實驗用恒溫箱控制系統設計研究

導語：實驗用恒溫箱控制系統設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1概述

計算機控制技術是我院自動化專業和測控技術與儀器專業的一門專業核心課程，課程的特點是實踐性強、與專業基礎課密切相關，涉及的基礎理論和知識面比較廣，包括自動控制技術、計算機技術、網絡與通信技術、檢測與傳感器技術、顯示技術、電子技術等[1-3]，故該課程的學習難度較大。為了提高教學質量，使學生更好的掌握計算機控制系統的硬件和軟件的基礎知識及其應用技術，進行教學改革，提出了項目式教學方法[4，5]。故設計此恒溫箱控制系統，并以此為例，將其分解進行模塊化授課，并建立其數學模型，以此為基礎來驗證學生自己編寫的控制算法。

2恒溫箱控制系統硬件設計

恒溫箱控制系統硬件主要由控制器、溫度檢測電路、按鍵電路、顯示電路、聲光報警電路和加散熱模塊等組成，其系統框圖如圖1所示。2.1主控電路設計核心器件主控制器采用的是中國深圳宏晶STC15F2K60S2單片機，是一種增強型的8051單片機，是新型的FLASH單片機，與傳統的8051系列單片機兼容，在片內資源、操作性能和運行速度上做了很大的改進，同時還具有集成度高，系統結構簡單，體積小，可靠性高，處理能力強，速度快，具有超低功耗等特點[6]。溫度采集采用的是數字溫度傳感器DS18B20，采用單總線協議，即與單片機接口僅需占用一個I/O端口，其內部集成A/D轉換器，無需任何外接元件，可直接將溫度轉化成串行數字信號供處理器處理，達到溫度采集的目的[7-9]。按鍵電路采用4個獨立按鍵，用來設置被控溫度給定值和PID參數。顯示電路采用液晶顯示屏LCD1602，顯示當前溫度、設定溫度以及PID參數和恒溫箱開機運行時間等。恒溫箱控制系統的主控電路如圖2所示。2.2風扇電機驅動電路設計加熱裝置由4個白熾燈組成，分成2組分別控制通斷，來實現對恒溫箱的恒定加熱。散熱裝置由4個風扇組成，分別裝在恒溫箱的4個箱壁上，通過PWM（脈寬調制）技術來調節風扇轉速，達到恒溫的目的。IR2104是一種高性能的半橋驅動芯片，該芯片內部是采用被動式泵荷升壓原理，其內部自帶死區時間設置[10]。在電路的應用過程中，利用單片機輸出PWM信號，用于控制上下MOS管的導通與截止，當PWM信號翻轉時，芯片輸出電平發生翻轉，上下MOS輪流導通。其風扇電機驅動電路設計如圖3所示。

3恒溫箱控制系統軟件設計

恒溫箱溫度計算機控制系統在完成硬件設計之后，以此為基礎開始軟件設計，軟件設計將主要是對各個模塊進行全面的使用與合理的配置，進而保證系統的實效性。系統主程序流程圖如圖4所示。系統上電后處于待機狀態，按開機鍵后首先進行系統初始化，其包括設置RTC實時時鐘、LCD1602顯示初始化、按鍵初始化、PID參數初始化、PWM參數初始化等。此后進行按鍵掃描和液晶屏顯示，采用中斷方式來實現每隔1秒對溫度的實時采集、偏差計算、PID控制算法計算、PWM輸出控制電風扇轉速。

4實物實現

根據設計思想，制作出實物，恒溫箱主體及主控制器如圖5所示。使用時當接通電源，顯示屏就會顯示出設定溫度和當前箱內的溫度，通過功能鍵和上升、下降兩個按鍵，可以來設置給定溫度和PID控制參數。根據設定溫度與當前溫度的偏差大小，采用PID控制算法、通過PWM調制、控制電風扇的轉速，從而達到恒溫的目的。表1列出了恒溫箱在工作了15分鐘后恒溫箱在3分鐘內的溫度波動情況，10秒鐘測量一個數據。可見這3分鐘內其溫度波動極值為0.3℃，此恒溫箱控制系統控制精度可達±0.2℃。

5數學模型的建立

建立數學模型的方法有解析法和實驗辨識法兩種。采用解析法建模的首要條件是對被控對象的特性和機理有較深入的理解，能準確地加以數學描述，對于機理復雜，難以完全了解內部變化情況的被控對象的數學模型建立存在困難。故本文采用實驗辨識法，先給被控對象施加一個輸入信號，然后記錄輸出的變化量，得到一系列實驗數據或響應曲線，最后再根據輸入-輸出試驗數據確定其模型的結構（包括模型形式、階次與純滯后時間等）與模型的參數[11]。對于本恒溫箱控制系統加熱源采用4個白熾燈加熱，可以認為是恒定不變的，先恒定控制器輸出值使系統達到穩定，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的階躍響應。在實驗過程中，專門編寫一段程序完成階躍響應的采樣記錄和數據傳送，便可得到階躍響應的數據并通過通信接口送給PC計算機，把各采樣點的時間值和幅度值分別以數組名為“tdata”和“Tdata”輸入到MATLAB工作空間[12]，即可得到恒溫箱控制系統的階躍響應曲線如圖6所示。根據階躍曲線響應法確定增益K、時間常數T和純滯后時間τ便可得到恒溫箱控制系統的傳遞函數模型為：G（S）=1.126S+1本文詳細地闡述了恒溫箱控制系統的硬件組成和軟件設計，恒溫箱控制系統主要由主控制器、溫度檢測電路、顯示電路、按鍵電路、聲光報警電路及加熱散熱等模塊組成，軟件編程采用C語言，并做出了設計的實物，經實驗測試此系統控制精度達到±0.2℃。采用實驗辨識法建立其數學模型，并以此模型為基礎，驗證學生自己編寫的控制程序如PID控制、Smith預估控制、Dahlin算法等，在教學實踐中取得了較好的效果，培養了學生的實際動手能力和創新能力。

作者:楊明 楊華 王洋 單位:成都理工大學