導(dǎo)語：實驗用恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1概述

計算機控制技術(shù)是我院自動化專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，課程的特點是實踐性強、與專業(yè)基礎(chǔ)課密切相關(guān)，涉及的基礎(chǔ)理論和知識面比較廣，包括自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、檢測與傳感器技術(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)生更好的掌握計算機控制系統(tǒng)的硬件和軟件的基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)行教學(xué)改革，提出了項目式教學(xué)方法[4，5]。故設(shè)計此恒溫箱控制系統(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)來驗證學(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

恒溫箱控制系統(tǒng)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(tǒng)框圖如圖1所示。2.1主控電路設(shè)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(tǒng)的8051系列單片機兼容，在片內(nèi)資源、操作性能和運行速度上做了很大的改進(jìn)，同時還具有集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)字溫度傳感器DS18B20，采用單總線協(xié)議，即與單片機接口僅需占用一個I/O端口，其內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器，無需任何外接元件，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理，達(dá)到溫度采集的目的[7-9]。按鍵電路采用4個獨立按鍵，用來設(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)和恒溫箱開機運行時間等。恒溫箱控制系統(tǒng)的主控電路如圖2所示。2.2風(fēng)扇電機驅(qū)動電路設(shè)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(xiàn)對恒溫箱的恒定加熱。散熱裝置由4個風(fēng)扇組成，分別裝在恒溫箱的4個箱壁上，通過PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)來調(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)動芯片，該芯片內(nèi)部是采用被動式泵荷升壓原理，其內(nèi)部自帶死區(qū)時間設(shè)置[10]。在電路的應(yīng)用過程中，利用單片機輸出PWM信號，用于控制上下MOS管的導(dǎo)通與截止，當(dāng)PWM信號翻轉(zhuǎn)時，芯片輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，上下MOS輪流導(dǎo)通。其風(fēng)扇電機驅(qū)動電路設(shè)計如圖3所示。

3恒溫箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

恒溫箱溫度計算機控制系統(tǒng)在完成硬件設(shè)計之后，以此為基礎(chǔ)開始軟件設(shè)計，軟件設(shè)計將主要是對各個模塊進(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)上電后處于待機狀態(tài)，按開機鍵后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其包括設(shè)置RTC實時時鐘、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，采用中斷方式來實現(xiàn)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(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

4實物實現(xiàn)

根據(jù)設(shè)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(dāng)接通電源，顯示屏就會顯示出設(shè)定溫度和當(dāng)前箱內(nèi)的溫度，通過功能鍵和上升、下降兩個按鍵，可以來設(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)的溫度波動情況，10秒鐘測量一個數(shù)據(jù)?？梢娺@3分鐘內(nèi)其溫度波動極值為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(zhǔn)確地加以數(shù)學(xué)描述，對于機理復(fù)雜，難以完全了解內(nèi)部變化情況的被控對象的數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)或響應(yīng)曲線，最后再根據(jù)輸入-輸出試驗數(shù)據(jù)確定其模型的結(jié)構(gòu)（包括模型形式、階次與純滯后時間等）與模型的參數(shù)[11]。對于本恒溫箱控制系統(tǒng)加熱源采用4個白熾燈加熱，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)。在實驗過程中，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(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、時間常數(shù)T和純滯后時間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，恒溫箱控制系統(tǒng)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(shè)計的實物，經(jīng)實驗測試此系統(tǒng)控制精度達(dá)到±0.2℃。采用實驗辨識法建立其數(shù)學(xué)模型，并以此模型為基礎(chǔ)，驗證學(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)實踐中取得了較好的效果，培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新能力。

作者:楊明 楊華 王洋 單位:成都理工大學(xué)