智能溫度測控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

宋冬萍

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 江蘇蘇州 215104)

智能溫度測控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

宋冬萍

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 江蘇蘇州 215104)

給出了一種基于模糊自整定PID算法的智能溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。下位機(jī)以AT89S52單片機(jī)為微處理器，通過串口通信將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)，上位機(jī)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過LABVIEW軟件開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)對溫度的顯示和數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、能獲得較高的控制精度，把虛擬儀器與智能溫度控制相結(jié)合，系統(tǒng)操作簡單、界面友好。

溫度測控;模糊自整定PID控制;單片機(jī);LABVIEW

0 引言

溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測量和控制的一個(gè)非常重要的物理量，準(zhǔn)確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。目前溫度測控系統(tǒng)中通常所采用的傳統(tǒng)儀器功能固化，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)要求。隨著科技進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器功能固化單一的局面，因其功能豐富、構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活、處理速度快、可擴(kuò)充性好等優(yōu)勢而將逐步取代傳統(tǒng)儀器，成為測試儀器的主流［1］。同時(shí)，傳統(tǒng)的PID控制難以達(dá)到較高的控制精度，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用于溫控系統(tǒng)。

本文以電烤箱為研究對象，針對電烤箱升溫單向性、大慣性、大滯后的特點(diǎn)，利用現(xiàn)代控制理論與虛擬儀器技術(shù)，將智能控制與傳統(tǒng)控制有機(jī)綜合應(yīng)用，開發(fā)了一套基于模糊自整定PID參數(shù)算法的智能溫度測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分:上位機(jī)為裝有LabVIEW軟件的PC機(jī)，可監(jiān)控多臺下位機(jī);下位機(jī)為單片機(jī)及其外圍電路組成的小系統(tǒng)，其既可與微機(jī)配合構(gòu)成兩級控制系統(tǒng)，也可作為一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，具有較高的靈活性和可靠性。上、下位機(jī)之間通過RS-232C串行口進(jìn)行通信。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，由AT89S52單片機(jī)及其最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測模塊、鍵盤模塊、LED顯示模塊、輸出控制模塊等組成。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

電烤箱的溫度由熱電偶進(jìn)行采集，經(jīng)信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化處理、A/D轉(zhuǎn)換后將檢測的溫度信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量，通過SPI串口送入單片機(jī)，單片機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該溫度一方面經(jīng)LED數(shù)碼顯示器顯示，另一方面與鍵盤給定值進(jìn)行比較，計(jì)算其偏差，通過參數(shù)模糊自整定PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果形成以PWM形式輸出的溫度控制信號，通過過零觸發(fā)光電耦合器件進(jìn)行光電耦合隔離后，通過控制晶閘管的通斷來調(diào)節(jié)電烤箱平均功率的大小，以達(dá)到控制烤箱溫度的目的。

1.1 溫度檢測電路

本系統(tǒng)采用0.75級K型熱電偶作為檢測元件。熱電偶具有測溫范圍寬，測量精度高，高溫下抗氧化抗腐蝕，穩(wěn)定性好，測溫顯示電信號，便于訊號的傳輸和記錄，利于集中檢測和控制等優(yōu)點(diǎn)［2］。

系統(tǒng)選用集信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出等功能于一體的高精度集成芯片MAX6675作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接與單片機(jī)接口，大大簡化了熱電偶測量智能裝置原本復(fù)雜的軟硬件設(shè)計(jì)，減少了溫度控制過程中的不穩(wěn)定因素，保證了測溫的快速、準(zhǔn)確。

1.2 溫度控制電路

電烤箱的溫度控制是通過調(diào)節(jié)電烤箱的輸入電功率來實(shí)現(xiàn)的，采用過零觸發(fā)方式，溫度控制電路組成如圖2所示。本系統(tǒng)中采用MOC3061作為可控硅的驅(qū)動器，它具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，使調(diào)功電路變得非常簡練。經(jīng)軟件分析所得的控制脈沖經(jīng)單片機(jī)的P1.7口送至MOC3061，直接形成驅(qū)動信號，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)。外接 39 Ω電阻和0.01 μF電容組成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞雙向可控硅。

圖2 輸出控制電路

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要完成溫度信號的采集、輸出、顯示、參數(shù)設(shè)置、故障檢測和報(bào)警等功能。

1)主控模塊:主要包括微處理器的初始化、溫度數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際溫度與鍵盤設(shè)定值進(jìn)行比較并通過模糊自整定PID控制算法計(jì)算輸出控制量，流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

2)控制算法子模塊:采用的是參數(shù)模糊自整定PID控制算法，由于模糊控制本身比較復(fù)雜，所以在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了查表法。參數(shù)模糊自整定PID控制算法流程圖如圖4所示。

圖4 模糊自整定PID控制算法流程圖

3)串行通訊中斷子模塊:采用串口中斷方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用LabVIEW，其監(jiān)控界面如圖5所示，主要包括溫度歷史趨勢圖顯示、溫度統(tǒng)計(jì)圖、串口配置、各參數(shù)設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)表顯示、數(shù)據(jù)保存路徑等。系統(tǒng)通過串口對單片機(jī)中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并由LabVIEW開發(fā)軟件平臺對采集的信號進(jìn)行分析與處理，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)存盤，便于隨時(shí)查閱、分析和打印。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控界面

1)密碼驗(yàn)證模塊:對進(jìn)入系統(tǒng)的用戶進(jìn)行安全性檢查，防止非法用戶進(jìn)入系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)密碼驗(yàn)證模塊時(shí)考慮到簡潔、實(shí)用、友好和安全等方面。

2)串行通訊模塊:串口通信功能模塊包括串口初始化模塊、串口讀模塊以及串口寫模塊，通過這些模塊就可以實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的控制。

3)信號處理模塊:本系統(tǒng)采用巴特沃斯濾波器，巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性。

4)越限報(bào)警模塊:當(dāng)溫度超過了環(huán)境或系統(tǒng)所允許的最大最小值時(shí)，程序能實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

3 系統(tǒng)調(diào)試

以WKD-298型電烤箱作為對象，對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試。采用設(shè)計(jì)的模糊自整定PID控制器對電烤箱進(jìn)行溫度控制，溫度初始值以室溫20℃算，當(dāng)設(shè)定溫度為85℃時(shí)，實(shí)測溫度變化曲線如圖6。

圖6 參數(shù)設(shè)置及溫度實(shí)時(shí)變化曲線圖

從圖6上可以看出:系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較短，約200 S;系統(tǒng)超調(diào)量2.41%;靜態(tài)誤差小于2℃，基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，給測試系統(tǒng)加一定量的擾動信號，測試曲線顯示，系統(tǒng)相對擾動時(shí)間較短，能夠有效地抑制干擾，及時(shí)對控制作用進(jìn)行調(diào)整，以更快的速度和更小的偏差進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

本文以電烤箱為控制對象，針對傳統(tǒng)PID控制應(yīng)用在時(shí)滯性和非線性控制對象上難以取得很好的控制效果的現(xiàn)象，探討了將單片機(jī)與虛擬儀器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對電烤箱的參數(shù)模糊自整定PID控制，給出了整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件具體實(shí)現(xiàn)流程，并通過實(shí)驗(yàn)測試證明了該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高。同時(shí)，該系統(tǒng)也能滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中自動控制技術(shù)、單片機(jī)等多門課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)和課程設(shè)計(jì)，減少了使用和維護(hù)費(fèi)用。

［1］陳錫輝，張銀鴻.LABVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:12-18.

［2］馮柏群，祁和義，等.檢測與傳感器技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2008:37-46.

Research and Design of Intelligent Temperature Measurement and Control System

SONG Dong-ping
(Department of Electronics Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China)

This paper presents a way to design the intelligent temperature measurement and control system based on fuzzy self-tuning PID control algorithm.The MCU is the single-chip microprocessor AT89S52,host computer collects the data through serial communication and uses a modular design approach.The display of the temperature and process of date are realized by LABVIEW.The result of the experiment shows that the system operates stably、reliably and the control precision is effectively improved.The system combines the intelligent temperature control system with the virtual instrument.It is simple and has friendly interface.

temperature measurement and control;fuzzy self-tuning PID control;MCU;LABVIEW

TP 273.5

A

1672-2434(2011)04-0019-03

2011-03-25

宋冬萍(1980-)，女，講師，碩士，從事研究方向:電子技術(shù)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)