智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊曉光， 王一桐

（1.中國(guó)電子科學(xué)研究院， 北京 100041；2.首都信息股份有限公司， 北京 100032）

引言

食品烘烤機(jī)已成為很多家庭必不可少的廚房設(shè)備之一，溫度的精確控制對(duì)烘烤食品的味道和口感有著很大影響。隨著科技的發(fā)展，智能家居、智能控制等概念已經(jīng)融入到人們的生活。將智能溫度控制技術(shù)引入到廚房，利用智能化技術(shù)來(lái)降低食品制作的難度，減少家務(wù)，增加休閑與娛樂(lè)的時(shí)間，已成為一種潮流[1]。本文利用單片機(jī)作為主控制器來(lái)設(shè)計(jì)食品烘烤機(jī)的智能溫控系統(tǒng)，相較于以FPGA、PLC作主控器的系統(tǒng)方案來(lái)說(shuō)，本文的方案具有成本低、易于開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

食品烘烤機(jī)智能溫控系統(tǒng)要求滿足如下技術(shù)指標(biāo)：烘烤溫度為180～195℃；控制精度為±5℃。

按照以上指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由五大模塊組成：主控制器模塊、溫度采集模塊、按鍵輸入模塊、顯示模塊和基于PID算法的溫控執(zhí)行模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體框圖

各模塊的硬件選型如下：主控制器選用STC生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，此款單片機(jī)具有高速、低耗和強(qiáng)抗干擾能力的特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，其專用復(fù)位電路是集成的MAX810，有2路PWM和8路高速的10位A/D轉(zhuǎn)換通道。

溫度采集模塊中傳感器選用鉑熱電阻Pt100，其阻值隨著溫度上升而近似勻速增長(zhǎng)。PT100的溫度測(cè)量范圍為-200～850℃，在0℃時(shí)，PT100的阻值為100 Ω，當(dāng)溫度上升到100℃時(shí)，PT100的阻值約為138.5 Ω。PT100熱電阻傳感器在檢測(cè)溫度后產(chǎn)生的信號(hào)為模擬信號(hào)，需要連接AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)檢測(cè)到的溫度實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。在本系統(tǒng)中，PT100熱電阻連接了LM358放大電路，對(duì)所檢測(cè)到的溫度進(jìn)行放大，通過(guò)調(diào)節(jié)放大器內(nèi)部的電阻可實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。PT100熱電阻所檢測(cè)到的溫度經(jīng)過(guò)放大后，讀數(shù)更為準(zhǔn)確。

鍵盤輸入模塊采用1*4矩陣鍵盤，它的主要作用是設(shè)定溫度，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。1*4矩陣鍵盤由1條行線和4條列線組成，分別連接單片機(jī)的5個(gè)引腳。

溫度顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，用來(lái)顯示食品烘烤機(jī)桶內(nèi)的攝氏溫度，LCD1602液晶模塊采用HD44780控制器，HD44780通過(guò)功能強(qiáng)大的指令集來(lái)實(shí)現(xiàn)字符的移動(dòng)、閃爍等功能。它采用+5 V的電壓驅(qū)動(dòng)，工作電流2.0 mA,顯示容量為16×2個(gè)字符,每行可以顯示16個(gè)字符，共顯示兩行，帶背光。

PID溫控模塊中，采用繼電器來(lái)控制加熱設(shè)備。繼電器會(huì)根據(jù)輸入到的信號(hào)而發(fā)生變化，控制電路的斷開(kāi)或者接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)外接設(shè)備的開(kāi)關(guān)作用。繼電器的VCC和GND，分別連接整個(gè)電路的正極和負(fù)極。

電源模塊采用降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596，LM2596芯片擁有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，也可調(diào)節(jié)輸出小于37 V的各種電壓。LM2596芯片的內(nèi)部集成了頻率補(bǔ)償器件和固定頻率發(fā)生器，可產(chǎn)生高達(dá)150 KHZ的開(kāi)關(guān)頻率。

1.2 軟件流程

為了達(dá)到對(duì)烘烤機(jī)桶內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，本系統(tǒng)以單片機(jī)為中央處理器，通過(guò)溫度傳感器對(duì)烘烤機(jī)桶內(nèi)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的信號(hào)傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制顯示，同時(shí)通過(guò)將采集的溫度值與設(shè)定的溫度值相比較，來(lái)向溫控執(zhí)行模塊發(fā)送不同控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能溫控的目的。本設(shè)計(jì)的流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體流程

2 PID控制算法

數(shù)字PID控制可以快速準(zhǔn)確地調(diào)整烘烤機(jī)桶內(nèi)溫度，對(duì)PID參數(shù)的確定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。

2.1 PID控制流程

比例控制是最簡(jiǎn)單的控制算法，也是在實(shí)際中最常用到的手段，但是因其滯后性，會(huì)嚴(yán)重影響控制效果。比如設(shè)定溫度為70℃，當(dāng)只使用比例控制時(shí)，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際溫度在70℃上下一定范圍內(nèi)振蕩的情況。所以在比例控制的基礎(chǔ)上加入了積分控制，積分控制的存在能幫助消除靜態(tài)誤差，達(dá)到準(zhǔn)確控制溫度的目的。但與此同時(shí)也帶來(lái)了一些負(fù)面的影響，會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低。所以又加入了微分項(xiàng)，主要用來(lái)解決系統(tǒng)的響應(yīng)速度。PID控制流程如圖3所示。

比例、積分、微分三種控制各有所長(zhǎng)。比例（P）控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)增益可調(diào)的放大器，它僅對(duì)被調(diào)信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)整，而不影響信號(hào)的相位。當(dāng)P控制的增益增加時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益也會(huì)提高，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差降低，提高了控制精度。P控制的缺點(diǎn)是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而且當(dāng)增益增加時(shí)，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性會(huì)降低。積分（I）控制的優(yōu)點(diǎn)是可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，缺點(diǎn)是控制速度慢，而且可能造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。微分（D）控制的優(yōu)點(diǎn)是控制速度快，缺點(diǎn)是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖3 PID控制流程

實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)需求對(duì)幾種控制律加以組合，一般采用PI、PD或者PID控制。對(duì)于PID系統(tǒng)的調(diào)試，通常遵循以下幾個(gè)步驟：第一步，將I（積分）和（微分）的值設(shè)定為0；第二步，加大P（比例）值，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；第三步，減小P（比例）值，找到振蕩的臨界點(diǎn)；第四步，加大I（積分）值，使它達(dá)到目標(biāo)值；第五步，重新上電，檢查超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時(shí)間是否達(dá)到要求；第六步，如果超調(diào)和振蕩不滿足要求，則增加D（微分）值。為了保證在全工作范圍內(nèi)調(diào)試完的結(jié)果都有效，應(yīng)當(dāng)選擇在最大負(fù)載的情況下進(jìn)行調(diào)試。

2.2 增量式PID控制

增量式PID控制的原理是：通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)量的數(shù)值與預(yù)設(shè)的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，從而得到一個(gè)控制量。

在增量式的控制算法中，求解控制量的公式如下:

由式（1）可以看到，在增量式PID算法中，每次控制增量Δu（t）的計(jì)算僅僅用到3次采樣值，控制算法比較簡(jiǎn)單；由于增量式PID算法的輸出結(jié)果是控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，因此對(duì)機(jī)器故障不敏感，魯棒性好。

系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，利用控制量的增量進(jìn)行加熱器的PID控制。溫度值被采集轉(zhuǎn)換后，被送至PID控制器的輸入端，并與其給定值進(jìn)行比較得到偏差值，然后按照此偏差值以預(yù)先設(shè)定的規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去控制加熱器的開(kāi)度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)溫度值發(fā)生改變，并趨于給定值，達(dá)到控制目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控制器，溫度傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)烘烤機(jī)桶內(nèi)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集；采用液晶顯示屏顯示所測(cè)溫度值；系統(tǒng)中加入PID控制算法，以保證桶內(nèi)溫度達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，并將溫度控制在±5℃。經(jīng)過(guò)對(duì)智能食品烘烤機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的論證，本設(shè)計(jì)方案可行。