智能温度测控系统的研究与设计

宋冬萍

(苏州工业职业技术学院电子工程系 江苏苏州 215104)

智能温度测控系统的研究与设计

宋冬萍

(苏州工业职业技术学院电子工程系 江苏苏州 215104)

给出了一种基于模糊自整定PID算法的智能温度测控系统的设计方法。下位机以AT89S52单片机为微处理器，通过串口通信将下位机采集的数据送至上位机，上位机采用模块化的设计方法，通过LABVIEW软件开发平台实现对温度的显示和数据处理。实验结果表明，该系统运行稳定、可靠、能获得较高的控制精度，把虚拟仪器与智能温度控制相结合，系统操作简单、界面友好。

温度测控;模糊自整定PID控制;单片机;LABVIEW

0 引言

温度是工农业生产、科学实验研究以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个非常重要的物理量，准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。目前温度测控系统中通常所采用的传统仪器功能固化，已经不能适应现代检测系统要求。随着科技进步和计算机技术的飞速发展，虚拟仪器彻底打破了传统仪器功能固化单一的局面，因其功能丰富、构建容易、转换灵活、处理速度快、可扩充性好等优势而将逐步取代传统仪器，成为测试仪器的主流［1］。同时，传统的PID控制难以达到较高的控制精度，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统。

本文以电烤箱为研究对象，针对电烤箱升温单向性、大惯性、大滞后的特点，利用现代控制理论与虚拟仪器技术，将智能控制与传统控制有机综合应用，开发了一套基于模糊自整定PID参数算法的智能温度测控系统。

1 系统硬件设计

整个系统分为上位机和下位机两大部分:上位机为装有LabVIEW软件的PC机，可监控多台下位机;下位机为单片机及其外围电路组成的小系统，其既可与微机配合构成两级控制系统，也可作为一个独立的单片机控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。上、下位机之间通过RS-232C串行口进行通信。系统硬件框图如图1所示，由AT89S52单片机及其最小系统模块、温度检测模块、键盘模块、LED显示模块、输出控制模块等组成。

图1 系统硬件框图

电烤箱的温度由热电偶进行采集，经信号放大、冷端补偿、线性化处理、A/D转换后将检测的温度信号转换成对应的数字量，通过SPI串口送入单片机，单片机软件对数据进行处理，该温度一方面经LED数码显示器显示，另一方面与键盘给定值进行比较，计算其偏差，通过参数模糊自整定PID控制算法进行运算，运算结果形成以PWM形式输出的温度控制信号，通过过零触发光电耦合器件进行光电耦合隔离后，通过控制晶闸管的通断来调节电烤箱平均功率的大小，以达到控制烤箱温度的目的。

1.1 温度检测电路

本系统采用0.75级K型热电偶作为检测元件。热电偶具有测温范围宽，测量精度高，高温下抗氧化抗腐蚀，稳定性好，测温显示电信号，便于讯号的传输和记录，利于集中检测和控制等优点［2］。

系统选用集信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出等功能于一体的高精度集成芯片MAX6675作为模数转换器，直接与单片机接口，大大简化了热电偶测量智能装置原本复杂的软硬件设计，减少了温度控制过程中的不稳定因素，保证了测温的快速、准确。

1.2 温度控制电路

电烤箱的温度控制是通过调节电烤箱的输入电功率来实现的，采用过零触发方式，温度控制电路组成如图2所示。本系统中采用MOC3061作为可控硅的驱动器，它具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、无噪声等优点，使调功电路变得非常简练。经软件分析所得的控制脉冲经单片机的P1.7口送至MOC3061，直接形成驱动信号，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳加热方式，从而控制温度的超调。外接 39 Ω电阻和0.01 μF电容组成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向可控硅。

图2 输出控制电路

2 程序设计

2.1 下位机软件设计

下位机主要完成温度信号的采集、输出、显示、参数设置、故障检测和报警等功能。

1)主控模块:主要包括微处理器的初始化、温度数据的采集、数据显示，实际温度与键盘设定值进行比较并通过模糊自整定PID控制算法计算输出控制量，流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

2)控制算法子模块:采用的是参数模糊自整定PID控制算法，由于模糊控制本身比较复杂，所以在单片机上实现时采用了查表法。参数模糊自整定PID控制算法流程图如图4所示。

图4 模糊自整定PID控制算法流程图

3)串行通讯中断子模块:采用串口中断方式与上位机进行通讯。

2.2 上位机软件设计

该系统上位机软件采用LabVIEW，其监控界面如图5所示，主要包括温度历史趋势图显示、温度统计图、串口配置、各参数设置、温度数据表显示、数据保存路径等。系统通过串口对单片机中的温度数据进行实时采集，并由LabVIEW开发软件平台对采集的信号进行分析与处理，同时将采集的数据存盘，便于随时查阅、分析和打印。

图5 上位机监控界面

1)密码验证模块:对进入系统的用户进行安全性检查，防止非法用户进入系统。在设计密码验证模块时考虑到简洁、实用、友好和安全等方面。

2)串行通讯模块:串口通信功能模块包括串口初始化模块、串口读模块以及串口写模块，通过这些模块就可以实现对单片机的控制。

3)信号处理模块:本系统采用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性。

4)越限报警模块:当温度超过了环境或系统所允许的最大最小值时，程序能实现声光报警。

3 系统调试

以WKD-298型电烤箱作为对象，对系统性能进行测试。采用设计的模糊自整定PID控制器对电烤箱进行温度控制，温度初始值以室温20℃算，当设定温度为85℃时，实测温度变化曲线如图6。

图6 参数设置及温度实时变化曲线图

从图6上可以看出:系统调节时间较短，约200 S;系统超调量2.41%;静态误差小于2℃，基本满足系统设计的要求。

在相同的实验条件下，当系统进入稳态工作后，给测试系统加一定量的扰动信号，测试曲线显示，系统相对扰动时间较短，能够有效地抑制干扰，及时对控制作用进行调整，以更快的速度和更小的偏差进入预先设定的稳态工作点。

本文以电烤箱为控制对象，针对传统PID控制应用在时滞性和非线性控制对象上难以取得很好的控制效果的现象，探讨了将单片机与虚拟仪器相结合，实现对电烤箱的参数模糊自整定PID控制，给出了整个系统的软硬件具体实现流程，并通过实验测试证明了该系统响应速度快、超调量小、稳态误差小、控制精度高。同时，该系统也能满足学校实验室中自动控制技术、单片机等多门课程的教学实验、综合实训和课程设计，减少了使用和维护费用。

［1］陈锡辉，张银鸿.LABVIEW 8.20程序设计从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2007:12-18.

［2］冯柏群，祁和义，等.检测与传感器技术［M］.北京:人民邮电出版社，2008:37-46.

Research and Design of Intelligent Temperature Measurement and Control System

SONG Dong-ping
(Department of Electronics Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China)

This paper presents a way to design the intelligent temperature measurement and control system based on fuzzy self-tuning PID control algorithm.The MCU is the single-chip microprocessor AT89S52,host computer collects the data through serial communication and uses a modular design approach.The display of the temperature and process of date are realized by LABVIEW.The result of the experiment shows that the system operates stably、reliably and the control precision is effectively improved.The system combines the intelligent temperature control system with the virtual instrument.It is simple and has friendly interface.

temperature measurement and control;fuzzy self-tuning PID control;MCU;LABVIEW

TP 273.5

A

1672-2434(2011)04-0019-03

2011-03-25

宋冬萍(1980-)，女，讲师，硕士，从事研究方向:电子技术应用、计算机辅助教学