趙海霞 王少豪 尹 權(quán) 付天帥

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)雞類產(chǎn)品的需求也越來越多，但是現(xiàn)有養(yǎng)雞場(chǎng)的添加混合供水操作方法明顯不適用于大規(guī)模的現(xiàn)代化養(yǎng)殖，添加劑、水的添加都需要相關(guān)工作人員親力親為，隨著小雞的長大及夏季的來到，水的消耗量會(huì)迅速增加，這就需要專門的工作人員進(jìn)行此項(xiàng)工作，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度被極大的增加，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為了減少這類情況的發(fā)生，本設(shè)計(jì)以STC89C52RC 單片機(jī)為控制核心，多個(gè)輔助單元為支撐通過多學(xué)科融合設(shè)計(jì)了一種基于的智能混合液體系統(tǒng)，該系統(tǒng)用流量傳感器來檢測(cè)注入混合罐水和添加劑的含量，來確保注入水和添加劑含量的精度，使用液位傳感器來檢測(cè)液位，當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到混合液降至指定液位時(shí)，重新向混合罐內(nèi)注水并循環(huán)以上過程。當(dāng)添加劑不足時(shí)蜂鳴器響，報(bào)警系統(tǒng)工作。以上過程都由傳感器全程監(jiān)測(cè)并在LCD1602上顯示，可以讓用戶清晰地知道注入水和添加劑的含量。

2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包括軟件和硬件兩個(gè)部分，軟件中以Keil uVision4 的51 版本進(jìn)行編程，硬件中STC89C52RC 單片機(jī)為控制核心，此外還要有多個(gè)檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊以及人機(jī)交互系統(tǒng)，由軟硬件之間協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)液體混合。檢測(cè)模塊主要由液位檢測(cè)模塊、流量檢測(cè)模塊兩個(gè)部分，執(zhí)行模塊由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電磁閥組成，輸出模塊由顯示裝置和報(bào)警裝置組成。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框架圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

電源是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障，是模塊平穩(wěn)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，在本系統(tǒng)中的控制模塊和檢測(cè)模塊的工作電壓為5V 直流電，而生活電壓一般為220V 交流電。因此首先我們需要將220VAC 處理為5VDC，主要通過降壓、橋式整流、電容濾波、穩(wěn)壓等一系列方式達(dá)到目的。具體電路圖如圖2所示［1］。

圖2 電源電路圖

3.2 單片機(jī)控制模塊

根據(jù)本系統(tǒng)的需要，選用STC89C52RC 微控制器為本系統(tǒng)的控制核心，STC89C52RC 是一款具有高性能、低功耗且具有8K 字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器，操作簡單方便快捷，適用于本系統(tǒng)的控制工作。單片機(jī)控制電路如圖3所示［2］。

圖3 STC89C52控制電路

3.3 流量檢測(cè)模塊

在本設(shè)備中我們需要將水和添加劑按照一定的比例混合，因此我們需要流量檢測(cè)模塊對(duì)所需添加的水和添加劑和含量進(jìn)行檢測(cè)。本設(shè)計(jì)選用液體渦輪流量計(jì)，本流量計(jì)可以用來測(cè)量水油等各種液體體積流量，并且具有小、輕、精的特點(diǎn)。此外還可以搭配定量控制箱，通過流量計(jì)通過流量計(jì)提供流量信號(hào)給單片機(jī)控制模塊，在單片機(jī)中設(shè)定需要的定量值，當(dāng)注入水的含量達(dá)到設(shè)定的液位高度時(shí)，注水電磁閥關(guān)閉注入添加劑的電磁閥開啟，到達(dá)水和添加劑設(shè)定比例時(shí)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥。

3.4 液位檢測(cè)模塊

在本設(shè)備中需要往混合罐中添加的主體有兩個(gè)，并且需要按照比例進(jìn)行混合，只有一個(gè)流量傳感器控制流量，在流量傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流量無法控制的尷尬場(chǎng)景，因此本設(shè)計(jì)采用液位檢測(cè)傳感器進(jìn)行容錯(cuò)，限制設(shè)置注入水的最高液位和混合液的最高液位，即使流量傳感器出現(xiàn)故障也可以最大程度地保障水和添加劑的比例混合，由于是容錯(cuò)裝置，所以精度不需要很高，在本設(shè)計(jì)中選用較為傳統(tǒng)的電阻式液位傳感器，這種傳感器價(jià)格較低，精度方面也可以滿足需要。該傳感器的輸出電壓在0~5V之間隨著液位高度的變化而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓波動(dòng)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器的輸出電壓判斷出相應(yīng)的液位高度［3］，當(dāng)注入水的含量達(dá)到設(shè)定的液位高度時(shí)，注水電磁閥關(guān)閉，注添加劑的電磁閥開啟，到達(dá)水和添加劑設(shè)定比例時(shí)電磁閥關(guān)閉。

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)備要求使水與添加劑完全攪拌混合，因此在混合罐內(nèi)設(shè)置的攪拌機(jī)用于使液體充分混合，在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)水裝置以及攪拌器都需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般來講定量控制液體進(jìn)入混合罐中伺服電機(jī)是最好的選擇，但是本著節(jié)約成本的原則，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)和L293D 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)［4］可以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。

3.6 輸出模塊

輸出模塊部分由報(bào)警裝置和顯示裝置兩部分組成，本設(shè)計(jì)采用LCD1602 液晶進(jìn)行人機(jī)交互界面的顯示控制，它是一款點(diǎn)陣型液晶模塊［5］。在電子表、汽車、空調(diào)等電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可以將混合罐中的液位信息、注水和添加劑的流量信息如數(shù)反映在液晶顯示屏上，可以更加直觀地觀察到設(shè)備的工作狀態(tài)。報(bào)警裝置提供報(bào)警功能，在傳感器出現(xiàn)故障以及添加劑液位不足時(shí)報(bào)警，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。液晶顯示電路原理圖如圖4 所示［6］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的編程軟件為Keil uVision4 的51版本［7~8］，該程序可以在線仿真調(diào)試，能夠方便快捷地編寫所需程序。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

對(duì)程序進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，然后由儲(chǔ)水罐向混合罐內(nèi)注水，此時(shí)流量檢測(cè)模塊開始工作，檢測(cè)注入混合罐水的流量數(shù)據(jù)，流量傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后傳遞給單片機(jī)STC89C53RC 并實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，當(dāng)達(dá)到指定水流量時(shí)停止水的注入，并開始向混合罐內(nèi)加入添加劑，當(dāng)達(dá)到添加劑所需容量時(shí)，停止注入添加劑，啟動(dòng)攪拌電機(jī)使混合液攪拌均勻，然后輸送到各個(gè)雞舍，當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到混合液降至指定液位時(shí)，重新向混合罐內(nèi)注水并循環(huán)以上過程。當(dāng)添加劑不足時(shí)蜂鳴器響，報(bào)警系統(tǒng)工作。以上過程都由傳感器全程監(jiān)測(cè)并在LCD1602上顯示，可以讓用戶清晰地知道注入水和添加劑的含量。

此外，該設(shè)備還用到定時(shí)器中斷功能，混合罐需要每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次清洗，保持混合罐的清潔以保證混合精度以及小雞的健康。

5 供水系統(tǒng)控制

在本設(shè)計(jì)中，在往混合罐中注水和添加劑的過程中，電磁閥的出水口為非線性狀態(tài)，并且在檢測(cè)液位的過程會(huì)有較大的滯后性，在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立時(shí)，必然后帶來精確度不足［9］的缺陷，為了減少甚至消除這種滯后性帶來的影響，需要選擇合適的算法。傳統(tǒng)意義上的PID 調(diào)控算法有很好的可靠性和魯棒性，但缺點(diǎn)也很明顯具有很大的超調(diào)量值，所以我們?yōu)榱颂岣吖┧到y(tǒng)的控制精度，點(diǎn)這里采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID進(jìn)行禽舍液體混合控制。

5.1 PID控制系統(tǒng)

對(duì)比例控制方法而言，傳統(tǒng)PID 算法是最為簡易也是最為常見的的一種控制算法，其控制原理如圖6所示。

圖6 PID控制原理圖

上圖中，c(t)-輸出響應(yīng)；s(t)-輸入信號(hào)；并引入負(fù)反饋和輸入信號(hào)。PID是由比例（P）、積分（I）、微分（D）所構(gòu)成的控制器，該P(yáng)ID 控制器為線性操控，依據(jù)r（t）和y（t）來搭建偏差e（t）的表達(dá)式，即

將t時(shí)刻的實(shí)際輸出值與設(shè)定值的偏差e（t）輸入這三個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算可以得到控制量p（t），即：

其中，Kp為比例放大系數(shù)，TI為積分時(shí)間，TD為微分時(shí)間。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，儲(chǔ)料罐中混合液的液位處于一個(gè)波動(dòng)變化的狀態(tài)，所以我們需要對(duì)液位的高度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并把所采集的信息送入PID控制臺(tái)，然后根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來運(yùn)算，所以要對(duì)控制量p（t）進(jìn)行離散化處理［10］。處理之后的表達(dá)式為：

5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和PID 算法相結(jié)合，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是模仿人大腦思維方法的數(shù)學(xué)模型，因此需要通過對(duì)樣本值加以訓(xùn)練與掌握進(jìn)而能夠適應(yīng)環(huán)境的改變，而對(duì)本系統(tǒng)而言，我們也可以將注水裝置設(shè)備作為一個(gè)輸出層，直接由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出的電壓值作為樣本加以練習(xí)。得到最佳的控制樣本，對(duì)PID 控制算法的P、I、D 三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制原理框圖

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程如下［15~16］：

設(shè)輸入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

輸出層表達(dá)式為

這里三個(gè)輸出分量分別對(duì)應(yīng)于PID 控制算法中三個(gè)可調(diào)節(jié)控制參數(shù)，即：

輸出層激活函數(shù)為

性能指標(biāo)函數(shù)為

由此可得輸出的訓(xùn)練算法為

其中：

這樣，就可以完成對(duì)該系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的訓(xùn)練，使其能夠適應(yīng)液位變化情況，從而達(dá)到更高的控制精度。

6 結(jié)語

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，運(yùn)用STC89C52 作為本設(shè)計(jì)的控制單元，并且運(yùn)用傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)和控制單元的對(duì)接，更好地實(shí)現(xiàn)了智能化控制，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法，使得進(jìn)水裝置控制精度和抗干擾性都有了很大的提高。確保所需添加的水和添加劑達(dá)到預(yù)期的含量，在家禽養(yǎng)殖生長飲用水的添加上具有廣泛的前景和實(shí)用性。