冷庫恒溫控制系統的分析與設計

摘要：基于單片機的溫度控制系統，包括硬件開發、軟件編程與仿真調試等，采用積分分離ＰＩＤ技術以實現自動控制，主要研究了關于冷凍庫的蔬菜水果恒溫貯存問題，在過程控制中利用數字技術令溫度控制系統實現自適應。制作樣機均穩定運行，達到預定精度要求。

關鍵詞：蔬果貯存；單片機；溫度控制調節

中圖分類號：ＴＰ２７３ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）19－4059-03

The Analysis and Design of Cold Storage Temperature Control System

ＣＨＥＮ Ｃｈａｏ－ｄａ

（Ｔｉａｎｈｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０５４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ， ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， and so on， ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ＰＩＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ ｆｒｕｉｔｓ ａｎｄ ｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ ｉｎ ｃｏｌｄ ｓｔｏｒｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｄｅｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｏｎ ｐｒｏｔｏｔｙｐe.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｖｅｇｅｔａｂｌｅ and ｆｒｕｉｔ ｓｔｏｒａｇｅ； ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ； the adjustment of ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ

冷庫是利用降溫設施創造適宜的濕度和低溫條件的倉庫［１］，研究冷庫的恒溫貯存問題關系到蔬果保鮮和能源節約，意義深遠。基于單片機的溫度控制系統的硬件組成、軟件設計及相關的接口電路，并且充分考慮了系統的可靠性，采取了相應的措施予以保證。針對控制對象的特點，在系統辨識的基礎上對系統的控制算法進行了仿真研究，并在單片機系統中實現了控制算法。最后針對溫控系統進行了試驗，通過對試驗數據的分析，表明所述的溫度ＰＩＤ控制系統的設計的可行性和有效性。

１系統的工作原理及設計

１．１總體方案設計及基本原理

根據設計要求系統模塊可以劃分為：單片機、制冷機、顯示器、測溫單元、鍵盤單元。系統原理框圖如圖１所示。

根據方案設計，控制器主要用于對溫度測量信號的接受和處理，根據環境溫度控制冷庫制冷與否，控制顯示電路對溫度值實時顯示以及控制鍵盤實現對溫度值的設定，所以采用ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ作為系統控制器。單片機運算功能強，自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點。

一般冷庫多由制冷機制冷，利用氣化溫度很低的液體作為冷卻劑，使其在低壓和機械控制的條件下蒸發，吸收貯藏庫內的熱量，從而達到冷卻降溫的目的。最常用的是壓縮式冷藏機，主要由壓縮機、冷凝器和蒸發管等組成。按照蒸發管裝置的方式又可分直接冷卻和間接冷卻兩種。直接冷卻是將蒸發管安裝在冷藏庫房內，液態冷卻劑經過低壓蒸發管時，直接吸收庫房內的熱量而降溫。間接冷卻是由鼓風機將庫房內的空氣抽吸進空氣冷卻裝置，空氣被盤旋于冷卻裝置內的蒸發管吸熱后，再送入庫內而降溫。直接空氣冷卻方式的優點是冷卻迅速，庫內溫度較均勻，同時能將貯藏過程中產生的ＣＯ２等有害氣體帶出庫外［２］。

１．２測溫單元電路設計

系統采用半導體溫度傳感器作為敏感元件。傳感器采用ＤＳ１８Ｂ２０單總線可編程溫度傳感器來實現對溫度的采集和轉換，測量輸出信號為數字量，可以直接和單片機進行通訊，從而降低外圍電路的復雜度。ＤＳ１８Ｂ２０應用廣泛，性能可以滿足冷庫的恒溫控制設計要求，測溫電路如圖２所示。

ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存ＲＡＭ和一個非易失性的可電擦除的Ｅ２ＲＡＭ，后者存放高溫度和低溫度觸發器ＴＨ、ＴＬ和結構寄存器。暫存存儲器包含了０～８共９個字節，前兩個字節是測得的溫度信息，第一個字節的內容是溫度的低八位，第二個字節是溫度的高八位，第三個和第四個字節是ＴＨ、ＴＬ的易失性拷貝，第五個字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節的內容在每一次上電復位時被刷新，第六、七、八個字節用于內部計算［３］。第九個字節是冗余檢驗字節，該字節共８位，各位的意義如下：ＴＭ Ｒ１ Ｒ０ １ １ １ １ １。ＴＭ是測試模式位，用于設置ＤＳ１８Ｂ２０在工作模式還是在測試模式，ＤＳ１８Ｂ２０出廠時該位被設置為０，用戶不要改動。Ｒ１和Ｒ０用來設置分辨率，如表１所示。

１．３數據的通信方式和實現步驟

ＤＳ１８Ｂ２０可以程序設定９～１２位的分辨率，測量范圍為－５５～＋１２５ ℃，在－１０～＋８５ ℃范圍內精度可達±０．５ ℃。ＤＳ１８Ｂ２０中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以１２位轉化為例：用１６位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以０．０６２ ５ ℃／ＬＳＢ形式表達，其中Ｓ為符號位。溫度數據存儲在ＤＳ１８Ｂ２０的兩個８ ｂｉｔ的ＲＡＭ中，二進制中的前面５位是符號位，如果測得的溫度大于０，這５位為０，只要將測到的數值乘以０．０６２ ５即可得到實際溫度；如果溫度小于０，這５位為１，測到的數值需要取反加１再乘以０．０６２ ５即可得到實際溫度。例如：＋１２５ ℃的數字輸出為０７Ｄ０Ｈ；＋２５．０６２ ５ ℃的數字輸出為０１９１Ｈ；

－２５．０６２ ５ ℃的數字輸出為ＦＦ６ＦＨ；－５５ ℃的數字輸出為ＦＣ９０Ｈ。

主機和從機之間的通信主要分為３個步驟：初始化單線器件、識別單線器件和單線數據傳輸。由于只有一根線通信，所以它們必須是嚴格的主從結構。只有主機呼叫從機時，從機才能應答，主機訪問每個單線器件都必須嚴格遵循單線命令序列。如果命令序列混亂，單線器件將不會響應主機。Ｏｎｅ－ｗｉｒｅ通信協議有復位脈沖、應答脈沖、寫０、寫１、讀０、讀１這幾種信號類型組成。這些信號中，除了應答脈沖，其他均由主機發起，并且所有命令和數據都是字節的低位在前。

２溫控系統ＰＩＤ控制的調節過程

２．１ＰＩＤ控制技術的分析

在數字控制系統中，用數字調節器來代替模擬調節器，可使對被控對象的調節速度和調整精度得到進一步提高。其調節過程是首先采集參數信號，并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數字量，這些數字量通過計算機按一定的控制算法進行運算處理，運算結果經Ｄ／Ａ轉換成模擬量后，由模擬量輸出通道輸出，并通過執行機構控制輸入量以達到給定值。

在模擬控制系統中是將被測參數，如溫度、壓力、流量等由傳感器變換成統一的標準信號輸入調節器，在調節器中與給定值進行比較，再把比較出的差值經ＰＩＤ運算后送到執行機構，改變輸入量，以達到自動調節的目的［４］。

按偏差的比例、積分和微分進行控制的調節器簡稱為ＰＩＤ調節器，它的結構簡單，參數易于調整。在工業過程控制中由于控制對象的精確數學模型難以建立，系統的參數又經常發生變化，運用現代控制理論分析，要耗費很大代價進行模型辨識，而且往往不能得到預期的效果，所以常采用ＰＩＤ調節器，并根據經驗參數進行在線整定。

ＰＩＤ控制器是一種線性控制器，它根據給定值ｒ（ｔ）與實際輸出值ｙ（ｔ）構成控制偏差ｅ（ｔ）：

ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）－ｙ（ｔ） （１）

將偏差ｅ（ｔ）的比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、積分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）和微分（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，因此稱為ＰＩＤ控制。

其控制規律為：

ｕ（ｔ）＝Kｐ［ｅ（ｔ）＋■■ｅ（ｔ）ｄｔ＋TD■］ （２）

改寫成傳遞函數的形式為：

Ｇ（ｓ）＝Ｋｐ（１＋■＋ＴＤｓ） （３）

式中：Ｋｐ為比例系數；T１為積分時間常數；ＴＤ為微分時間常數。

ＰＩＤ控制器各校正環節的作用如下：

１）比例環節。即時成比例地反映控制系統的偏差信號ｅ（ｔ），偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。

２）積分環節。主要用于消除靜差，提高系統的無差度。但是積分作用不能太強（即積分時間常數不能太?。?，否則系統容易變得不穩定。

３）微分環節。能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

２．２系統仿真及實際應用

溫度變化是一種響應緩慢、滯后性大的過程，不能用標準的ＰＩＤ算法進行控制。當系統啟、停或大幅度提、降給定值時，短時間內的大偏差在積分控制作用下可使過渡過程出現大的超調和振蕩。過大的超調會對系統產生不利的影響，可運用計算機邏輯判斷的功能，使偏差ｅ（ｋ）大時積分不起作用，直至ｅ（ｋ）減小到一定值時，才將積分作用投入。這就是所謂積分分離ＰＩＤ控制或ＰＤ－ＰＩＤ選擇控制［５］。設積分分離值為Ｍ，則控制算法可表達為：

u（ｋ）＝■（４）

ＰＩＤ控制與ＰＤ-ＰＩＤ選擇控制比較，后者由于積分作用遲投入作用，開始時過渡過程較慢，但由于沒有積分引起的超調和振蕩，使整個過程還是較快且平穩地進行。

在ＭＡＴＬＡＢ中運行程序，得到圖３。由圖３可知，ＰＤ－ＰＩＤ選擇控制響應（圖３中實線）的振蕩時間明顯低于標準ＰＩＤ控制策略（圖３中虛線），而超調量卻比標準ＰＩＤ控制的小，輸出更加平滑。

利用ＰＤ-ＰＩＤ技術可以更好地進行恒溫控制，使蔬果保存更加新鮮，能源使用更加高效，制作的樣機經過長期測試，水果和蔬菜的貯藏參考技術指標達到表２中的水平。由表２可知，水果和蔬菜的貯藏保鮮期長，經濟效益高。如甜橙保鮮３～５個月、沙梨６～９個月、香菜４個月后，品質鮮嫩如初，總損耗不到５％。一般甜橙產地價只有１．０～１．５元／ｋｇ，而貯藏到春節前后售價可達５.0～７.0元／ｋｇ。

３小結

試驗結果表明，該設計完成了基于冷庫調溫技術的蔬果貯存方案，包括系統的硬件開發、軟件編程與仿真調試等。在分析了溫度特性后，利用ＭＡＴＬＡＢ工具對溫控的模型參數進行辨識，然后對ＰＩＤ控制器的參數進行整定，提出了積分分離ＰＩＤ控制技術，并且進行了試驗。在多次試驗測調中，制作的樣機均穩定運行，準確度高，對延長蔬果產品的保存期有重要的價值。下一步工作將從聯機運行方面考慮，只使用一套ＰＤ-ＰＩＤ設備，利用多機通信技術，把各個單獨的冷庫聯為一個網絡，再利用計算機信息平臺進行可視控制，這樣更符合高效節能的趨勢。

參考文獻：

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