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基于单片机的熏蒸温度控制系统设计
ZHANG Hai-feng, ZHAO Ai-ling, HOU Jun
河南安阳市安阳工学院实验中心455000
中文摘要：为了缓解温度非线性、严重滞后、波动幅度大等问题，设计了一种基于AT89C52单片机的熏蒸温度控制系统。改进的PID算法与脉宽调制（PMW）技术相结合，实现了全过程熏蒸温度控制，减少了超调量，缩短了滞后时间。试验结果表明，该设计具有良好的温度控制能力和动态性能。基于该设计的熏蒸温度控制系统具有很好的稳定性和可靠性，具有友好的人机界面，操作方便。设计中使用的电路和程序具有良好的通用性和可移植性。
关键词：DS18B20；AT89C52；改进PID算法；脉宽调制；温度控制
一、导言
熏蒸疗法是利用液体中药的蒸发作用产生蒸汽，直接进入患者的目标身体部位。熏蒸疗法结合了中医热疗法、蒸汽疗法和离子导入疗法。这种治疗一般疗效快，副作用小，对患者无痛苦。因此，它在卫生保健领域具有很高的推广价值。温度控制对确保熏蒸处理的有效性至关重要。传统的人工控温方法在熏蒸过程中会引起较大的温度波动。因此，治疗的有效性在很大程度上取决于操作者的经验，而经验的缺乏往往使熏蒸治疗效率降低。此外，不能根据个别病人的具体情况实时修改熏蒸控制参数。为了解决上述问题，保证熏蒸处理的有效性，本文介绍了一种基于单片机的控制系统的设计，该系统具有精度高、体积小、可靠性高、应用前景好等特点。
图1 温度控制系统结构图
二、系统概述
图1显示了所设计的控制系统的示意图。它包括信号采集、中央处理、信息显示（LED、LCD）、键盘控制和控制对象等单元。操作员通过键盘设定温度和时间值，单片机AT89C52接收数据，采用脉宽调制（PWM）技术执行控制算法计算，固态继电器控制炉子加热功率和冷却风扇。当温度高于设定值时，停止加热炉，启动冷却风机以利于散热。当温度降到设定值以下时，加热炉启动，冷却风扇停止。系统状态连续地输入到输出LED和LCD显示屏。
三、控制理论
熏蒸蒸汽温度控制是一个纯滞后系统，是一个比较复杂的控制对象。传统的PID控制不是很有效。为了进一步提高其温度控制性能，本设计采用了改进的PID控制策略。
（一）改进的PID算法
在改进的PID控制算法中，差分处理只适用于输出数据，而不适用于输入数据。差分输出信号包括目标参数及其变化率，然后将这些信号反馈给PI控制器，用于防止超调。该算法补偿了系统的滞后效应，提高了整个熏蒸过程的性能[1-3]。改进后的PID控制系统具有以下传递功能：
其中， 代表比例积分控制器，是先验微分元，代表不含定时滞后的被控对象传递函数，包含被控对象传递函数的定时滞后分量。
（二）对象控制模型和PID参数初始化
在一系列开环实验的基础上，建立了目标控制模型：系统的默认初始温度为室温，即20℃。在对多次筛选实验数据分析的基础上，选取30秒作为采样间隔。得到了稳定的实验数据，相应的温度阶跃响应曲线如图2所示。
图2温度阶跃响应曲线
采用通用工程方法提取PID控制器参数，步骤如下：求出被控制对象的纯延迟时间tau;和上升时间常数t。使用关系式在模型参数和特性响应曲线之间，我们可以得到：t=240s，tau;=120s，系统增益k=0.5。温度控制系统的参考模型为：
利用tau;、T值和控制度，通过设置自调节对象的计算方程，可以得出Ki、Ti、Td的理论参考值。用上述方法建立的参数只能作为初始参考值。利用PID控制运算公式和分散过程，将PID算法表示为[4-5]：
其中k为采样数，k=0，1，2，3，hellip;，u（k）为第k次采样的计算机输出值，e（k）为第k次采样的输入偏差值，e（k-1）为采样数（k-1）的输入偏差值[6]。
对于温度控制系统，一般采样间隔在10s到20s之间，我们选择10s作为采样周期。为了获得更好的控制效果，需要进行闭环微调。根据特性闭环响应数据，对控制参数进行反复修改，以获得最佳的温度控制性能。当设定温度为40℃时，控制参数计算为：Ki=4.5，Ti=66.7，Td=10。
四、算法实现
完整的系统程序包括主程序、数据采集、控制和计算以及输入/输出/显示模块。主程序主要用于系统初始化、数据处理和子程序执行。控制/计算模块执行PID操作，调整脉宽调制占空比，控制熏蒸过程的加热和冷却功能。系统软件的总体框图如图3所示。
系统软件的工作流程：当系统通电或复位时，所有模块都经过初始化过程。这包括初始化堆栈指针、端口设置、PWM占空比设置、改进的PID操作等。然后软硬件模块进行自诊断，激活定时器和外部中断，系统进入循环模式。当发生中断时，系统首先查找中断源。一旦确定了中断源，就调用相应的应用程序模块来采取适当的反应。在执行相应的程序后，控制系统总是返回主程序并开始下一个循环。
图3 系统软件总体框图
在系统程序设计中，建立控制算法与脉宽调制技术之间的联系具有十分重要的意义。从程序流程可以看出，控制算法的输出直接影响到脉宽调制输出。PID操作的最大值对应于PWM占空比的最大输出，而PID操作的最小值对应于PWM占空比的最小输出。在控制系统中，脉宽调制周期设定为5秒，改进后的PID运行结果最大值为100，最小值为0。脉宽调制占空比最大为100%，最小为0%。存在以下关系：
其中P是系统脉宽调制值。D为算法输出振幅。A和B分别代表改进的PID算法结果的上限和下限。C是一个系数。
五、试验结果和数据分析
对改进后的PID控制和传统的PID控制在熏蒸床上进行了比较。我们在相同的初始条件下监控性能。初始温度为20℃时，我们将所需蒸汽温度设定为40℃。总测量时间为40分钟。图4显示了温度曲线。
图4 熏蒸床温度控制曲线
在图4中，曲线系列1（带虚线）是常规PID控制的动态响应，而曲线系列2（带实线）是改进PID控制的动态响应。可以看出，改进的PID控制使初始加热时间明显缩短，750秒后，温度已经稳定。随着时间的推移，温度振荡频率减小，振幅也减小。因此，有效地抑制了发散趋势，温度最终趋于稳定。改进后的PID控制使温度偏差最小，系统温度稳定性优于1℃，性能良好。改进后的PID控制比传统的PID控制更早地达到稳定状态。
六、结论
为了缓解复杂的烟化蒸汽温度控制问题，如温度非线性和严重的滞后效应，我们设计了一个烟化蒸汽温度控制系统，将改进的PID算法与PWM技术相结合。试验结果表明，该设计缩短了温度控制滞后时间，减少了超调量。因此可以显著提高熏蒸处理效率。与传统的PID温度控制方法相比，该设计具有更好的温度控制性能。基于本设计的熏蒸温度控制系统具有很好的稳定性和可靠性，满足设计要求。本设计所采用的电路和程序具有良好的通用性和可移植性，在卫生保健领域具有重要的应用潜力和推广价值。
参考文献
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