冷庫恒溫控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

摘要：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，包括硬件開發(fā)、軟件編程與仿真調(diào)試等，采用積分分離ＰＩＤ技術(shù)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，主要研究了關(guān)于冷凍庫的蔬菜水果恒溫貯存問題，在過程控制中利用數(shù)字技術(shù)令溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。制作樣機(jī)均穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到預(yù)定精度要求。

關(guān)鍵詞：蔬果貯存；單片機(jī)；溫度控制調(diào)節(jié)

中圖分類號：ＴＰ２７３ 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)施創(chuàng)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(guān)系到蔬果保鮮和能源節(jié)約，意義深遠(yuǎn)?；趩纹瑱C(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)的接口電路，并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應(yīng)的措施予以保證。針對控制對象的特點(diǎn)，在系統(tǒng)辨識的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了仿真研究，并在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了控制算法。最后針對溫控系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，表明所述的溫度ＰＩＤ控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

１系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計(jì)

１．１總體方案設(shè)計(jì)及基本原理

根據(jù)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)模塊可以劃分為：單片機(jī)、制冷機(jī)、顯示器、測溫單元、鍵盤單元。系統(tǒng)原理框圖如圖１所示。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，控制器主要用于對溫度測量信號的接受和處理，根據(jù)環(huán)境溫度控制冷庫制冷與否，控制顯示電路對溫度值實(shí)時(shí)顯示以及控制鍵盤實(shí)現(xiàn)對溫度值的設(shè)定，所以采用ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)，自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

一般冷庫多由制冷機(jī)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(jī)械控制的條件下蒸發(fā)，吸收貯藏庫內(nèi)的熱量，從而達(dá)到冷卻降溫的目的。最常用的是壓縮式冷藏機(jī)，主要由壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)管等組成。按照蒸發(fā)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(fā)管安裝在冷藏庫房內(nèi)，液態(tài)冷卻劑經(jīng)過低壓蒸發(fā)管時(shí)，直接吸收庫房內(nèi)的熱量而降溫。間接冷卻是由鼓風(fēng)機(jī)將庫房內(nèi)的空氣抽吸進(jìn)空氣冷卻裝置，空氣被盤旋于冷卻裝置內(nèi)的蒸發(fā)管吸熱后，再送入庫內(nèi)而降溫。直接空氣冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是冷卻迅速，庫內(nèi)溫度較均勻，同時(shí)能將貯藏過程中產(chǎn)生的ＣＯ２等有害氣體帶出庫外［２］。

１．２測溫單元電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對溫度的采集和轉(zhuǎn)換，測量輸出信號為數(shù)字量，可以直接和單片機(jī)進(jìn)行通訊，從而降低外圍電路的復(fù)雜度。ＤＳ１８Ｂ２０應(yīng)用廣泛，性能可以滿足冷庫的恒溫控制設(shè)計(jì)要求，測溫電路如圖２所示。

ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存ＲＡＭ和一個(gè)非易失性的可電擦除的Ｅ２ＲＡＭ，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器ＴＨ、ＴＬ和結(jié)構(gòu)寄存器。暫存存儲器包含了０～８共９個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位，第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是ＴＨ、ＴＬ的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新，第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算［３］。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，該字節(jié)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(shè)置ＤＳ１８Ｂ２０在工作模式還是在測試模式，ＤＳ１８Ｂ２０出廠時(shí)該位被設(shè)置為０，用戶不要改動(dòng)。Ｒ１和Ｒ０用來設(shè)置分辨率，如表１所示。

１．３數(shù)據(jù)的通信方式和實(shí)現(xiàn)步驟

ＤＳ１８Ｂ２０可以程序設(shè)定９～１２位的分辨率，測量范圍為－５５～＋１２５ ℃，在－１０～＋８５ ℃范圍內(nèi)精度可達(dá)±０．５ ℃。ＤＳ１８Ｂ２０中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以１２位轉(zhuǎn)化為例：用１６位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以０．０６２ ５ ℃／ＬＳＢ形式表達(dá)，其中Ｓ為符號位。溫度數(shù)據(jù)存儲在ＤＳ１８Ｂ２０的兩個(gè)８ ｂｉｔ的ＲＡＭ中，二進(jìn)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(shù)值乘以０．０６２ ５即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于０，這５位為１，測到的數(shù)值需要取反加１再乘以０．０６２ ５即可得到實(shí)際溫度。例如：＋１２５ ℃的數(shù)字輸出為０７Ｄ０Ｈ；＋２５．０６２ ５ ℃的數(shù)字輸出為０１９１Ｈ；

－２５．０６２ ５ ℃的數(shù)字輸出為ＦＦ６ＦＨ；－５５ ℃的數(shù)字輸出為ＦＣ９０Ｈ。

主機(jī)和從機(jī)之間的通信主要分為３個(gè)步驟：初始化單線器件、識別單線器件和單線數(shù)據(jù)傳輸。由于只有一根線通信，所以它們必須是嚴(yán)格的主從結(jié)構(gòu)。只有主機(jī)呼叫從機(jī)時(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答，主機(jī)訪問每個(gè)單線器件都必須嚴(yán)格遵循單線命令序列。如果命令序列混亂，單線器件將不會(huì)響應(yīng)主機(jī)。Ｏｎｅ－ｗｉｒｅ通信協(xié)議有復(fù)位脈沖、應(yīng)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(yīng)答脈沖，其他均由主機(jī)發(fā)起，并且所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。

２溫控系統(tǒng)ＰＩＤ控制的調(diào)節(jié)過程

２．１ＰＩＤ控制技術(shù)的分析

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器，可使對被控對象的調(diào)節(jié)速度和調(diào)整精度得到進(jìn)一步提高。其調(diào)節(jié)過程是首先采集參數(shù)信號，并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，這些數(shù)字量通過計(jì)算機(jī)按一定的控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換成模擬量后，由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸入量以達(dá)到給定值。

在模擬控制系統(tǒng)中是將被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量等由傳感器變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號輸入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，再把比較出的差值經(jīng)ＰＩＤ運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變輸入量，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的［４］。

按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為ＰＩＤ調(diào)節(jié)器，它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整。在工業(yè)過程控制中由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析，要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辨識，而且往往不能得到預(yù)期的效果，所以常采用ＰＩＤ調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行在線整定。

ＰＩＤ控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值ｒ（ｔ）與實(shí)際輸出值ｙ（ｔ）構(gòu)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(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，因此稱為ＰＩＤ控制。

其控制規(guī)律為：

ｕ（ｔ）＝Kｐ［ｅ（ｔ）＋■■ｅ（ｔ）ｄｔ＋TD■］ （２）

改寫成傳遞函數(shù)的形式為：

Ｇ（ｓ）＝Ｋｐ（１＋■＋ＴＤｓ） （３）

式中：Ｋｐ為比例系數(shù)；T１為積分時(shí)間常數(shù)；ＴＤ為微分時(shí)間常數(shù)。

ＰＩＤ控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

１）比例環(huán)節(jié)。即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號ｅ（ｔ），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

２）積分環(huán)節(jié)。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。但是積分作用不能太強(qiáng)（即積分時(shí)間常數(shù)不能太?。?，否則系統(tǒng)容易變得不穩(wěn)定。

３）微分環(huán)節(jié)。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(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

２．２系統(tǒng)仿真及實(shí)際應(yīng)用

溫度變化是一種響應(yīng)緩慢、滯后性大的過程，不能用標(biāo)準(zhǔn)的ＰＩＤ算法進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)啟、?；虼蠓忍?、降給定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)的大偏差在積分控制作用下可使過渡過程出現(xiàn)大的超調(diào)和振蕩。過大的超調(diào)會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，可運(yùn)用計(jì)算機(jī)邏輯判斷的功能，使偏差ｅ（ｋ）大時(shí)積分不起作用，直至ｅ（ｋ）減小到一定值時(shí)，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(shè)積分分離值為Ｍ，則控制算法可表達(dá)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(shí)過渡過程較慢，但由于沒有積分引起的超調(diào)和振蕩，使整個(gè)過程還是較快且平穩(wěn)地進(jìn)行。

在ＭＡＴＬＡＢ中運(yùn)行程序，得到圖３。由圖３可知，ＰＤ－ＰＩＤ選擇控制響應(yīng)（圖３中實(shí)線）的振蕩時(shí)間明顯低于標(biāo)準(zhǔn)ＰＩＤ控制策略（圖３中虛線），而超調(diào)量卻比標(biāo)準(zhǔn)ＰＩＤ控制的小，輸出更加平滑。

利用ＰＤ-ＰＩＤ技術(shù)可以更好地進(jìn)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(jī)經(jīng)過長期測試，水果和蔬菜的貯藏參考技術(shù)指標(biāo)達(dá)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(jīng)濟(jì)效益高。如甜橙保鮮３～５個(gè)月、沙梨６～９個(gè)月、香菜４個(gè)月后，品質(zhì)鮮嫩如初，總損耗不到５％。一般甜橙產(chǎn)地價(jià)只有１．０～１．５元／ｋｇ，而貯藏到春節(jié)前后售價(jià)可達(dá)５.0～７.0元／ｋｇ。

３小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完成了基于冷庫調(diào)溫技術(shù)的蔬果貯存方案，包括系統(tǒng)的硬件開發(fā)、軟件編程與仿真調(diào)試等。在分析了溫度特性后，利用ＭＡＴＬＡＢ工具對溫控的模型參數(shù)進(jìn)行辨識，然后對ＰＩＤ控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，提出了積分分離ＰＩＤ控制技術(shù)，并且進(jìn)行了試驗(yàn)。在多次試驗(yàn)測調(diào)中，制作的樣機(jī)均穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確度高，對延長蔬果產(chǎn)品的保存期有重要的價(jià)值。下一步工作將從聯(lián)機(jī)運(yùn)行方面考慮，只使用一套ＰＤ-ＰＩＤ設(shè)備，利用多機(jī)通信技術(shù)，把各個(gè)單獨(dú)的冷庫聯(lián)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，再利用計(jì)算機(jī)信息平臺進(jìn)行可視控制，這樣更符合高效節(jié)能的趨勢。

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