正負對稱的sigmoid函數(shù)，由于PID的3個參數(shù)非負，所以輸出層神經(jīng)元活化函數(shù)g(x)為非負的sigmoid函數(shù)[16]。輸出層的3個結(jié)果輸出分別對應PID算法中的3個參數(shù)。為提高PID參數(shù)的自適應能力，需進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法學習，采用梯度下降法調(diào)整隱含層和輸出層的權(quán)值系數(shù)。經(jīng)過多次試驗，本文選定學習速率η為0.48，慣性系數(shù)α為0.001。系統(tǒng)指標函數(shù)為：

(7)

式中:r(k)是系統(tǒng)電容預設值;y(k)是電容實時采集值。利用指標函數(shù)E(k)對權(quán)系數(shù)按照負梯度方向進行搜索調(diào)整，可得網(wǎng)絡輸出層權(quán)系數(shù)的學習算法公式

隱含層權(quán)系數(shù)的學習算法計算公式:

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制算法可在控制過程中根據(jù)預設平衡條件，不停地控制制冷器的工作功率，提升系統(tǒng)的響應速率，使MEMS電容可實時跟蹤系統(tǒng)預設值，維持其表面結(jié)露量的動態(tài)平衡?？刂扑惴ㄔO計流程圖如圖6所示。

圖6 控制算法設計流程圖

3 對比實驗與結(jié)果分析

為驗證系統(tǒng)的實際性能，測試環(huán)境使用偉思福奇環(huán)境試驗儀器有限公司生產(chǎn)的溫濕度檢定箱。選取英國Michell公司生產(chǎn)的OPTIDEW VISION計量級冷鏡式露點儀進行對比試驗。將計量級冷鏡式露點儀測得的露點溫度記為dp0，本系統(tǒng)測得的露點溫度記為dp1，得到如表1的數(shù)據(jù)。

表1 OPTIDEW VISION光電露點儀與本系統(tǒng)露點儀擬合測量結(jié)果對比 ℃

將計量級冷鏡式露點儀測得的露點溫度與本系統(tǒng)測得的露點溫度之間的誤差值繪制如圖7所示的折線圖。對比測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的測量精度為±0.2 ℃，計算可得本系統(tǒng)均方根誤差為0.12 ℃。

4 結(jié) 語

圖7 露點溫度誤差折線圖

本文提出了一種基于MEMS電容芯片及BP PID控制算法的露點儀。采用MEMS技術(shù)設計露點傳感器探頭，使用24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器測量MEMS電容。結(jié)合基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制算法設計了半導體制冷器控制電路，提高了參數(shù)的自適應能力，使電容測量值可實時跟蹤系統(tǒng)預設值。設計基于24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的鉑電阻溫度傳感器，經(jīng)轉(zhuǎn)換計算得出最終露點。系統(tǒng)中移植FreeRTOS操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及多任務的工作效率。對比實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)測量精度優(yōu)于±0.2 ℃，未來有望應用于高空與地面氣象探測。