導(dǎo)語(yǔ)：實(shí)驗(yàn)用恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1概述

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是我院自動(dòng)化專業(yè)和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，課程的特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)、與專業(yè)基礎(chǔ)課密切相關(guān)，涉及的基礎(chǔ)理論和知識(shí)面比較廣，包括自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、檢測(cè)與傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)、電子技術(shù)等[1-3]，故該課程的學(xué)習(xí)難度較大。為了提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生更好的掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件的基礎(chǔ)知識(shí)及其應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)行教學(xué)改革，提出了項(xiàng)目式教學(xué)方法[4，5]。故設(shè)計(jì)此恒溫箱控制系統(tǒng)，并以此為例，將其分解進(jìn)行模塊化授課，并建立其數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)來(lái)驗(yàn)證學(xué)生自己編寫的控制算法。

2恒溫箱控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

恒溫箱控制系統(tǒng)硬件主要由控制器、溫度檢測(cè)電路、按鍵電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路和加散熱模塊等組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。2.1主控電路設(shè)計(jì)核心器件主控制器采用的是中國(guó)深圳宏晶STC15F2K60S2單片機(jī)，是一種增強(qiáng)型的8051單片機(jī)，是新型的FLASH單片機(jī)，與傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)兼容，在片內(nèi)資源、操作性能和運(yùn)行速度上做了很大的改進(jìn)，同時(shí)還具有集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高，處理能力強(qiáng)，速度快，具有超低功耗等特點(diǎn)[6]。溫度采集采用的是數(shù)字溫度傳感器DS18B20，采用單總線協(xié)議，即與單片機(jī)接口僅需占用一個(gè)I/O端口，其內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)需任何外接元件，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理，達(dá)到溫度采集的目的[7-9]。按鍵電路采用4個(gè)獨(dú)立按鍵，用來(lái)設(shè)置被控溫度給定值和PID參數(shù)。顯示電路采用液晶顯示屏LCD1602，顯示當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度以及PID參數(shù)和恒溫箱開機(jī)運(yùn)行時(shí)間等。恒溫箱控制系統(tǒng)的主控電路如圖2所示。2.2風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)加熱裝置由4個(gè)白熾燈組成，分成2組分別控制通斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱的恒定加熱。散熱裝置由4個(gè)風(fēng)扇組成，分別裝在恒溫箱的4個(gè)箱壁上，通過(guò)PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒溫的目的。IR2104是一種高性能的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片內(nèi)部是采用被動(dòng)式泵荷升壓原理，其內(nèi)部自帶死區(qū)時(shí)間設(shè)置[10]。在電路的應(yīng)用過(guò)程中，利用單片機(jī)輸出PWM信號(hào)，用于控制上下MOS管的導(dǎo)通與截止，當(dāng)PWM信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)，芯片輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，上下MOS輪流導(dǎo)通。其風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3恒溫箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

恒溫箱溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在完成硬件設(shè)計(jì)之后，以此為基礎(chǔ)開始軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)將主要是對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行全面的使用與合理的配置，進(jìn)而保證系統(tǒng)的實(shí)效性。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后處于待機(jī)狀態(tài)，按開機(jī)鍵后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其包括設(shè)置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、LCD1602顯示初始化、按鍵初始化、PID參數(shù)初始化、PWM參數(shù)初始化等。此后進(jìn)行按鍵掃描和液晶屏顯示，采用中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)每隔1秒對(duì)溫度的實(shí)時(shí)采集、偏差計(jì)算、PID控制算法計(jì)算、PWM輸出控制電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

4實(shí)物實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)思想，制作出實(shí)物，恒溫箱主體及主控制器如圖5所示。使用時(shí)當(dāng)接通電源，顯示屏就會(huì)顯示出設(shè)定溫度和當(dāng)前箱內(nèi)的溫度，通過(guò)功能鍵和上升、下降兩個(gè)按鍵，可以來(lái)設(shè)置給定溫度和PID控制參數(shù)。根據(jù)設(shè)定溫度與當(dāng)前溫度的偏差大小，采用PID控制算法、通過(guò)PWM調(diào)制、控制電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到恒溫的目的。表1列出了恒溫箱在工作了15分鐘后恒溫箱在3分鐘內(nèi)的溫度波動(dòng)情況，10秒鐘測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)?？梢娺@3分鐘內(nèi)其溫度波動(dòng)極值為0.3℃，此恒溫箱控制系統(tǒng)控制精度可達(dá)±0.2℃。

5數(shù)學(xué)模型的建立

建立數(shù)學(xué)模型的方法有解析法和實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法兩種。采用解析法建模的首要條件是對(duì)被控對(duì)象的特性和機(jī)理有較深入的理解，能準(zhǔn)確地加以數(shù)學(xué)描述，對(duì)于機(jī)理復(fù)雜，難以完全了解內(nèi)部變化情況的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立存在困難。故本文采用實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法，先給被控對(duì)象施加一個(gè)輸入信號(hào)，然后記錄輸出的變化量，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或響應(yīng)曲線，最后再根據(jù)輸入-輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定其模型的結(jié)構(gòu)（包括模型形式、階次與純滯后時(shí)間等）與模型的參數(shù)[11]。對(duì)于本恒溫箱控制系統(tǒng)加熱源采用4個(gè)白熾燈加熱，可以認(rèn)為是恒定不變的，先恒定控制器輸出值使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，然后改變控制器的輸出值并恒定不變，便可得到恒溫箱控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，專門編寫一段程序完成階躍響應(yīng)的采樣記錄和數(shù)據(jù)傳送，便可得到階躍響應(yīng)的數(shù)據(jù)并通過(guò)通信接口送給PC計(jì)算機(jī)，把各采樣點(diǎn)的時(shí)間值和幅度值分別以數(shù)組名為“tdata”和“Tdata”輸入到MATLAB工作空間[12]，即可得到恒溫箱控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖6所示。根據(jù)階躍曲線響應(yīng)法確定增益K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ便可得到恒溫箱控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為：G（S）=1.126S+1本文詳細(xì)地闡述了恒溫箱控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，恒溫箱控制系統(tǒng)主要由主控制器、溫度檢測(cè)電路、顯示電路、按鍵電路、聲光報(bào)警電路及加熱散熱等模塊組成，軟件編程采用C語(yǔ)言，并做出了設(shè)計(jì)的實(shí)物，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試此系統(tǒng)控制精度達(dá)到±0.2℃。采用實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法建立其數(shù)學(xué)模型，并以此模型為基礎(chǔ)，驗(yàn)證學(xué)生自己編寫的控制程序如PID控制、Smith預(yù)估控制、Dahlin算法等，在教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的效果，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

作者:楊明 楊華 王洋 單位:成都理工大學(xué)