王振帥　陳明　李超超

摘要：針對(duì)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)類儀器儀表需對(duì)參與反應(yīng)的混合溶液進(jìn)行恒溫控制的需求，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室水溫控制系統(tǒng)。該水溫控制系統(tǒng)以DS18b20傳感器為溫度測(cè)量工具，51單片機(jī)為處理器，LabVIEW語(yǔ)言為上位機(jī)設(shè)計(jì)語(yǔ)言。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的溫度控制效果，可快速確定當(dāng)前環(huán)境下的P、I、D參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的整定。系統(tǒng)充分發(fā)揮了上位機(jī)和下位機(jī)的優(yōu)勢(shì)，可觀測(cè)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)結(jié)果，便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，相比傳統(tǒng)的單片機(jī)控制更加簡(jiǎn)便高效。

關(guān)鍵詞：恒溫控制；LabVIEW語(yǔ)言；參數(shù)整定；實(shí)時(shí)采集

DOIDOI：10.11907/rjdk.172447

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）003013903

英文摘要Abstract：Aiming at the chemical instrumetation which need thermostatical control for reactions in the lab，designed Laboratory water temperature control system.This control system take DS18b20 sensor as temperature measurement tool，51 singlechip as processor，LabVIEW as the upper monitor designed language.Multiple experiment results showed the designed temperature control system achieved expected temperature control effect，at the same time， it is able to confirm P、I、D parameters suitable for current environment，realized parameters setting.This designed system makes full use of advantages of the upper monitor and the lower monitor， it is able to collect real data results， it is convenient for results analysis ，more simple and efficient than traditional singlechip.

英文關(guān)鍵詞Key Words：thermostatical control； LabVIEW language； parameters setting； realtime collect

0引言

溫度控制在日常生活中應(yīng)用廣泛，分類較多，控制方法不盡相同，其中以PID控制法最為常見。PID控制具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般是將PID算法寫入MCU中，通過按鍵調(diào)節(jié)PID參數(shù)來改變控制效果，步驟繁瑣、耗時(shí)耗力，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員完成。本系統(tǒng)將PID算法集成在LabVIEW上位機(jī)中，簡(jiǎn)單高效；實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示在前端界面，直觀形象；通過設(shè)置不同參數(shù)得到相互間的溫度對(duì)比曲線，初步實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的整定。MCU（下位機(jī)）經(jīng)溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過USB串口傳輸至上位機(jī)。系統(tǒng)將上位機(jī)的“指揮”作用和下位機(jī)的“執(zhí)行”作用結(jié)合起來，充分發(fā)揮了上、下位機(jī)的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1溫度數(shù)據(jù)采集

1.1MCU溫度數(shù)據(jù)獲取

采用DS18b20數(shù)字溫度傳感器測(cè)量水溫。該傳感器具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)[1]。DS18B20采用一根I/O總線讀寫數(shù)據(jù)[2]，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，使用方便。外部供電模式下單只DS18b20電路連接如圖2所示。

DS18b20對(duì)讀寫數(shù)據(jù)位有嚴(yán)格的時(shí)序要求[3]，完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個(gè)步驟，每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定操作。MCU代碼實(shí)現(xiàn)如下：

void ReadTemperature（）

{

Initial_DS18B20（）；

writechar（0xcc）；

writechar（0x44）；

delay（125）；

Initial_DS18B20（）；

writechar（0xcc）；

writechar（0xbe）；

tempL=ReadOneChar（）；

tempH=ReadOneChar（）；

zheng=tempL/16+tempH*16；

xiaoshu1=（tempL&0x0f）*10/16；

xiaoshu2=（tempH&0x0f）*100/16%10；

xiaoshu=xiaoshu1*10+xiaoshu2；

}

1.2上位機(jī)數(shù)據(jù)獲取

MCU啟動(dòng)后，程序初始化，然后“被動(dòng)”地等待來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集命令。當(dāng)上位機(jī)向MCU發(fā)送指令時(shí)，程序產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷函數(shù)中判斷所接收的指令是否為數(shù)據(jù)采集指令。若是，MCU啟動(dòng)溫度采集程序，從溫度傳感器讀取當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后通過USB串口將結(jié)果傳送至上位機(jī)；若中斷指令不是采集指令，則跳出中斷或執(zhí)行其它操作，數(shù)據(jù)采集周期完成，其過程如圖3所示。

2PID算法設(shè)計(jì)

PID控制即比例、積分、微分控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[4]。PID控制核心是PID算法設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中先將PID模擬控制規(guī)律離散化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字控制規(guī)律，然后通過編程完成。

如圖4所示，模擬PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式[5]為

u（t）=Kp[e（t）+1Ti∫t0e（τ）dτ+Tdde（t）dt]（1）

式（1）中，e（t）為系統(tǒng)偏差量，e（t）= r（t）- c（t），Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。將式（1）進(jìn)行離散化，可作如下近似處理：

u（t）=u（k）

e（t）=e（k）

∫t0e（t）dt≈∑kj=0Te（j）

de（t）dt≈e（k）-e（k-1）T

其中：T為采樣時(shí)間，K為序號(hào)。替換后得到數(shù)字型PID算法：

u（k）=Kp[e（k）+TTi∑kj=0e（j）+Tde（k）-e（k-1）T]（2）

式（2）整理變形得：

u（k）=Kpe（k）+Ki∑kj=0e（j）+Kd[e（k）-e（k-1）]（3）

式（3）中，Ki=Kp/Ti，Kd=KpTd/T

式（3）所示的數(shù)字型PID算法軟件實(shí)現(xiàn)流程[6]如圖5所示。

基于LabVIEW的PID算法程序如圖6所示。

3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)，使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，程序是框圖形式[7]。

本系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)，前面板溫度顯示采用XY圖和溫度顯示控件，可直觀顯示溫度當(dāng)前值和溫度變化曲線[8]。前面板如圖7所示，功能分別為串口選擇、溫度和采集點(diǎn)數(shù)設(shè)置、PID參數(shù)設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)、圖形保存等。后面板主要實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)控制，包括溫度采集命令、帕爾貼加熱和停止加熱命令、PID算法等。后面板程序?qū)崿F(xiàn)[9]如圖8所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1溫度控制

當(dāng)設(shè)定溫度為35℃時(shí)，得到如圖9所示的溫度曲線，可見最終溫度穩(wěn)定在34.5℃～35.5℃之間，誤差在±0.5℃以內(nèi)，在精度要求不高的情況下可基本滿足控制要求。

4.2參數(shù)整定

PID參數(shù)整定，就是在特定環(huán)境下選擇最適合被控對(duì)象的P、I、D參數(shù)，使控制效果達(dá)到最佳[10]，本系統(tǒng)通過溫度曲線效果對(duì)比的方式達(dá)到整定參數(shù)的目的。

溫度設(shè)置為35℃，采集點(diǎn)數(shù)設(shè)置為500次。首先將Kp、Ki、Kd分別設(shè)為2、0.002、0.05。運(yùn)行程序，點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”按鈕，程序開始自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，得到如圖10（a）所示的溫度曲線，采集完成后保存為曲線1。然后修改Ki為0.02，其余參數(shù)不變，重新采集數(shù)據(jù)，得到如圖10（b）所示的溫度曲線，采集完成后保存為曲線2。通過圖10（c）中兩條溫度曲線對(duì)比可知，曲線1采集溫度在設(shè)置溫度附近波動(dòng)，誤差較小，說明P、I、D參數(shù)選擇合理； 曲線2采集溫度超調(diào)量過大，效果不如曲線1好。

從對(duì)比曲線可以清晰看到相同條件下不同參數(shù)溫度曲線之間的差異，由此可研究P、I、D參數(shù)對(duì)溫度的影響，達(dá)到整定參數(shù)的目的。

5結(jié)語(yǔ)

大量實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水溫的恒定控制，達(dá)到了初步整定PID參數(shù)的效果，適用于對(duì)溫度精度要求不太嚴(yán)格（誤差為±0.5℃）的控制場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)結(jié)合了上位機(jī)LabVIEW和下位機(jī)MCU的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、過程清晰、操作方便，可實(shí)時(shí)觀測(cè)采集的溫度數(shù)據(jù)，直觀形象，有助于系統(tǒng)的調(diào)試和分析。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）