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基于单片机的熏蒸温度控制系统设计

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张海峰，赵爱玲，侯军

摘要

为了缓解一些问题，如温度非线性，严重滞后和波动幅度大，我们设计了基于AT89C52单片机的熏蒸温度控制系统。把改进的PID算法和脉冲宽度调制（PMW）技术相结合，从而在熏蒸温度控制的全过程中，减少过度和缩短延迟时间。我们的测试结果表明，该设计带来了更出色的温度控制能力和动态性能。在此设计基础上的熏蒸温度控制系统具有很好的稳定性和可靠性，具有友好的用户操作界面，使得操作简单方便。在该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；改进的PID算法;脉宽调制;温度控制

1. 介绍

熏蒸疗法使用中药液体蒸发产生的蒸汽直接进入病人的目标身体部位。熏蒸疗法把传统中药同蒸汽疗法和离子导入相结合。这种治疗通常显示快速的疗效，副作用小,并且对患者无疼痛。因此，在医疗卫生领域具有很高的推广价值。为确保熏蒸处理的效果，温度控制是至关重要的。在熏蒸方面，传统的手动温度控制方法可能会导致更大的温度波动。所以治疗的有效性很大程度上取决于操作者的经验，缺乏经验常使熏蒸治疗效率较低。另外，熏蒸控制参数不能基于个别患者的具体情况而被实时修改。为了解决上述问题，并确保熏蒸疗法的效力，本论文报告了一种基于单片机的控制系统的设计，它精度高，体积小，可靠性高，具有良好的应用前景。

图1.温度控制系统的架构图

1. 系统概述

图1显示的是设计的控制系统图。它包括信号采集，中央处理，信息显示（发光二极管，液晶显示器），键盘控制，被控对象（加热器和风扇)等单元。操作者通过键盘设置温度和时间值，单片机AT89C52接收数据，使用脉冲宽度调制（PWM）技术执行控制算法计算，固态继电器控制加热炉加热功率和冷却风扇（辅助散热）。当温度高于设定点时，加热炉被停止，冷却风扇被启动，以促进散热。当温度下降到低于设定点时，加热炉被启动，同时冷却风扇停止。系统状态被连续地输送到发光二极管输出端和液晶显示器上。

1. 控制理论

熏蒸蒸汽温度控制是一个纯延迟系统，并且是一个相对复杂的控制对象。常规PID控制不是很有效。为了进一步提高其温度控制性能，本设计采用改进的PID控制策略。

3.1改进的PID算法

在改进的PID控制算法中，微分处理只应用于输出数据，但不应用于输入数据。差分输出信号包括目标参数及其变化率，然后这样的信号被馈送到在过冲预防中使用的PI控制器。该算法补偿系统的滞后效应，并且改善了整个熏蒸过程的性能。改进的PID控制系统具有如下传递函数：

(1)

其中代表比例积分控制器，是前项微分单元，表示排除时间滞后的控制对象的传递函数，包含控制对象的传递函数中的时间滞后分量。

3.2对象控制模型和PID参数初始化

该对象控制模型在一系列开环试验的基础上已经被建立起来：系统的默认初始温度是室温，即20℃。基于对多次运行的筛选实验的数据分析，我们选择了30秒作为采样间隔。然后可以获得稳定的实验数据，相应温度的阶跃响应曲线如图2所示。

图2.温度的阶跃响应曲线

PID控制器参数可通过使用一个通用的工程方法经过以下步骤萃取得到：

①发现控制对象的纯延迟时间tau;，及上升时间常数T。使用模型参数和特性响应曲线之间的关系，我们可以得到：，，系统增益

温度控制系统的参考模型则是：

（2）

②使用tau;，T的值以及相应控制程度，则、、的理论参考值可从自动调节对象的定值计算方程中得出。

③用上述方法确定的参数只能作为最初的参考值。采用PID控制运算公式和离散过程，PID算法可表示为：

（3）

其中，k是采样数，k=0,1,2,3，...,是第k个采样的计算机输出值，是第k个采样的输入偏差值，是抽样数的输入偏差值。

对于温度控制系统，通常的采样间隔在10秒到20秒之间。我们选择10s作为采样周期。为了获得更好的控制效果，闭环微调是必要的。基于特有的闭环响应数据，控制参数被重复修改，以达到最佳的温度控制性能。当设置温度是40℃时，控制参数已被计算为：，，

1. 算法实现

完整的系统程序由主程序，数据采集，控制和计算，以及输入/输出/显示模块组成。主程序主要用于系统初始化，数据处理和子程序的执行。该控制/计算模块执行PID运算，调整脉宽调制占空比，并控制熏蒸过程的加热和冷却功能。该系统软件的整体框图如图3所示。

该系统软件的工作流程：当系统上电或复位时，所有的模块进行初始化程序。

这包括初始化堆栈指针，端口设置，脉宽调制占空比设定，改进的PID运算等。然后软件和硬件模块进行自诊断，在此之后，定时器和外部中断被激活，并且系统进入循环模式。当发生中断时，系统首先查找干扰源。一旦中断源被识别，相应的应用程序模块被调用，以采取适当的反应。执行相应的程序后，控制系统总是返回到主程序，并开始下一个循环。

图3.系统软件的整体框图

在系统方案设计期间，建立控制算法和脉宽调制技术之间的联系是至关重要的。从该程序流可以看出控制算法的输出直接影响脉宽调制的输出。PID运算的最大值对应于脉宽调制占空比的最大输出，而PID运算的最小值对应于脉宽调制占空比的最小输出。在控制系统中,脉宽调制周期被设定为5秒，改进的PID运算结果最大值是100，最小值是0。脉宽调制占空比最大为100%，最小为0%。有下列关系：

(4)

其中P是系统的脉宽调制值。D是算法的输出振幅。A和B,分别表示该改进的PID算法的结果的上限和下限。C是系数。

1. 试验结果和数据分析

在熏蒸床上，对改进的PID控制和常规的PID控制进行了比较。我们监测相同初始条件下的性能。用20℃的初始温度，我们把所需的蒸汽温度设置在40℃。总的测量时间是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（虚线）是常规PID控制的动态响应，而曲线系列2（实线）是改进的PID控制的动态响应。由此可以看出，改进的PID控制显著缩短了初始加热时间，750秒后的温度已经稳定。随着时间的推移，温度振荡频率降低，并且振幅也会减小。所以发散趋势被有效地抑制，且温度最终变得稳定。改进的PID控制使温度偏差朝最小的方向变化，并且系统的温度稳定性好1℃，这是一个不错的性能。所述改进的PID控制已被证明远早于常规PID控制达到稳定状态。

1. 结论

为了减轻复杂的熏蒸蒸汽温度控制问题，如温度非线性，严重滞后效应，我们设计了熏蒸蒸汽温度控制系统，它结合了改进的PID算法与PWM技术。测试结果表明，该设计缩短了温度控制滞后时间，并且还减少了过度量。因此，它可以显著提高熏蒸处理效率。这种新的设计已被证明比常规的PID温度控制方法具有更好的温度控制性能。基于这种设计的熏蒸温度控制系统具有很好的稳定性和可靠性，并满足设计要求。在该设计中使用的电路和程序具有良好的通用性和可移植性，并有显著的应用潜力，并在医疗保健领域的推广价值高。

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