医用恒温箱控制

1、目录过程控制课程设计任务 21设计任务32 PID控制方案设计32.1.2提取模型选择控制方法 32.1.3控制方案的研究 42.2 PID控制方法42.2.1PID 控制的基本理论 42.2.2设计PID控制器时的注意事项 62.2.3经验PID控制方法及其仿真曲线 62.2.4对PID控制仿真曲线的分析 103.单片机硬件实现方案114.1整体方案选择114.1.1温度采集、DA转换114.1.2单片机选择144.1.3驱动和功率放大电路的选择 155 感受与体会15 A/D |垢£检测头 温度传感器过程控制课程设计任务专业自动化班级学生高世青 尹招然巩玉雷 刘涛指导教师冯乃章题

2、目医用恒温箱的温度控制设计时间2018年11月28 日 至2018 年12月4日共1 周设计要求温度控制在医学检测中具有重要的意义，过高或者过低的温度都会导致最后检测 结果的不准确，影响对病人身体状况的判断，延误病人的治疗，甚至发生事故。恒温箱及其温度控制系统框图如下图所示。【A/D > A/D )*制器控制_ _ _ _ q r驱动屯時液祥箱体由以下几部分组成：（1箱体的两侧壁是散热良好的铝板（2具有发热与制冷功能的帕尔帖，紧贴于两铝板外侧，用于给箱体提供热能或制冷（3分别帖于两铝板外侧的温度传感器（4箱体壁上有一门，使载物台可以在电机驱动下行走出箱体，以取液 样（5电动机驱动载物台进

3、行二维运动（6箱体中央的温度传感器检测箱体内部温度7箱体顶部检测头可伸缩，以检测载物台各小容器内液体。帕尔帖通过功率变换电 路受控于温度控制器，当电流正向流过帕尔帖，帕尔帖在靠近箱体壁的一面发热， 当电流反向流过时制冷，电流越大传递热流越大。控制热流的大小和方向，实现对 箱体温度的控制。温度是表征物体内部分子热运动活跃程度的一个物理量，说明温 度的变化实际上就是能量的获得和损失过程，所以温度不会有较大的跳跃性变化， 控制对象是一阶纯滞后的对象，设被控对象的传递函数为1 = 1试用PID控制方法实现对医用恒温箱的温度控制。要求：1、采用常规的PID控制方法；2、系统超调小、时间短、无静差，给出控

4、制策 略，说明参数整定过程；3、给出MATLAB下的SIMULINK框图和仿真曲线；4、给出单片机的硬件实现方案 检测、控制回路芯片型号，从集成度、成本说明选择理由 ）°指导教师签字：系 教研室）主任签字：年 月曰1设计任务温度控制在医学检测中具有重要的意义，过高或者过低的温度都会导致最后 检测结果的不准确，影响医生对病人身体状况的判断，得到错误的结论，延误 病人的治疗，甚至发生医疗事故。温控恒温箱箱体由以下几部分组成:（1箱体的两侧壁是散热良好的铝板。（2具有发热与制冷功能的帕尔帖（peltier ，紧贴于两铝板外侧，用于给箱体 提供热能或对箱体进行制冷。（3分别帖于两铝板外侧的温

5、度传感器。（4箱体 壁上有一门，使载物台可以在电机驱动下行走出箱体，以取液样。（5电动机驱动载物台进行二维运动。（6箱体中央的温度传感器检测箱体内部温度。（7箱体顶部检测头可伸缩，以检测载物台上各小容器内的液体。帕尔帖通过功率变 换电路受控于温度控制器，当电流正向流过帕尔帖时，帕尔帖在靠近箱体壁的 一面发热，当电流反向流过帕尔帖时在靠近箱体壁的一面制冷，而且电流越大 传递的热流越大，以此控制热流的大小和方向，实现对箱体温度的控制。通过热力学的研究可知，温度是表征物体内部分子热运动活跃程度的一个物 理量，即说明温度的变化过程实际上就是能量的获得和损失过程，所以温度不 会有较大的跳跃性变化，因此恒

6、温箱的温度控制对象是一阶纯滞后的对象，假 设被控对象的传递函数为试用PID控制方法实现对医用恒温箱的温度控制2 PID控制方案设计采用PID控制方法，并利用单片机硬件电路实现，在 PID控制方面，采Ziegler- Nichols（齐格勒一尼柯尔斯 >法整定参数 < 自衡对象 一 ）、科恩-库恩法整定 参数、采用稳定边界法 <临界比例带法）整定参数三种整定方式进行整定。2.1.2提取模型选择控制方法根据所查到的资料，从理论分析和实验结果上看，加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来

7、描述温控对象的数学模型。恒温箱的温度控制系统是常见的确定性系统，采用飞升曲线测量方法，测出恒温箱温度控制系统的飞升曲线，即可得到控制对象的数学模型。图2-2 温度飞升曲线所以恒温箱温度控制系统的传递函数可由式I 粋<2-1）来表示。T 对象的静态增益；对象的时间常数r 对象的纯滞后时间。2.1.3控制方案的研究通过对恒温箱的结构和系统研究确定出可采用的研究方案，可采用的控制 方案是PID控制，它是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过的线性 定常系统，在大多数情况下能够满足性能要求。2.2PID控制方法221 PID控制的基本理论PID是一种负反馈控制，用设定的控制目标值与受控对象

8、的输出反馈值相比 较，对其差作比例、微分、积分后用来控制受控对象。下面是用 MATLA下的 SIMULINKS图画出的PID控制器。图2-3 PID控制器结构图理想的PID控制器根据给定值与实际输出值构成的控制偏差<2-2将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。控制器的输出;控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号比例控制项，为比例系数;W - -一积分控制项，3为积分时间常数；.- -微分控制项，勺为微分时间常数。、匚、的改变对控制作用影响很大；比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号F ，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方

9、向变化。越小，比例调节的残差越大，从这一点说，上越大能使残差越小。但 上 大则使调节系统的开环增益加大，从而可能导致系统激烈振 荡甚至不稳定，系统首先要稳定，所以比例带的设定必须保证一定的稳定裕度。积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，则此时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。越大即积分速度越小，积分作用越弱，使过度时间变长，达到稳定的速度越慢。匚越小积分速度越快，而增大积分速 度会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它能反映偏差 信号的变化趋势，并能在偏差信号值变太大之前，在系统引入一个有效的早期

10、 修正信号，从而加速系统的动态速度，减小调节时间。增大会加快系统的响应，降低超调，增大系统稳定性， 但 过大，会使系统的抗干扰能力减弱，而 且微分环节对纯滞后过程无效。PID控制器中，、也、的选择如果合适，贝唯发挥它们的长处，从而较好地控制系统，否则，不仅不能发挥各种调节作用，反而适得其反。222设计PID控制器时的注意事项1、积分饱和现象及其抑制。采用标准PID位置式算法，在实现控制的过程中，只要系统的偏差没有消 除，引起积分饱和，而对时间常数较大的被控对象，积分项的作用就可能使输 出值超过正常范围，造成较大的超调。为了克服这种现象，可以采用过限消弱 积分法和积分分离法。积分分离法的基本思想

11、是：当误差大于某个规定的门限值时，删去积分作 用，从而使积分项不至于过大，只有当误差较小时，才引入积分作用，以消除 稳态误差。2、干扰的抑制数字PID控制器的输入量是系统的给定值 和系统实际输出的偏差值。 在进入正常调节过程后，因为 值不大，此时相对而言，干扰对控制器的影响也就很大。为了消除干扰的影响，对于作用时间较短的快速变化的干扰，女口A/D转换偶然出错，可以用连续多次采样并求平均值的方法予以滤除。在PID控制算法中，差分项对数据误差和干扰特别敏感，因此一旦出现干扰，由它算出的结果 可能出现很大的非希望值。223经验PID控制方法及其仿真曲线在这一节中，我们用仿真软件 Matlab和Sim

12、ulink进行仿真。Matlab语言有 强大的矩阵运算能力和良好的可视化功能，Simulink是基于模型图形化的组态软件。用它们进行仿真，十分方便、直观。第1章 采用Ziegler-Nichols(齐格勒一尼柯尔Z-N方法整定参斯法整定参数 自衡对象 当被控对象的传递函数可以近似为带延迟的一阶系统时，我们可以采用数。用经验公式控制器PID的参数为 亠亠 。得出的参数为=0.735 ；=0.046 ； =2.941。图2-4 PID控制系统仿真结构图图2-5Z-N阶跃响应法纯PID控制响应曲线调整时间目=90凶，超调量因=23%稳态误差 目=0。2、采用稳定边界法 临界比例带法）整定参数这是一种

13、闭环的整定方法。它基于纯比例控制系统临界振荡实验所得数据，即 临界比例带§ cr和临界振荡周期为，利用一些经验公式，求取调节器最佳参数 值。图2-6求临界比例状态的系统仿真图=1.30时，呈现临界比例震荡。图2-7阶跃响应临界比例震荡图振荡周期 =28,输出曲线临界增益=1.30所.亠 =0.778,囹=0.0526, I =2.578 。用经验公式控制器PID的参数为图2-8临界比例度法纯PID控制响应曲线PID 参 数调整时间耳=90,超调量=37%稳态误差”1 =0。3、采用科恩-库恩法整定参数（自衡对象图2-9 PID控制系统仿真结构图图2-10科恩-库恩整定法纯PID控制响

14、应曲线调整时间耳=120,超调量=55%稳态误差匚=0。2.2.4对PID控制仿真曲线的分析通过对比以上三种参数整定方法，我们发现采用 Ziegler-Nichols （齐格勒一尼柯 尔斯法整定参数的结果较为满意，它的调整时间 回=90凶，超调量因=23%稳态误差=0。3.单片机硬件实现方案随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速 的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应 用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。因此，基 于单片机的温度测量系统的研究具有重大意义 以下部分是我们设计的医用恒温箱的温度控制系统的单片机的硬件实

15、现方 案，实现温度采集，DA转换、驱动和功率变换电路、越限报警和温度显示等功4.1整体方案选择4.1.1温度采集、DA转换对于温度采集、DA转换部分，可供选择的设计方案较多，我们 主要考虑以下三种方案。方案一：采用AD590模拟式温度传感器进行温度采集，采用常用 的ADC0808芯片作为AD转换器件。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、 流过器件的电流mA等于器件所处环境的热力学温度 开尔文）度数。2、AD590的测温范围为-55 C+150C。3、AD590的电源电压范围为 4V30V。电源电压可在 4V6V范围变化，电 流 变化1mA相当于温度变

16、化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向 电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW5、 精度高。AD590共有I、J、K L、M五档，其中M档精度最高。在-55 C+150C范围内，非线性误差为土 0.3 C。作为鉴于 ADC0808的模 数转换范围是05V和PROTEU中没有AD590故我们采用了一个05V的输入 电压作为输入信号。其图如下图所示。 VAD0808将05V模拟信号转换为与之相 对应的0255的数字信号。）ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。 其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8

17、路模拟输入信号中的一个进行 A/D转换。ADC0808是 ADC0809的简化版本，功 能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809S行A/D转换。我们选用的工作频率为 500KHZ因为只需要转换一个通道的数据，故我们选定0通道作为我们的模拟信号输入通道。下图是运用proteus设计的核心原理图:U/L=pa.D/®oFft.l/ADIF0.2/AEEKTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4叩.印辱PA.6/AD6R5TPD.7/AD7巴吹P2.1jFZ.2/AWPSENP2.3/A11ALEP2.-VA12FJ.gXAIS?P2.6/

18、A14Pi.7/Al：5P1JP3.D/RXDPIJP3.1HXDP1 2P32ANTOP1.3P3.3/INT1PI 5P3M1PUfiFP3.BWRPl.7F3.7/RD:丽W :, i四；9口 1 : ? 甲；苗 吗：斗M : $ 蛟d 07 ?3: M：31_14:»M莎,4_25id ；ii宝I1314 '!1OTATO8C51丄騷.-TEHhi6hiTECT>AOUDEFG OF12 34AD5-90?<S041D*? ' ' r:2l' D? 2D D& 旧 匚巧18 卫98 BT-L1-21e7K="4.”

19、IN0CLOCI«IN1IMPSTARTINH IN4EOCINSDUTlINEQUT?IN73UT30UT4.ADDAQUT5«D0 BOUTSADO COUT?ALEQUTBVREFWVREFADE.AQCissue 订 EST：=-丨医用恒温箱控制索统上图中，省去了单片机复位电路和外部时钟电路。通常电路在输出允许端是不 加74LS04反相器的，考虑到单片机一上电，P2.7端会产生一个高压，而这个 高压会使得0E有效。这种传统的设计方式的一个缺点是，如果AD0808工作出现问题，在没有正式作用的情况下便产生了一个错误的输出，那么因为0E上电就有效了，便会误把错误的转换结

20、果送给单片机，使得最终显示结果是错误 的。为了避免这种情况，本实验在 P2.7与0E之间加了一个反相器，使得一上 电便关闭0E此外，本系统因为只用到通道 0,所以我们将ADDA ADDB ADDC 接地。这样就节省了芯片和端口资源。方案二：采用K型热电偶模数转换器 MAX6675 K型热电偶根据热电偶测温原理对箱内温度进行测量，直接输出数字量，不需要 AD转换，自带简单的 3位串行接口，用于和单片机通讯；另外， MAX6675线性度好，价格便宜，测量 范围广，且它不需要冷端补偿，、电路复杂简单；MAX6675可以将模拟信号转换成12bit对应的数字量，温度分辨率达到 0.25摄氏度。GNDM

21、C.一132SO1214Pl* 1测量T-Cs1115Pl. 214SCK1016Pl.3vcc|fVCCo. 1 mfMAX6675和单片机的连接电路图方案三：采用DS18B20替换MAX6675作为温度信息采集器件，输出直接和单片机相连。DALLAS公司生产的DS18B20单总线数字温度传感器，其测温 范围为-55 C 125C，可编程为 9位12位A/D转换精度，测温分辨率达到 0.0625 C， CPU只需一根口线便能与 DS18B20®信，占用CPU总线少，可节省 大量引线和逻辑电路。DS18B20产品的特点：1、DS18B20因为采用了单总线技术，可通过串行口线，也可通过

22、其他I/O口线与微机直接接传感器直接输出被测温度值 二进制数）。2、在DS18B2 0中的每个器件上都有独一无二的序列号。3、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。4、测量温度范围在一55。C到+ 125。C之间。5、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。6、内部有温度上、下限告警设置。7、用户可自设定非易失性的报警上下限值。8、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温9、负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作DS18B20基本测温原理：图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的 脉冲信号送给计数器1。

23、高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生 的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55C所对应 的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计 数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入 ，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到 计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用 于修正计数器1的预置值。N 比耳:十熬21叮 g. *l；“亍卜独热习i以下是采用系统原理图:JT半SXTAL1POIVAGDFD.1VAD1 rasA&z>TAL2阳亦斡P 口 SA»SHSTFEJADTFZDT.SPZJMP2SA1SP辱前P33A11ALJE畑衬心EAP2SA13FZJ&UPZlfAISP1DFIDTRKPP1.1? gmP12F3J3$nfDP1JglimN理P3.<TTEP1J5P3ST1P1JSP3JWUR.'Pl.TfKO"113E muP8CDEFG DF1234RP1；il医用恒温箱控制系统6；Thxj>* 因为AD590俞出模拟量需要经过 AD转换