1、基于单片机的经济型示教数字温度控制设备摘要：本文论述了一种经济型数字温度控制设备的设计。这个系统能够使学生通过运用单片机完成多种控制方式。本套件的设计作为控制实验室中的数字控制系统理论教学的补充旨在帮助老师更好的完成对本科生的教学工作。关键词：基于单片机控制 示教数字控制 温度控制随着低功耗个人电脑和单片的的广泛应用，数字控制技术也日益普及，目前的很多控制系统也是基于数字控制技术而设计的。在仿真领域也是如此。数字仿真技术取代了模拟仿真仪器。这些仿真仪器以一种人机交互式的形式被打包到的电脑中，并广泛应用于工业生产、实验室研究和各大院校的教学中。早期的仿真软件包如 ACSL 是专为大型计算机开发设
2、计的，因而只有大的机构有能力购买并使用这样的软件包。如今，诸如 TUTSIM、20-sim、programCC、VisSim 、Extend、以及 MATLAB 等仿真软件均可以在个人电脑的桌面上运行，并且它们都在大多数院校财政预算范围之内。一些像MATLAB 和 programCC 这样的软件还专门提供了廉价的学生版，从而学生可以购买使用这样的软件而不必只能在学校的实验室中才能使用。仿真软件在控制系统理论的教学中是一种十分重要的工具，例如，学生可以在数分钟之内精确的绘制出复杂控制系统的根轨迹图，而不必像以前那样花费数小时的时间。同样，在仿真软件的帮助下，我们可以很轻易的绘制出系统的时域和频域
3、的图像。尽管这些仿真软件非常有用，但是它们和实际的结果还是会有一些差别。而且还会出现这样一些情况：计算机模型不合适或者系统过于复杂以至于我们无法用数学方程式在电脑中描述。据笔者经验，学生在目睹自己亲手做的实验出现实际物理结果的这一过程最好的学习到有关工程学的知识。仿真仍然可以应用于初步的分析之中，但是这必须建立在实际的物理实验的基础之上。所以，仿真应该作为一种工程学问题教学的辅助工具而不是唯一的工具。问题是现在市场上供实际物理实验设备通常十分昂贵，特别是为教学而大量购进类似的设备时。这些设备随着某些零部件的损坏和老化还需要经常校准和维护。实验设备也会因为新产品的发展和很快过时。这篇论文描述了一
4、种经济型温度控制设备，它被设计并应用于近东大学工程学教研实验室。这套设备是基于现在流行的一款由 Microchip 公司研制的PIC16F877 型号的单片机设计的。这套设备的全部花费低于 200 美元，它远低于市场上同类教学温度控制设备。以下将详细介绍这套设备的设计、建模和数控过程。温度控制设备示教温度控制设备并不是一件新的事物。很多生产实验设备的公司提供了一些通用的过程控制或温度控制流程。由 Kuruganti 公司生产的 TCL-1 是一套闭环温度控制装置，它用于演示在热交换机作用下的水温是如何受到控制的。同样由 Kuruganti 公司生产的 TCT-1 型设备则是基于开关的教学温度控
5、制装置。由 Feedback Instruments 公司研制的 PROCON 是一个工艺控制系统，它包括对液位、流动、温度和 PH 值的控制。这里，温度控制系统用水作为工艺介质并且引入带有 PID 算法的自动调整装置。G34/EV 是由 Elettronica 公司一款基于PID 算法的教学温度控制单元。这个单元能与 PC 机连接，它由一个 PID 控制器、功率放大器、温度传感器及其信号调理电路组成。控制工程是近东大学提供给本科生和研究生级别的工程类课程中的一门课程，该课程计划授课一学期。在这门课程里，学生没有实践类的实验，而是学生需要通过运用 MATLAB 软件包来设计、仿真、检验他们所学
6、的控制理论。我们认为有必要用提供一些实践类的实验的方式来支持课堂上教授的理论概念。我们决定自己制作一套实验设备而不是去直接购买一套实验设备的主要原因是价格。过程控制是自动控制工程里的一个重要的领域，作为初次尝试，我们决定通过单片机来完成数字温度控制实验。制作实验室设备的目的之一是为了降低成本，而在工业设备的设计中为了使之能正常使用则需要考虑其必要的鲁棒性。我们希望在不久的将来，有更多的教员和学生能够参与到基于控制的实验中来。方框图一中显示的是数字温度控制设备。该实验设备的工作原理如下：用一个由低压电子元件和 MOSFET 晶体管构成的电源控制循环电路给盛放在小容器内的水加热。在水中放置了一个温
7、度传感器，该传感器把信号传输给了一个PIC 型号的单片机。然后这个信号就会与给定的参考温度进行对比，同时在单片机中装入 PID 算法使之完成温度控制所需的动作。该过程可以教给学生如下的重要概念：1、实际物理过程的识别与建模2、运用 Ziegler - Nichols 整定方法3、单片机在过程控制中的运用4、数字 PID 控制器的开发与实验图二是一副实验设备样机的图片，该设备十分简单，都是由廉价的材料构成。这里的圆柱型塑料杯是用来盛放水的。加热元件和温度传感器就浸没在这个容器里。水温由一个廉价的半导体温度传感器检测，传感器的外面套有保护它一个玻璃管。加热元件是一种在野营或其他户外活动中给杯中液体
8、加热的常用类型的元件，如冲咖啡时使用的那种。加热元件的工作电压为 12V，流经的电流为 10A，因此它能够提供 120W 的能量。在实验室使用的功率为 350W 的个人电脑与之相比则昂贵了许多，这套设备的花费不超过 50 美元。而且在实验设备中使用低压供电系统，可以具有安全防止电击的优点。图三是该设备的电子电路图，该电路图十分简单，只包含了少数元件。LM35DZ 是一款模拟半导体温度传感器，PIC16F877 是一个单片机，IRL1004是一个功率 MOSFET 型的开关，其作用是驱动加热元件。温度传感器试验中使用的温度传感器是一种含有三个引脚的传感器，它的输出电压直接正比于检测的温度，在单片
9、机和传感器之间接有一个 A/D 转换器。当然，我们也可以使用数字输出的传感器，但是它们通常贵一些，而且我们认为使用模拟传感器可以使学生参与使用 A/D 转换器的实践中来。单片机为了使成本更低，我们需要一款内部集成有 A/D 转换器的单片机，过程控制的算法需要用到浮点运算，因此单片机需要有一个大的数据存储容量。另一个降低成本的要求是单片机内部需要集成一个脉宽调制输出，它可以线性的驱动加热电路。用汇编语言开发常规的浮点运算十分复杂，所以我们决定用同样支持浮点运算的高级语言来对单片机进行编程。综上，PIC16F877 满足我们所有的要求，这是工业领域最流行的单片机之一，它有如下特点：1、8K14 的
10、闪存2、RAM 容量 368b3、EEPROM 容量 256b4、810b 的 A/D 转换器5、脉宽调制输出6、支持高级语言编程在编程开发中会用到 FEDC 编辑器，它是一款基于 Windows 操作系统的 PIC 单片机系列的低价编辑器。该编辑器包含了许多标准 C 语言函数库中的函数，其中就支持浮点运算。加热元件驱动器加热元件由 IRL1004 功率 MOSFET 型的晶体管开关驱动。这个 MOSFET 晶体管安装在合适的加热槽中可以承载 200W 的功率。MOSFET 晶体管的漏极与加热元件相连，门极与单片机相连，受到单片机的控制（见图 3） 。基于使用可控晶闸管的交流电控制技术的大型的
11、工业温度控制系统及其理论知识将会在这个主题下教授给学生。建模该系统可以近似的看做一个一阶滞后系统，整个系统的一个简化的数学模型可以描述如下：水杯中的水的数学建模水杯中的水的热平衡方程可以写为：系统输入的热量=系统增加的热量+ 加热损失的热量我们令=水杯中水的质量1m=水杯的质量2=水的比热容1c=水杯的比热容2我们忽略水杯壁损失的热量、加热元件和其它杂质的比热容，我们可以写出如下方程：水杯中增加的热量= 12()dTmct水杯中损失的热量= ahA其中 是环境温度，A 是水杯的顶面积，h 是依赖于表面和周围环境温度的常aT数。因此输入系统的热量为：（1）12()()adEmcTt如果我们假定周
12、围温度保持不变，并令 qaT我们可以把方程（1）写为：12()qdTEmchAt再让 和 则有k2k（2）12()qTsE它是一个一阶系统，其时间常数为 12k加热元件的数学建模实验中使用的加热元件与使用的电压之间呈现出一种非线性的关系。但是，在实验中我们通过使用脉宽调制输出信号来驱动加热元件而使其线性化。脉宽调制信号由图四的中的单片机产生，其中 M 和 S 分别是该波形的高电平和低电平部分的时间，而 T 是该波形的周期，其中 T=M+S，这个波形是用来控制功率MOSFET 型晶体管开关，这个开关与作为载荷的加热元件相连接。通过加热器的电流的均方根可以如下计算： 20201()TrmsMoIi
13、tdIT或者（3）rmsoI假设加热元件是一个纯电阻 R，那么其平均功率可以计算如下：2AVrsoPRIMT如果我们令 那么2oI（4）AVP方程（4）表明加在负载上的平均功率与实时信号的时间呈线性的比例关系。我们称波形的占空比为 M。波形的频率必须远高于该闭环控制系统的带宽，所以这个过程只受到平均波形的影响。在这个工程中，我们假定它的工作频率是 1KHZ,也就是它的周期是1ms。在这个工程中： 1.2R0oIA3Tms因此，从方程式（4）中得到加热元件的传递函数为：31.20AVPM即 （5）5.其中 的单位是瓦特，M 的单位是秒。AV方程（5）表明了应用信号的占空比与加热元件产生的平均功率
14、的线性关系。温度传感器的数学建模该温度传感器是一个半导体装置，它有线性的电压温度的关系，例如10/mVC.oT其中 是传感器的输出电压，单位 ， 表示温度，单位是o VTC实验的举例系统的认知该系统的动态特性可以用反应曲线法进行非参数建模。从这个角度上来说， 反馈环被打开，由单片机驱动的一个脉冲输入应用于加热元件。随后，传感器的外部输出和 DrDaq 硬件与 Picolog 软件的电压输入连接并实时测量和记录水杯中的水温。这个硬件和软件都是由 Pic Technology 公司制造。其中 DrDaq 硬件是一块小的板卡，它可以插入到 PC 机的并行接口中。该板卡上装有测量诸如光强、分贝、电压、
15、湿度、温度等物理量的传感器。Picolog 软件运行于 PC 机上，用于实时记录 DrDaq 卡上检测的信息。该软件中包含一个绘图的选项，它可以绘制出测量结果。Ziegler - Nichols 整定方法用于辨识这个系统，如图 5 所示，其中开环控制系统的传递函数如下：（7）180.26()seGs该系统有一个很大的滞后时间（180s）,和一个 1800s 的时间常数。选择单片机的算法PID 算法作为工业过程控制领域中应用最为广泛的算法之一，我们就选择它作为单片机的算法。我们可以找出很多的参考值去描述这个控制器、它的功效、执行情况以及自动调整形式的连续和离散模型。标准 PID 算法的传递函数为
16、：(8)0()()()()tpp pdiKetuteteTT连续 PID 控制器的方框图如图 6 所示，其中 是比例增益， 是积分时间常pKiT数， 是微分时间常数。dT在 S 域中 PID 算法可以写成：（9）1()()piUsKTDsE离散 PID 算法可以由（9）式通过 Z 变换得到（10）11()() ()pdi zzETzT其中方程（10）通常写成如下形式：（11）11()()()Uzbaczz其中 ， ， pKpiTpdKPI 控制PI 控制的 Ziegler Nichols 参数为：和0.9ipdTK3.id我们取一个实验时间 T=20s,如此我们可以算出 a=10.9,b=0.
17、37单片机中执行的 PI 算法程序如下：这个算法是由 C 语言编写的。为了防止积分饱和，单片机的输出被限制在最小值 MIN 与最大值 MAX 的范围之内。带有 PI 算法的控制系统的响应如图7 所示，在这个例子之中，设置的参考温度是 30 ，在接近这个温度值的过程C中没有过渡时间和稳态误差。用 Ziegler Nichols 方法的优点在于可以轻易获取满意的响应。其他的一些可在 PC 机上运行的软件如由 Top Control 公司研发的ExperTune 可以分析实时控制系统，并提供一组最优的 PID 参数，用这个软件可以减少调试 PID 控制参数的时间。结论本文描述了一种经济型的数字温度控制教学设备的设计。该设计的目的在于培养工程类的学生，给他们提供实践的机会，以补充课堂所学的理论知识。这套设备是基于经济型的元件设计的，这些元件都可以在大多数的电子元件商店买到。这套设备的另一个优点在于它可以使学生在实验中学习在智能电子控制工程中广泛使用的单片机。我们专门为学生编写了该实验设备的手册以利于实验的有序进行。其它的控制算法和程序设计如状态空间法可以用于改进这套设备。同时，我们也希望在不久的将来开发更多的实验设备如液位控制系统、流量控制系统、伺服控制系统等。
