宋冬萍

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院電子工程系 江蘇蘇州 215104)

智能溫度測控系統(tǒng)的研究與設計

宋冬萍

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院電子工程系 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)的設計方法。下位機以AT89S52單片機為微處理器，通過串口通信將下位機采集的數(shù)據(jù)送至上位機，上位機采用模塊化的設計方法，通過LABVIEW軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)對溫度的顯示和數(shù)據(jù)處理。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(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;LABVIEW

0 引言

溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學實驗研究以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個非常重要的物理量，準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)不能適應現(xiàn)代檢測系統(tǒng)要求。隨著科技進步和計算機技術的飛速發(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，傳統(tǒng)的PID控制難以達到較高的控制精度，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等智能控制方法應用于溫控系統(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，利用現(xiàn)代控制理論與虛擬儀器技術，將智能控制與傳統(tǒng)控制有機綜合應用，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)硬件設計

整個系統(tǒng)分為上位機和下位機兩大部分:上位機為裝有LabVIEW軟件的PC機，可監(jiān)控多臺下位機;下位機為單片機及其外圍電路組成的小系統(tǒng)，其既可與微機配合構(gòu)成兩級控制系統(tǒng)，也可作為一個獨立的單片機控制系統(tǒng)，具有較高的靈活性和可靠性。上、下位機之間通過RS-232C串行口進行通信。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，由AT89S52單片機及其最小系統(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行采集，經(jīng)信號放大、冷端補償、線性化處理、A/D轉(zhuǎn)換后將檢測的溫度信號轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量，通過SPI串口送入單片機，單片機軟件對數(shù)據(jù)進行處理，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行比較，計算其偏差，通過參數(shù)模糊自整定PID控制算法進行運算，運算結(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［2］。

系統(tǒng)選用集信號放大、冷端補償、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，直接與單片機接口，大大簡化了熱電偶測量智能裝置原本復雜的軟硬件設計，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、無噪聲等優(yōu)點，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)單片機的P1.7口送至MOC3061，直接形成驅(qū)動信號，控制可控硅的導通與關斷，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 程序設計

2.1 下位機軟件設計

下位機主要完成溫度信號的采集、輸出、顯示、參數(shù)設置、故障檢測和報警等功能。

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，實際溫度與鍵盤設定值進行比較并通過模糊自整定PID控制算法計算輸出控制量，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雜，所以在單片機上實現(xiàn)時采用了查表法。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進行通訊。

2.2 上位機軟件設計

該系統(tǒng)上位機軟件采用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)計圖、串口配置、各參數(shù)設置、溫度數(shù)據(jù)表顯示、數(shù)據(jù)保存路徑等。系統(tǒng)通過串口對單片機中的溫度數(shù)據(jù)進行實時采集，并由LabVIEW開發(fā)軟件平臺對采集的信號進行分析與處理，同時將采集的數(shù)據(jù)存盤，便于隨時查閱、分析和打印。

圖5 上位機監(jiān)控界面

1)密碼驗證模塊:對進入系統(tǒng)的用戶進行安全性檢查，防止非法用戶進入系統(tǒng)。在設計密碼驗證模塊時考慮到簡潔、實用、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現(xiàn)對單片機的控制。

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)越限報警模塊:當溫度超過了環(huán)境或系統(tǒng)所允許的最大最小值時，程序能實現(xiàn)聲光報警。

3 系統(tǒng)調(diào)試

以WKD-298型電烤箱作為對象，對系統(tǒng)性能進行測試。采用設計的模糊自整定PID控制器對電烤箱進行溫度控制，溫度初始值以室溫20℃算，當設定溫度為85℃時，實測溫度變化曲線如圖6。

圖6 參數(shù)設置及溫度實時變化曲線圖

從圖6上可以看出:系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較短，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)設計的要求。

在相同的實驗條件下，當系統(tǒng)進入穩(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)相對擾動時間較短，能夠有效地抑制干擾，及時對控制作用進行調(diào)整，以更快的速度和更小的偏差進入預先設定的穩(wěn)態(tài)工作點。

本文以電烤箱為控制對象，針對傳統(tǒng)PID控制應用在時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，探討了將單片機與虛擬儀器相結(jié)合，實現(xiàn)對電烤箱的參數(shù)模糊自整定PID控制，給出了整個系統(tǒng)的軟硬件具體實現(xiàn)流程，并通過實驗測試證明了該系統(tǒng)響應速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高。同時，該系統(tǒng)也能滿足學校實驗室中自動控制技術、單片機等多門課程的教學實驗、綜合實訓和課程設計，減少了使用和維護費用。

［1］陳錫輝，張銀鴻.LABVIEW 8.20程序設計從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2007:12-18.

［2］馮柏群，祁和義，等.檢測與傳感器技術［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:電子技術應用、計算機輔助教學