实验用恒温箱控制系统设计研究

1概述

计算机控制技术是我院自动化专业和测控技术与仪器专业的一门专业核心课程，课程的特点是实践性强、与专业基础课密切相关，涉及的基础理论和知识面比较广，包括自动控制技术、计算机技术、网络与通信技术、检测与传感器技术、显示技术、电子技术等[1-3]，故该课程的学习难度较大。为了提高教学质量，使学生更好的掌握计算机控制系统的硬件和软件的基础知识及其应用技术，进行教学改革，提出了项目式教学方法[4，5]。故设计此恒温箱控制系统，并以此为例，将其分解进行模块化授课，并建立其数学模型，以此为基础来验证学生自己编写的控制算法。

2恒温箱控制系统硬件设计

恒温箱控制系统硬件主要由控制器、温度检测电路、按键电路、显示电路、声光报警电路和加散热模块等组成，其系统框图如图1所示。2.1主控电路设计核心器件主控制器采用的是中国深圳宏晶STC15F2K60S2单片机，是一种增强型的8051单片机，是新型的FLASH单片机，与传统的8051系列单片机兼容，在片内资源、操作性能和运行速度上做了很大的改进，同时还具有集成度高，系统结构简单，体积小，可靠性高，处理能力强，速度快，具有超低功耗等特点[6]。温度采集采用的是数字温度传感器DS18B20，采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，其内部集成A/D转换器，无需任何外接元件，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理，达到温度采集的目的[7-9]。按键电路采用4个独立按键，用来设置被控温度给定值和PID参数。显示电路采用液晶显示屏LCD1602，显示当前温度、设定温度以及PID参数和恒温箱开机运行时间等。恒温箱控制系统的主控电路如图2所示。2.2风扇电机驱动电路设计加热装置由4个白炽灯组成，分成2组分别控制通断，来实现对恒温箱的恒定加热。散热装置由4个风扇组成，分别装在恒温箱的4个箱壁上，通过PWM（脉宽调制）技术来调节风扇转速，达到恒温的目的。IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理，其内部自带死区时间设置[10]。在电路的应用过程中，利用单片机输出PWM信号，用于控制上下MOS管的导通与截止，当PWM信号翻转时，芯片输出电平发生翻转，上下MOS轮流导通。其风扇电机驱动电路设计如图3所示。

3恒温箱控制系统软件设计

恒温箱温度计算机控制系统在完成硬件设计之后，以此为基础开始软件设计，软件设计将主要是对各个模块进行全面的使用与合理的配置，进而保证系统的实效性。系统主程序流程图如图4所示。系统上电后处于待机状态，按开机键后首先进行系统初始化，其包括设置RTC实时时钟、LCD1602显示初始化、按键初始化、PID参数初始化、PWM参数初始化等。此后进行按键扫描和液晶屏显示，采用中断方式来实现每隔1秒对温度的实时采集、偏差计算、PID控制算法计算、PWM输出控制电风扇转速。

4实物实现

根据设计思想，制作出实物，恒温箱主体及主控制器如图5所示。使用时当接通电源，显示屏就会显示出设定温度和当前箱内的温度，通过功能键和上升、下降两个按键，可以来设置给定温度和PID控制参数。根据设定温度与当前温度的偏差大小，采用PID控制算法、通过PWM调制、控制电风扇的转速，从而达到恒温的目的。表1列出了恒温箱在工作了15分钟后恒温箱在3分钟内的温度波动情况，10秒钟测量一个数据。可见这3分钟内其温度波动极值为0.3℃，此恒温箱控制系统控制精度可达±0.2℃。

5数学模型的建立

建立数学模型的方法有解析法和实验辨识法两种。采用解析法建模的首要条件是对被控对象的特性和机理有较深入的理解，能准确地加以数学描述，对于机理复杂，难以完全了解内部变化情况的被控对象的数学模型建立存在困难。故本文采用实验辨识法，先给被控对象施加一个输入信号，然后记录输出的变化量，得到一系列实验数据或响应曲线，最后再根据输入-输出试验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的参数[11]。对于本恒温箱控制系统加热源采用4个白炽灯加热，可以认为是恒定不变的，先恒定控制器输出值使系统达到稳定，然后改变控制器的输出值并恒定不变，便可得到恒温箱控制系统的阶跃响应。在实验过程中，专门编写一段程序完成阶跃响应的采样记录和数据传送，便可得到阶跃响应的数据并通过通信接口送给PC计算机，把各采样点的时间值和幅度值分别以数组名为“tdata”和“Tdata”输入到MATLAB工作空间[12]，即可得到恒温箱控制系统的阶跃响应曲线如图6所示。根据阶跃曲线响应法确定增益K、时间常数T和纯滞后时间τ便可得到恒温箱控制系统的传递函数模型为：G（S）=1.126S+1本文详细地阐述了恒温箱控制系统的硬件组成和软件设计，恒温箱控制系统主要由主控制器、温度检测电路、显示电路、按键电路、声光报警电路及加热散热等模块组成，软件编程采用C语言，并做出了设计的实物，经实验测试此系统控制精度达到±0.2℃。采用实验辨识法建立其数学模型，并以此模型为基础，验证学生自己编写的控制程序如PID控制、Smith预估控制、Dahlin算法等，在教学实践中取得了较好的效果，培养了学生的实际动手能力和创新能力。

作者:杨明 杨华 王洋 单位:成都理工大学