計算機在液體溫度控制中的應用

1、 計算機在液體溫度控制中的應用 摘要：論述了基于80C552單片機溫度控制系統(tǒng)，簡化了液體溫度控制系統(tǒng)的電路設計，提高了系統(tǒng)的精確度和可靠性。關(guān)鍵詞：80C552 PID 臨界閥值 一、引言液體溶液的溫度控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中比較典型的控制應用之一，為滿足工業(yè)生產(chǎn)中對液體溶液溫度進行精確控制的需求，設計了一種高精度溫度控制系統(tǒng)。以往在該領(lǐng)域比較成熟的控制算法是PID算法，由于過程控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的復雜性，變量間的關(guān)聯(lián)性，找到一組適合整個系統(tǒng)大范圍控制的PID參數(shù)相當困難，而本系統(tǒng)采用將PID算法和模糊控制算法相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了溫度控制范圍寬、響應快且連續(xù)可調(diào)的功能。本系統(tǒng)采用PHILIPS公司

2、的高性能八位單片機80C552作為主機，因為80C552內(nèi)部含有一個8路10位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，所以溫度采集電路中無需A/D轉(zhuǎn)換芯片，提高了系統(tǒng)的集成度。在系統(tǒng)中還設置了過零檢測電路，使系統(tǒng)的可靠性大大增強。二、80C552的性能與特點80C552是PHILIPS公司生產(chǎn)的80C51系列的無ROM型68引腳產(chǎn)品，廣泛應用于工業(yè)控制、汽車控制、儀器儀表等實時控制領(lǐng)域。該單片機與INTEL公司的MCS-51系列單片機完全兼容，使用很強的8051指令系統(tǒng)。80C552采用先進的CHMOS工藝制作，片內(nèi)帶有256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器，一個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，4個定時器/計數(shù)器（包含監(jiān)視定時器

3、），并且具有6個8位I/O口，一個I2C總線口，是一種高性能微控制器。三、系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)采用一片80C552單片機為主控制器，前向通道為溫度采集，后向通道為功率控制，并應用鍵盤和數(shù)碼顯示構(gòu)成人機接口，硬件結(jié)構(gòu)如圖1。圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖溫度采集電路用于采集被控對象的溫度，其電路如圖2所示，由溫度傳感器AD590和運放OP07構(gòu)成溫度電壓轉(zhuǎn)換，并由軟件對所采集數(shù)據(jù)進行非線性校正。功率控制電路由光耦4N25、三極管和雙向可控硅構(gòu)成，接收來自單片機的控制信號調(diào)整雙向可控硅導通角，實現(xiàn)電熱絲功率的控制。功率控制部分由變壓器和LM324構(gòu)成過零檢測電路。在人機接口設計中，為了節(jié)省80C552的I/O口

4、線，系統(tǒng)外接8155芯片將鍵盤與顯示器接口電路組合在一起。8155的C口作為鍵盤的行掃描輸出口，設置了12個按鍵。8155的A口作為鍵盤的列選口和6個LED的位選口，LED為共陰極，而8155的B口作為6個LED的段碼輸出口。LED的段選口均采用8位集電極開路的驅(qū)動器8718進行驅(qū)動。四、PID算法系統(tǒng)的控制采用PID算法。數(shù)字PID控制算法可以表示為：Un=Un-Un-1=Kpen-en-1+Ts/Tien+Td/Ts(en-en-1)-(en-1-en-2)= Kpen+Ts/Tien+Td/Ts2en= Kpen+Kien+Kd2en對典型控制曲線進行分析，如圖5所示。將曲線分成t1、t

5、2、t3、t4段，其中t1和t3段溫度是逼近設定點的，t2和t4溫度變化是遠離設定點的，因此可以在t1和t3段減小PID參數(shù)值，降低控制強度，減少超調(diào)和振蕩，在t2和t4段加大PID參數(shù)值，增強控制作用，使其迅速回到平衡點，達到平衡效果。圖5 典型控溫曲線圖通過上述控制思想對PID參數(shù)的變化與偏差和控制曲線斜率的關(guān)系進行分析，可以得到如下數(shù)學模型：Kp=Kp+Pisign(en)en 公式1Ki=Ki +Qisign(en)en 公式2Kd=Kd+Risign(en)en 公式3在動態(tài)控溫系統(tǒng)中，首先由實驗給出一組PID參數(shù)和臨界閥值T，當|en|T，采用傳統(tǒng)的PID算法控制；當|en|T時，

6、采用由公式1、公式2、公式3所采用的參數(shù)進行控制。五、系統(tǒng)軟件設計（一）主程序設計在溫度控制過程中，采用如下的控制方法：通過實驗選取一組合適的PID參數(shù)，設定臨界閥值T=8，溫度偏差值|en|大于臨界閥值時采用全功率加熱，當溫度偏差值|en|小于或等于臨界閥值時對預先設定的PID參數(shù)進行模糊整定。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。（二）抗干擾措施該系統(tǒng)主要用于工業(yè)現(xiàn)場，環(huán)境比較惡劣，惡劣的供電條件、嚴重的噪聲環(huán)境和空間干擾都會影響系統(tǒng)的正常運行。為了不增加額外的硬件開銷，我們主要采用軟件抗干擾措施提高系統(tǒng)的抗干擾性能。1、指令冗余在程序中，人為的在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP指圖3程序

7、流程圖令，當程序亂飛到操作數(shù)上，由于空操作指令的存在，可以邊面后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。2、軟件陷阱當亂飛指令進入非程序區(qū)，冗余指令不起作用，這時通過軟件陷阱攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。系統(tǒng)在未使用的中斷向量區(qū)、未使用的EPROM區(qū)與表格區(qū)設置了軟件陷阱以捕捉亂飛程序。軟件陷阱程序段如下：NOPNOPLJMP 0000H3、 WATCHDOG80C552內(nèi)部含有一個看門狗T3。當系統(tǒng)正常時，程序不斷地在監(jiān)視間隔內(nèi)對T3裝入時間初值，防止T3溢出而造成系統(tǒng)復位；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，例如程序的死循環(huán)，或靜電干擾和硬件而造成不能及時地對T3重裝時間初值，就會使系統(tǒng)產(chǎn)生內(nèi)部復位而恢復正常的運行。相應地看門狗子程序如下：WATCHDOG：ORL PCON，#10H；令WLE=1，允許T3裝入MOV T3，#156；裝入TC，WLE=1RET六、總結(jié)該系統(tǒng)的最大創(chuàng)新在于將模糊控制應用于PID的參數(shù)整合，實現(xiàn)了逐點連續(xù)調(diào)控，與單純的PID調(diào)節(jié)相比，調(diào)節(jié)時間減少了30%，穩(wěn)定精度達到0.3，超調(diào)量小于0.2，在對液體溶液溫度控制中有很好的使用價值。Reference：1胡汗才.單片機原理及系統(tǒng)設計M.北京：清華大學出版社，20022孫傳友，孫曉斌.測控