計(jì)算機(jī)在液體溫度控制中的應(yīng)用

1、 計(jì)算機(jī)在液體溫度控制中的應(yīng)用 摘要：論述了基于80C552單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了液體溫度控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，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(yīng)用之一，為滿足工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)液體溶液溫度進(jìn)行精確控制的需求，設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，變量間的關(guān)聯(lián)性，找到一組適合整個(gè)系統(tǒng)大范圍控制的PID參數(shù)相當(dāng)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(shí)現(xiàn)了溫度控制范圍寬、響應(yīng)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(jī)80C552作為主機(jī)，因?yàn)?0C552內(nèi)部含有一個(gè)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(shè)置了過零檢測(cè)電路，使系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)。二、80C552的性能與特點(diǎn)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(yīng)用于工業(yè)控制、汽車控制、儀器儀表等實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。該單片機(jī)與INTEL公司的MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，使用很強(qiáng)的8051指令系統(tǒng)。80C552采用先進(jìn)的CHMOS工藝制作，片內(nèi)帶有256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，4個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（包含監(jiān)視定時(shí)器

3、），并且具有6個(gè)8位I/O口，一個(gè)I2C總線口，是一種高性能微控制器。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用一片80C552單片機(jī)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(yīng)用鍵盤和數(shù)碼顯示構(gòu)成人機(jī)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(duì)象的溫度，其電路如圖2所示，由溫度傳感器AD590和運(yùn)放OP07構(gòu)成溫度電壓轉(zhuǎn)換，并由軟件對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)的控制信號(hào)調(diào)整雙向可控硅導(dǎo)通角，實(shí)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(cè)電路。在人機(jī)接口設(shè)計(jì)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(shè)置了12個(gè)按鍵。8155的A口作為鍵盤的列選口和6個(gè)LED的位選口，LED為共陰極，而8155的B口作為6個(gè)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(dòng)器8718進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(duì)典型控制曲線進(jìn)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(shè)定點(diǎn)的，t2和t4溫度變化是遠(yuǎn)離設(shè)定點(diǎn)的，因此可以在t1和t3段減小PID參數(shù)值，降低控制強(qiáng)度，減少超調(diào)和振蕩，在t2和t4段加大PID參數(shù)值，增強(qiáng)控制作用，使其迅速回到平衡點(diǎn)，達(dá)到平衡效果。圖5 典型控溫曲線圖通過上述控制思想對(duì)PID參數(shù)的變化與偏差和控制曲線斜率的關(guān)系進(jìn)行分析，可以得到如下數(shù)學(xué)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(dòng)態(tài)控溫系統(tǒng)中，首先由實(shí)驗(yàn)給出一組PID參數(shù)和臨界閥值T，當(dāng)|en|T，采用傳統(tǒng)的PID算法控制；當(dāng)|en|T時(shí)，

6、采用由公式1、公式2、公式3所采用的參數(shù)進(jìn)行控制。五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一）主程序設(shè)計(jì)在溫度控制過程中，采用如下的控制方法：通過實(shí)驗(yàn)選取一組合適的PID參數(shù)，設(shè)定臨界閥值T=8，溫度偏差值|en|大于臨界閥值時(shí)采用全功率加熱，當(dāng)溫度偏差值|en|小于或等于臨界閥值時(shí)對(duì)預(yù)先設(shè)定的PID參數(shù)進(jìn)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(chǎng)，環(huán)境比較惡劣，惡劣的供電條件、嚴(yán)重的噪聲環(huán)境和空間干擾都會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)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(gè)字節(jié)以上的NOP指圖3程序

7、流程圖令，當(dāng)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(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動(dòng)納入正軌。2、軟件陷阱當(dāng)亂飛指令進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令不起作用，這時(shí)通過軟件陷阱攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯(cuò)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(shè)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(gè)看門狗T3。當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，程序不斷地在監(jiān)視間隔內(nèi)對(duì)T3裝入時(shí)間初值，防止T3溢出而造成系統(tǒng)復(fù)位；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，例如程序的死循環(huán)，或靜電干擾和硬件而造成不能及時(shí)地對(duì)T3重裝時(shí)間初值，就會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位而恢復(fù)正常的運(yùn)行。相應(yīng)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(yīng)用于PID的參數(shù)整合，實(shí)現(xiàn)了逐點(diǎn)連續(xù)調(diào)控，與單純的PID調(diào)節(jié)相比，調(diào)節(jié)時(shí)間減少了30%，穩(wěn)定精度達(dá)到0.3，超調(diào)量小于0.2，在對(duì)液體溶液溫度控制中有很好的使用價(jià)值。Reference：1胡汗才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：清華大學(xué)出版社，20022孫傳友，孫曉斌.測(cè)控