一种基于BP算法的智能温控水杯系统设计

王健 唐玲

摘  要：文章把神经网络算法和以往的PID控制技术相结合，开展了智能温控水杯的系统设计。采用MSP430系列单片机系统并辅以外围电路作为系统控制核心，同时选用NTC热敏电阻器作为温度传感原件。为了方便用户看清杯中液体的当前温度，设计的系统中外装了OLED显示屏。据此，用户可以根据自身的需求来选择设定不同的温度，以满足自身的需求。

关键词：神经网络算法;智能温控;MSP430系列单片机

中图分类号：TP277         文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）15-0036-02

Abstract： This paper combines the neural network algorithm with the traditional PID control technology to design an intelligent temperature control water cup system. MSP430 series MCU system and peripheral circuit are used as the core of the system control. NTC thermistor is used as the temperature sensor to change the working state of refrigeration or heating by switching the direction of current. In order to make it easy for users to see the current temperature of the liquid in the cup， the OLED display screen is installed in the designed system. Accordingly， users can choose to set different temperatures according to their own needs.

Keywords： Neural Network Algorithms; intelligent temperature control; MSP430 series single chip microcomputer

引言

在常规的温度控制系统设计过程中，人们常用PID控制器调节温度。但是现实生活中人们对于饮用水温总是有着不同需要，比如天冷想喝热水，天热更想喝冰水等等。人工神经网络是对人脑神经系统的模拟而建立的一种运算模型，它由简单的信息处理单元互相连接组成，能够接收或者处理信息[1-3]。本文以便携式设备水杯作为载体，将神经网络算法与PID控制相结合[4-5]，利用神经网络算法可以自身学习和加权调整等优点，与PID互补提高控制器的控制精确度。推而广之，我们的新型智能温控系统不仅可以嵌入到水杯中[6-7]，还可以适当调整后加载到诸如饮水机、空调等等温控相关领域之中。

1 智能温控设计的基本原理

智能温控水杯设计的基本原理就是误差反向传播算法。它的基本原理就是根据反向传播的误差会更新权值，进一步的缩小着误差，图1可知从输入层到隐含层再到输出层，层层反馈，权重更新。

2 系统总体设计方案

本文设计的MCU采用MSP430系列单片机系统辅以外围电路为控制核心，水杯内部的温度感应装置使用NTC（Negative Temperature Coefficient，NTC.负温度系数很大的半导体材料）热敏电阻传感器;以半导体制冷器构成了温度调控装置，电源提供电能，OLED显示屏提供显示功能。总设计方案如图2所示。

2.1 单片机MCU的选择

本文设计的系统选择了MSP430系列单片机，它是一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式用具中。该MCU结构如图3所示。

2.2 电源部分

根据本文设计的系统和产品特点，选择可充电式的小型锂电池作为MCU和制冷片等元件的供电来源。考虑到本系统需要充电以及给不同部分供给不同电压，选择电池充电器IC系列的ADP5090充电管理芯片，该芯片可以方便嵌入水杯这类小型设备之中。支持锂电池，并且该产品具有恒流/恒压线性充电特性，其灵活性可让这些应用在多个系统中正常工作。芯片内部模块如下图4所示。

2.3 水杯内外温度的监测

本文设计的系统温度控制不仅要能够设定调节，还要根据外部环境温度对水温进行闭环控制，这就决定了传感器将分为以下两个部分。

第一部分是測量杯内水温的内温传感器，采用NTC热敏电阻传感器。NTC热敏电阻器的电阻值在不同的温度下有不同的阻值，一般是负相关关系。并且小巧轻便价格不高而且能够保持干净卫生，是非常理想的选择。

第二部分是用于测量杯外气温，使用普通的片式热敏电阻传感器，这样贴于产品表面不会占空间，具有很好隐蔽性，不会影响整体结构。

2.4 加热制冷系统

本文设计的智能温控水杯的加热以及制冷系统是采用了具有帕尔帖效应的半导体制冷的装置。该装置最大的优点就是它既能加热也能制冷。当温度低于系统的设定值，它的电荷载体就会往低能级的方向运动从而放热来给水杯里的液体升温。同理，当温度过高的时候就会改变电流方向来吸热制冷。

2.5 显示模块

在杯身外嵌入小型OLED显示屏为用户显示时间、温度、饮水量等信息以及文字提示。采用IIC接口，3.3V供电，小巧轻便易安装。

3 结束语

本项目的新型智能温控系统不仅能够以MCU为核心进行更为精细的智能控制，并且创新地实现加热制冷双重功能。解决了传统热系统粗糙简单等弊端和不足，为用户提供了方便。而且可以据此原理开发出更多的系列产品，有着实际的经济效益。

参考文献：

[1]舒怀林.基于PID神经网络的非线性时变系统辨识[J].自动化学报，2002，28（3）：474-476.

[2]涂川川，朱凤武，李铁.BP神经网络PID控制器在温室温度控制中的研究[J].中国农机化，2012，240（2）：151-155.

[3]张学燕，高培金，刘勇.BP神经网络PID控制器在工业控制系统中的研究与仿真[J].自动化技术与应用，2010，29（5）：9-12.

[4]屈毅，宁铎，赖展翅.温室温度控制系统的神经网络PID控制[J].农业工程学报，2011，27（2）：307-311.

[5]李翔宇，杨亚男，任珍珍.基于Arduino的便携式智能温控冲奶器创新设计[J].科技创新与应用，2018，21：40-41.

[6]朱可欣.基于智能家居的智能温控器的设计[J].内蒙古科技与经济，2018，1：104-107.

[7]侯卫周，顾玉宗.一款单片机系统控制的温控智能水杯设计[J].实验室研究与探索，2017，36（3）：70-74.