基于單片機(jī)的鍍液溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法淺談

莫中凱

(左江城市學(xué)院，廣西崇左，532200)

1 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

此套鍍液溫度智能控制系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，并采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。這種上下位機(jī)結(jié)構(gòu)能夠兼容單槽電鍍體系和多槽電鍍體系，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍液的溫度控制。兩個(gè)位機(jī)的作用分別是：上位機(jī)作為人機(jī)交互的“傳輸者”，根據(jù)不同的渡槽設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)值區(qū)間，并傳輸?shù)较挛粰C(jī)；而下位機(jī)則作為信息“接受者”和“處理者”，負(fù)責(zé)采集信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)的處理，并輸出調(diào)節(jié)控制信號(hào)。

詳細(xì)地講，該鍍液溫度智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成模塊分別有溫度采集系統(tǒng)、對(duì)比分析控制器系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。三個(gè)模塊負(fù)責(zé)的功能各不相同。三個(gè)模塊之間相互作用的過(guò)程如下：溫度采集系統(tǒng)采集不同鍍槽的鍍液溫度信號(hào)，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，將處理信息傳輸至對(duì)比分析控制器模塊。對(duì)比分析控制器系統(tǒng)則通過(guò)對(duì)比分析采集到的鍍液溫度信號(hào)與預(yù)設(shè)數(shù)值區(qū)間，并輸出控制信號(hào)。溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)則接收控制信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)指令，開動(dòng)或關(guān)閉控制溫度調(diào)節(jié)裝置，使電鍍各個(gè)渡槽內(nèi)的鍍液溫度始終維持在合理區(qū)間，盡量減少能源浪費(fèi)，提升生產(chǎn)效能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集系統(tǒng)

根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)圖可知，采集各個(gè)渡槽內(nèi)的鍍液溫度信息是依靠獨(dú)立設(shè)置的溫度感應(yīng)器。鑒于鍍液溫度具有時(shí)變性、非線性和滯后性等特征，特選用PT100熱敏電阻溫度傳感器（顯示精度0.1℃，溫度采集范圍－200～200℃）。

溫度傳感器采用三線制接法與變送器相連,旨在盡量消除因線路內(nèi)阻造成的測(cè)定誤差。變送器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱信號(hào)，再經(jīng)運(yùn)算放大器逐級(jí)放大傳送至單片機(jī)，由單片機(jī)讀取電壓，通過(guò)換算得到鍍液溫度。

2.2 溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

采集到的鍍液溫度信號(hào)傳送至鍍液溫度調(diào)節(jié)控制模塊，與預(yù)設(shè)鍍液溫度區(qū)間進(jìn)行對(duì)比并作出判斷。根據(jù)判斷結(jié)果，由相應(yīng)引腳傳輸控制信號(hào)。通過(guò)PC817高速光耦進(jìn)行光電隔離，控制繼電器的開通或關(guān)斷，進(jìn)而間接控制溫度調(diào)節(jié)裝置的開啟或關(guān)停，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鍍槽鍍液溫度的調(diào)節(jié)。

2.3 溫度調(diào)節(jié)裝置

溫度調(diào)節(jié)裝置主要有一個(gè)散熱器組成。此裝置連接溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，通過(guò)散熱器內(nèi)部增大與空氣接觸面積，降低鍍液溫度。經(jīng)過(guò)散熱器降溫后的鍍液重新進(jìn)入渡槽，如此反復(fù)循環(huán)，以達(dá)到降低渡槽內(nèi)鍍液溫度穩(wěn)定的目的。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 專家PID控制器

鍍液溫度的時(shí)變性、非線性和滯后性等特征，致使PID參數(shù)對(duì)鍍液溫度控制的整定能力弱化，PID積分項(xiàng)產(chǎn)生非預(yù)期過(guò)控制，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精準(zhǔn)性。由于與鍍液溫度相關(guān)聯(lián)的電鍍過(guò)程參數(shù)和工藝條件較多，很難建立數(shù)學(xué)模型以準(zhǔn)確表征鍍液溫度與其影響因素間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍液溫度的精準(zhǔn)監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在常規(guī) PID控制器中引入專家控制規(guī)則，賦予控制系統(tǒng)自適應(yīng)、快速響應(yīng)與實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等特性。參照經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，依據(jù)當(dāng)前偏差e(t)和變換率Δe（t）對(duì) PID控制參數(shù)予以修正。專家控制規(guī)則具體如下：對(duì)作為控制核心的單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，由初始化進(jìn)入死循環(huán)，實(shí)時(shí)采集不同鍍槽的鍍液溫度信號(hào)，并傳送至專家 PID控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)與預(yù)設(shè)數(shù)值范圍進(jìn)行對(duì)比并作出判斷，對(duì)鍍液溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。如此往復(fù)循環(huán)，直至采集到的實(shí)時(shí)鍍液溫度數(shù)值與預(yù)設(shè)數(shù)值相同，循環(huán)終止。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

主程序先對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行初始化，調(diào)用LCD顯示子程序，然后進(jìn)入鍵盤設(shè)置界面。當(dāng)設(shè)置鍵按下后，開始設(shè)置各點(diǎn)的溫度，如果確認(rèn)鍵按下，則系統(tǒng)開始工作。首先調(diào)用DS18B20初始化子程序，再發(fā)送ROM命令，讀取DS18B20轉(zhuǎn)換的溫度值。當(dāng)讀取的溫度大于設(shè)置的溫度值時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，LCD顯示溫度的實(shí)際值、設(shè)置值、路數(shù)、狀態(tài)。接下來(lái)對(duì)第二、三、四路溫度進(jìn)行采集，處理，顯示。

3.3 仿真

Proteus 軟件來(lái)自LabcenterElectronics公司，基于SPICEF5 仿真引擎的很合電路仿真軟件，是一款含有大量的系統(tǒng)資源、豐富的硬件接口電路，具有強(qiáng)大的調(diào)試功能和軟硬件相結(jié)合的仿真系統(tǒng)。它很好地解決了硬件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試的問(wèn)題，不僅能夠仿真模擬、數(shù)字電路以及模數(shù)混合電路，還能夠仿真基于單片機(jī)的電子系統(tǒng)。

4 控制系統(tǒng)控制過(guò)程

第一步，定義溫度t1,t2為最合適的鍍液工作溫度區(qū)間，其中t1＜t2,。當(dāng)控制系統(tǒng)中的溫度采集系統(tǒng)采集到電鍍內(nèi)部的鍍液溫度低于t1時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)電鍍散熱系統(tǒng)可以滿足散熱需求，不需要控制系統(tǒng)采取下一步操作。

第二步，當(dāng)控制系統(tǒng)中的溫度采集系統(tǒng)采集到電鍍內(nèi)部的鍍液溫度高于t1時(shí)，判斷此時(shí)散熱系統(tǒng)不能滿足散熱需要，需要控制系統(tǒng)進(jìn)一步操作。溫度采集系統(tǒng)將采集的溫度信號(hào)傳輸至對(duì)比分析控制系統(tǒng)，由該系統(tǒng)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔囟日{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，并由該系統(tǒng)作出開啟鍍液溫度調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍液溫度的合理控制。在此過(guò)程中，鍍液溫度始終低于t2。

第三步，當(dāng)控制系統(tǒng)中的溫度采集系統(tǒng)采集到電鍍內(nèi)部的鍍液溫度t2在-5~+3攝氏度區(qū)間內(nèi)時(shí)或者長(zhǎng)時(shí)間在此區(qū)間內(nèi)時(shí)，則依次將溫度信號(hào)發(fā)送到對(duì)比分析控制系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍液溫度的合理控制。