一種基于BP算法的智能溫控水杯系統設計

王健 唐玲

摘 ?要：文章把神經網絡算法和以往的PID控制技術相結合，開展了智能溫控水杯的系統設計。采用MSP430系列單片機系統并輔以外圍電路作為系統控制核心，同時選用NTC熱敏電阻器作為溫度傳感原件。為了方便用戶看清杯中液體的當前溫度，設計的系統中外裝了OLED顯示屏。據此，用戶可以根據自身的需求來選擇設定不同的溫度，以滿足自身的需求。

關鍵詞：神經網絡算法;智能溫控;MSP430系列單片機

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：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

在常規的溫度控制系統設計過程中，人們常用PID控制器調節溫度。但是現實生活中人們對于飲用水溫總是有著不同需要，比如天冷想喝熱水，天熱更想喝冰水等等。人工神經網絡是對人腦神經系統的模擬而建立的一種運算模型，它由簡單的信息處理單元互相連接組成，能夠接收或者處理信息[1-3]。本文以便攜式設備水杯作為載體，將神經網絡算法與PID控制相結合[4-5]，利用神經網絡算法可以自身學習和加權調整等優點，與PID互補提高控制器的控制精確度。推而廣之，我們的新型智能溫控系統不僅可以嵌入到水杯中[6-7]，還可以適當調整后加載到諸如飲水機、空調等等溫控相關領域之中。

1 智能溫控設計的基本原理

智能溫控水杯設計的基本原理就是誤差反向傳播算法。它的基本原理就是根據反向傳播的誤差會更新權值，進一步的縮小著誤差，圖1可知從輸入層到隱含層再到輸出層，層層反饋，權重更新。

2 系統總體設計方案

本文設計的MCU采用MSP430系列單片機系統輔以外圍電路為控制核心，水杯內部的溫度感應裝置使用NTC（Negative Temperature Coefficient，NTC.負溫度系數很大的半導體材料）熱敏電阻傳感器;以半導體制冷器構成了溫度調控裝置，電源提供電能，OLED顯示屏提供顯示功能。總設計方案如圖2所示。

2.1 單片機MCU的選擇

本文設計的系統選擇了MSP430系列單片機，它是一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式用具中。該MCU結構如圖3所示。

2.2 電源部分

根據本文設計的系統和產品特點，選擇可充電式的小型鋰電池作為MCU和制冷片等元件的供電來源。考慮到本系統需要充電以及給不同部分供給不同電壓，選擇電池充電器IC系列的ADP5090充電管理芯片，該芯片可以方便嵌入水杯這類小型設備之中。支持鋰電池，并且該產品具有恒流/恒壓線性充電特性，其靈活性可讓這些應用在多個系統中正常工作。芯片內部模塊如下圖4所示。

2.3 水杯內外溫度的監測

本文設計的系統溫度控制不僅要能夠設定調節，還要根據外部環境溫度對水溫進行閉環控制，這就決定了傳感器將分為以下兩個部分。

第一部分是測量杯內水溫的內溫傳感器，采用NTC熱敏電阻傳感器。NTC熱敏電阻器的電阻值在不同的溫度下有不同的阻值，一般是負相關關系。并且小巧輕便價格不高而且能夠保持干凈衛生，是非常理想的選擇。

第二部分是用于測量杯外氣溫，使用普通的片式熱敏電阻傳感器，這樣貼于產品表面不會占空間，具有很好隱蔽性，不會影響整體結構。

2.4 加熱制冷系統

本文設計的智能溫控水杯的加熱以及制冷系統是采用了具有帕爾帖效應的半導體制冷的裝置。該裝置最大的優點就是它既能加熱也能制冷。當溫度低于系統的設定值，它的電荷載體就會往低能級的方向運動從而放熱來給水杯里的液體升溫。同理，當溫度過高的時候就會改變電流方向來吸熱制冷。

2.5 顯示模塊

在杯身外嵌入小型OLED顯示屏為用戶顯示時間、溫度、飲水量等信息以及文字提示。采用IIC接口，3.3V供電，小巧輕便易安裝。

3 結束語

本項目的新型智能溫控系統不僅能夠以MCU為核心進行更為精細的智能控制，并且創新地實現加熱制冷雙重功能。解決了傳統熱系統粗糙簡單等弊端和不足，為用戶提供了方便。而且可以據此原理開發出更多的系列產品，有著實際的經濟效益。

參考文獻：

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[3]張學燕，高培金，劉勇.BP神經網絡PID控制器在工業控制系統中的研究與仿真[J].自動化技術與應用，2010，29（5）：9-12.

[4]屈毅，寧鐸，賴展翅.溫室溫度控制系統的神經網絡PID控制[J].農業工程學報，2011，27（2）：307-311.

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[6]朱可欣.基于智能家居的智能溫控器的設計[J].內蒙古科技與經濟，2018，1：104-107.

[7]侯衛周，顧玉宗.一款單片機系統控制的溫控智能水杯設計[J].實驗室研究與探索，2017，36（3）：70-74.