基于FPGA的家居智能湿度控制系统Word格式文档下载.docx
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2.2湿度测量7
第三章FPGA的集成9
3.1相应接口9
3.1.1RS232接口简介9
3.2PID运算方法9
3.2.1遇限削弱积分法9
3.2.2积分分离法9
3.2.3有效偏差法10
3.2.4微分先行PID算法10
3.2.4.1比例系数Kp对系统性能的影响10
3.2.4.2积分控制Ti对系统性能的影响10
3.2.4.3微分控制Td对系统性能的影响10
3.3PWM的控制10
第四章去湿与加湿电路11
4.1去湿电路11
4.1.1交流固态继电器11
4.1.2去湿机12
4.2加湿电路12
4.2.1加湿器12
第五章键盘与显示电路14
5.1键盘电路14
5.1.1编码键盘14
5.1.2扫描键盘14
5.1.3键盘扫描程序15
5.2显示电路15
致谢17
参考文献18
XXXXX系智能电子学生姓名:
XXXX
指导老师:
摘要:
为了给人们一个舒适的环境、住宿,温度和湿度就成了人们关注的对象,而目前市场上有家用去湿机和加湿机,可去湿机和加湿机是独立的,没有系统的联系在一起。
绝大部分去湿机和加湿机是用单片机控制的,不但其控制速度、运行的稳定性还有提升的空间。
本书主要采用FPGA作其主控芯片,因其功能强大,运算速度快、稳定性高,极易适合实时性强、精度高的控制领域。
采用先进的PID控制算法实现控制去湿和加湿的功率的自动调节,形成对室内湿度进行监测、分析、控制、改善的一体化智能湿度控制系统,其智能化程度和控制精度都非常高。
关键词:
PID控制算法FPGA湿度控制
BasedontheFPGAhouseholdintelligenthumiditycontrolsystem
Electronicinformationengineeringintelligentelectronic
student'
sname:
XXXx
Teacher:
friendMrXXXx,XXXx
Abstract:
inordertogivepeopleacomfortableenvironment,accommodation,temperature,andhumiditybecametheobjectofattention,andhavehomeonthemarketatpresentQuShiJiandaddwetmachine,canQuShiJiandhumidifyingmachineisindependent,nosystemrelatesintogether.MostoftheQuShiJiandhumidifyingmachineistousesinglechipmicrocomputercontrol,notonlythecontrolspeed,operationstabilityandpromotionspace.ThisbookmainlyadoptsFPGAasthemastercontrolchip,becauseofitspowerful,fastcalculationspeed,highstability,easyforstrongreal-timeproperty,highaccuracycontrolfield.USEStheadvancedPIDcontrolalgorithmtocontrolthemoistureandhumidifyingpowerautomaticadjustment,theformationofindoorhumiditymonitoring,analysisandcontrol,improvetheintegrationofintelligenthumiditycontrolsystem,itsintelligentdegreeandcontrolprecisionisveryhigh.
Keywords:
PIDcontrolalgorithm;
FPGA;
humiditycontrol
引言:
1国内情况
目前市场上有家用去湿机和加湿机,可去湿机和加湿机是独立的,没有系统的联系在一起。
绝大部分去湿机和加湿机是用单片机控制的,不但其控制速度、运行的稳定性还有提升的空间,而且没有形成对室内湿度进行监测、分析、控制、改善的一体化智能控制系统。
在国内家用湿度控制系统主要是以单个去湿机和加湿机独立形式存在,仅仅设置几个档位开关需人工手动调节,没有合二为一构成具有监视、分析、控制等多功能和性能优越的控制系统。
虽然发展有十几年的历史,但是由于没有引起国人和研究者的重视,现阶段还处于初级状态。
总体容量非常有限,远远没有形成规模。
目前,去湿机和加湿机都是单片机控制,在控制速度和稳定性方面还有很大的提升空间。
不能通过实时监测室内湿度反馈给控制系统自动调整去湿或加湿的功率,其实时监控能力差。
最近几年随着国家经济的发展,生活水平的不断提高,国内对湿度调节设备的需求越来越大,人们对其性能要求也越来越高,系统化和高智能化是未来发展的方向。
所以智能化湿度控制系统的潜力和其发展的空间会很广阔。
2国外情况
在国外湿度调节产品已经非常普及,一个很重要的原因是欧美发达国家的消费水平高,湿度对人体健康的伤害认识程度很高。
许多外国公司都有自己的产品,其产品比国内整体上要好。
多数设备也采用微电脑控制。
但是其智能化和系统化程度也不是很高。
其稳定性和控制精度和速度仍有较大的提升空间。
且整个控制模块芯片较多,整体性和功耗以及抗干扰性都比较差。
没有形成SOC(SystemonChip片上系统)系统,更没有形成专用的ASIC控制芯片。
所以发展湿度调节监控的SOC系统是将来的流行技术趋势。
3系统的概括
本书设计的是一台智能化的家居湿度控制系统。
科学研究表明:
当温度在18—25℃时,相对湿度45—65%RH对人最为有利,当系统监测到室内相对湿度高于这个湿度时我们开发的湿度控制系统将自动开启去湿功能。
当系统监测到室内相对湿度低于这个湿度时系统将自动开启加湿功能。
使其相对湿度控制在45-65%RH的范围内。
除此之外,该系统根据用户需要能预设湿度的RH值上限和下限,甚至预设一个恒定的湿度值使其环境达到恒湿状态。
为了能使系统能够达到系统稳定、实时控制强、控制精度和速度高的良好性能。
该控制系统选取利用先进的PID控制算法,根据当前湿度和预设湿度RH值选取合适的PID系数来自动调节加湿和去湿设备的功率来达到系统预期理想的高性能效果。
该系统不但能很好适应家居生活环境的湿度适度控制,还能广泛应用半导体生产车间、纺织生产车间、粮食储存仓库、烤烟箱以及特殊试验室等对湿度要求极其严格的工作环境中。
以智能化、系统化、速度快、稳定性高作为系统主要技术路线。
采用FPGA作其主控芯片,因其功能强大,运算速度快、稳定性高,极易适合实时性强、精度高的控制领域,其智能化程度和控制精度都非常高。
1系统总体分析与设计
1.1系统总体分析
主要是以FPGA为主控芯片,通过FPGA强大的逻辑资源内建PWM模块来实现PID算法控制的。
当前大多湿控系统采用单片机进行控制,由于单片机运算速度比较慢,在处理一些实时性较强的算法时往往显得力不从心,因此对湿度控制要求很高的场合(如半导体器件的湿度控制)是不被广泛应用,而且系统的稳定性和抗干扰能力不强。
而基于FPGA的湿控系统可以很好地解决这些问题。
且利用FPGA的电路可重构,强大的IP核等特性来缩短开发设计周期,形成SOC片上系统。
除此之外,还可以利用EDA强大开发工具的综合能力,能够把FPGA形成的该系统迅速转产出基于PID智能湿控专用ASIC芯片。
1.2系统总体设计
1.2.1系统的硬件总体设计
该湿度控制系统的前级采用HS1100/HS1101(两种电容完全可以互换)湿度传感器。
通过湿度传感器来采集湿度信号并转化为频率与湿度值呈反比的电压方波信号,将得到的数字信号直接送入FPGA处理。
FPGA结合键盘输入信息,利用PID控制算法计算出相应的PID控制系数,再利用PID系数调节PWM波形的占空比来驱动去湿器和加湿器工作,从而实现室内湿度的自动控制,系统总体设计框图如图1所示。
该系统设计采用大屏幕点阵式LCD和人机交互按键,使得系统操作简单快捷,同时LCD还可实时显示测量得到的湿度值,并绘制出坐标图像,统计信息明确直观。
图1系统总体设计框图
1.2.2系统的软件总体设计
该系统充分利用了FPGA的强大功能,将LCD接口电路,键盘接口电路,信号串并行转换电路,以及PID核心算法、PWM信号发生器全部构建在FPGA内部,使得硬件连接简单明了,外部硬件只有3个模块:
湿度信号采集转换模块和去湿、增湿驱动模块和键盘、显示模块。
由于外设相对简单,调试时候相当方便,同时可以方便修改FPGA内部结构对系统的功能进一步修改和扩展,使得系统功能更强大,应用范围更广泛。
整个控制流程在基于NoisII软核微处理器作用下利用嵌入式C语言来完成设计的。
图2为该系统软件设计流程。
图2系统软件设计流程
2湿度采样电路
2.1湿度元件的工作原理与特性
2.1.1湿度元件的工作原理
测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性喷的变化.同接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度:
电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
2.1.2湿度元件的特性
HSlloo/HSllol湿度传感器不需校准的完全互换性,高可靠性和长期稳定性,快速响应时间.专利设计的固态聚合物结构.有顶端接触(HSll00)侧面接触(HSll01)两种封装产品.适用于线性电压输出和颁率输出两种电路,适宜于制造置水线上的自动插件和自功装配过程等。
图3为湿敏电容响应曲线。
图3为湿敏电容响应曲线
2.2湿度测量
HSll00/HSllol电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号,常用两种方法:
一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中,所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数宁信号;
另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号,可直接被计箅机所采集。
频率输出的555测量振荡电路如图4不.集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。
7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路,并将引脚2、6端相连引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。
另外,R3是防止输出短路的保护电阻,R1用于平衡温度系数。
图4振荡电路
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:
首先电源Vcc通过R4、
R2向c充电,经t充电时间后,Ucc达到芯片内比较器的高触发电平,约0.67v,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平,然后通过R2放电,经T放电时间后,Uc下降到比较器的低触发电乎,约0.33Vcc,此时输出引脚3端叉由低电平跃升为高电平。
如此翻来覆去.形成方波输出。
其中,充放电时间为T充电=C(R4+R2)ln2T放电=CR21n2围而.输出的方波频率为
f=1/(‘充电十t放电)=1/[(C(R4+2R2)ln2)】
可见.空气湿度通过555测量振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号.表1给出了其中的一组典型测试值。
表1空气湿度与电压频率的典型值
3FPGA的集成
3.1相应接口
3.1.1RS232接口简介
RS232接口是1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。
该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。
随着设备的不断改进,出现了代替DB25的DB9接口,现在都把RS232接口叫做DB9。
3.1.2RS232定义
*1DCD载波检测
*2RXD接收数据
*3TXD发送数据
*4DTR数据终端准备好
*5SG信号地
*6DSR数据准备好
*7RTS请求发送
*8CTS允许发送
*9RI振铃提示
3.2PID运算方法
3.2.1遇限削弱积分法
一旦控制变量进入饱和区,将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。
具体地说,在计算Ui时,将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围,如果已经超出,那么将根据偏差的符号,判断系统是否在超调区域,由此决定是否将相应偏差计入积分项。
3.2.2积分分离法
在基本PID控制中,当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时,由于此时有较大的偏差,以及系统有惯性和滞后,故在积分项的作用下,往往会产生较大的超调量和长时间的波动。
特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程,这一现象将更严重。
为此可以采用积分分离措施,即偏差较大的时,取消积分作用;
当偏差较小时才将积分作用投入。
另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。
若阈值太大,达不到积分分离的目的,若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区,只进行PD控制,将会出现残差。
离散化公式:
Δu(t)=q0e(t)+q1e(t-1)+q2e(t-2)当|e(t)|≤β时q0=Kp(1+T/Ti+Td/T)q1=-Kp(1+2Td/T)q2=KpTd/T当|e(t)|>β时q0=Kp(1+Td/T)q1=-Kp(1+2Td/T)q2=KpTd/Tu(t)=u(t-1)+Δu(t)
注:
各符号含义如下u(t)控制器的输出值。
e(t);
控制器输入与设定值之间的误差。
Kp比例系数。
Ti积分时间常数。
Td微分时间常数。
(有的地方用"
Kd"
表示)T调节周期。
β积分分离阈值
3.2.3有效偏差法
当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时,控制量实际上只能取边际值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。
因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。
如果实际实现的控制量为U=U(上限值或下限值),则有效偏差可以逆推出,然后,由该值计算积分项
3.2.4微分先行PID算法
当控制系统的给定值发生阶跃时,微分作用将导致输出值大幅度变化,这样不利于生产的稳定操作。
因此在微分项中不考虑给定值,只对被控量(控制器输入值)进行微分。
微分先行PID算法又叫测量值微分PID算法。
3.2.4.1比例系数Kp对系统性能的影响
比例系数加大,使系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差减小。
Kp偏大,振荡次数加多,调节时间加长。
Kp太大时,系统会趋于不稳定。
Kp太小,又会使系统的动作缓慢。
Kp可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。
如果Kc的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远,如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反。
3.2.4.2积分控制Ti对系统性能的影响
积分作用使系统的稳定性下降,Ti小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。
3.2.4.3微分控制Td对系统性能的影响
微分作用可以改善动态特性,Td偏大时,超调量较大,调节时间较短。
Td偏小时,超调量也较大,调节时间也较长。
只有Td合适,才能使超调量较小,减短调节时间。
3.3PWM的控制
脉冲宽度调制(PWM),是英文“PulseWidthModulation”的缩写,简称脉宽调制,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
随着电子技术的发展,出现了多种PWM技术,其中包括:
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等,而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法,它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
4去湿与加湿电路
4.1去湿电路
4.1.1交流固态继电器
固态继电器(SolidStateRelay,缩写SSR)是用分离的电子元器件、集成电路(或芯片)及混合微电路技术结合发展起来的一种具有继电特性的无触点式电子开关。
具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点,可广泛应用于航天、航海、家电、机床、通讯、化工、煤矿等工业自动化等领域。
固态继电器由三部分组成(如下图5):
输入电路、隔离(耦合)和输出电路组成,在输入电路控制端加入信号后,IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态,R1串接电阻对输入信号进行限流,以保证光耦合器不致损坏。
LED发光二极管指示输入端控制信号,VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。
V1在线路中起到交流电压检测作用,使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。
当IC1光敏三极管截止时(控制端无信号输入时),V1通过R2获得基极电流使之饱和导通,从而使SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态,最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。
当IC1光敏三极管导通时(控制端有信号输入时),SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态。
如电源电压经R2与R3分压,A处电压大于过零电压时(VA>VBE1),V1处饱和导通状态,SCR、BTA可控硅都处于关断状态;
如电源电压经R2与R3分压,A处电压小于过零电压时(VA>VBE1)V1处截止状态,SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通,从而使BTA在R6上也获得触发信号也呈导通状态,对负载电源进行关断控制。
如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流IH时可自行关断,切断负载电源。
图5固态继电器
交流过零型固态继电器,因有其电压过零时开启,负载电流过零时关断的特性。
它的最大接通、关断时间是半个电源周期,在负载上可得到一个完整的正弦波形。
也相应的减少了对负载的冲击。
而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。
过零型与随机型的工作波形图6分别见图7
图6过零型固态继电器图7随机型固态继电器
4.1.2去湿机
去湿机是由压缩机、热交换器、风扇、盛水器、机壳及控制器组成,其工作原理是:
由风扇将潮湿空气抽入机内,通过热交换近几年来随着人民的生活水平不断提高,人们的消费观念的更新以及人们对健康认识程度的提高,去湿机正逐步从以前的商用扩展到家用,成为许多家庭不可缺少的现代家电产品之一;
去湿机作为一个与人类健康和生活质量提高息息相关的产业,其市场前景和市场潜力是不言而喻的。
4.2加湿电路
4.2.1加湿器
加湿器(humidifier)是一种增加房间湿度的家用电器。
加湿器可以给指定房间加湿,也可以与锅炉或中央空调系统相连给整栋建筑加湿。
目前市场上的家用加湿器一般采用超声波方式将水雾化,并通过风机将雾化的水汽吹出壳体,从而达到加湿空气的效果,其电气原理图如附图8所示。
市电经过开关电源后,输出两路电压36V和12V。
其中36V供电水汽雾化模块.12V供电风机。
电路中,D1、D2分别是缺水指示灯和工作指示灯;
干簧管为液位检测开关;
RT1为雾气大小调节电位器。
以02为核心及其外围电路为超声波发生电路。
图8加湿器电气原理图
5键盘与显示电路
5.1键盘电路
5.1.1编码键盘
在数字电路中,可以利用编程器实现按键键值的直接编码。
将每个按键的输出信号对应连接到编码器的每个输入端,通过编码逻辑就可以在编码器的输出端得到对应每个按键的码值,早期称这种键盘为编码键盘。
但是,当按键较多时数码逻辑的成本较高,直接编码的方法也不够灵括,一旦编码逻辑固定就难以更改。
在通用键盘上或当按键数量较多时,普遍采用扫描方式产生键值。
将按键连接成矩阵,每个按键位于某行、某列的交点上,如图5-1所示,先通过扫描方式确定按下键的行和列位,即位置码或扫描码。
再查表将位置码转换为按键码值或者直接使用扫描码,有些参考书称此为“非编码键盘”。
但这种名称容易让人误解为没有对应的键值,因此又称为扫描式键盘。
5.1.2扫描键盘
如果执行扫描的过程由硬件逻辑实现,则这种键盘称为硬件扫描键盘或电子扫描式编码键盘如下图9。
在执行键盘扫描时应注意将键在闭合过程中往往会有一些难以避免的机械性抖动,使输出信号也发生抖动,通常达10ms~20ms宽。
若不避开抖动区,则可能误认为多次按键。
因此应该设置硬件延时电路,延迟数十毫秒后才读取键值,这种电路称为去抖电路。
还应注意当前一个键值还未送出又有按键按下时,后边的键值将覆盖前边的键值,从而造成丢失。
通常可以设置一个控制信号,使前一键值送出后才允许产生后一键值,或者设置一组寄存器保存前边若干个键值,等待系统逐个按序处理。
硬件扫描键盘的优点是不需要主机担负扫描任务,仅当产生键值后才向主机发出中断请求,CPU以相应中断方式接收按键键值,或者CPU定时从某个地址获取按键键值。
这种方式大大减轻了CPU的运行负荷,使其有更多的时间段去运行其他应用程序。
图9扫描键盘
5.1.3键盘扫描程序
当然也可以执行键盘扫描程序,由CPU通过软件方法对键盘进行扫描,键盘扫描程序的流程如图10所示。
这种键盘被称为软件扫描键盘。
按键时,键盘向主机提出中断请求,由软件扫描键盘获得按键键值,或者由CPU定期执行键盘扫描程序,从而获得按键键值,这种扫描方法被称为逐行扫描法,当有键按下时首先获得此键的列值,然后逐行扫描就可以判断按键所在的行值,由行、转换
到按键键值。
当然,可以在执行键盘扫描的过程中加入一定的延时,以去除抖动所带来的影响。
现代计算机的通用键盘大多采用这样的键盘扫描方法。
图10键盘扫描程序流程图
5.2显示电路
如下图11是显示
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