摘 要：研究了基于單片機的溫濕度分時段控制系統(tǒng),重點研究溫度控制算法、濕度測量設計以及一些相關(guān)問題的處理方法,還給出了系統(tǒng)中斷服務程序流程圖。使用結(jié)果表明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、效果好。

關(guān)鍵詞:控制系統(tǒng); 溫度; 濕度; 控制算法; 測量

在生產(chǎn)部門和實驗室,溫濕度測量與控制的應用非常廣泛,但從使用現(xiàn)況和已有的研究報道來看,大多數(shù)控制系統(tǒng)的溫度和濕度在整個控制過程中是固定不變的。我們在項目《溫度/濕度因子與云煙烘烤質(zhì)量的相關(guān)分析》的開展中,需要一個溫濕度分時段變化的環(huán)境。為此,設計了以PIC單片機為核心的溫濕度分時段控制系統(tǒng),安裝在一氣候室中,取代其原有的控制系統(tǒng)并利用了箱體和大部分執(zhí)行部件,順利建成一溫濕度分時段變化環(huán)境。本系統(tǒng)的主要特點是：可將整個控制過程分成多個（zui多時12個）時段,每個時段設定不同的溫度和濕度（相對濕度）,溫度范圍為室溫~90oC ,濕度范圍為20~90%R.H 。由于是雙變量寬范圍變化系統(tǒng),變量有突變、變化范圍大,變量間有偶合作用,所以和已往的變量為固定值的系統(tǒng)相比,情況要復雜得多,在設計過程中,遇到一些新的問題。

溫濕度分時段控制設計

從鍵盤依次輸入定時時間1（階段1終值）、溫度1、濕度1、定時時間2（階段1終值+階段2終值）、………,相鄰放入一連續(xù)地址表列中,分、時、溫度值和濕度值各占一字節(jié),表尾字節(jié)設置一結(jié)束標志（ 如可置數(shù)FF）。系統(tǒng)通過一地址指針來查找定時時間和與之對應的溫、濕度設定值。初始狀態(tài)下,指針指向表列首址,對應于*階段。系統(tǒng)啟動時從0:00時分開始,進入運行后定時采樣溫、濕度測量值,并與當前階段的溫、濕度設定值比較后由控制算法得到相應控制量,控制量作用于輸出執(zhí)行模塊,從而實現(xiàn)溫、濕度的調(diào)控。系統(tǒng)運行過程中,地址指針漸次向后移動,一旦檢測到結(jié)束標志,即輸出報警信號,切斷輸出回路,全部工作過程結(jié)束。事實上,對于常用的時間-溫度-濕度工作模式,可將其存入系統(tǒng)EPROM中,使用時通過按鍵選擇其中之一,操作上就簡便的多。

溫度升溫為連續(xù)控制,輸出脈寬可調(diào)制型脈沖,用來控制電熱器升溫功率。由于升溫控制是工作過程中用得zui多的控制,所以其精度穩(wěn)定性提高了整個系統(tǒng)的控制性能。濕度加濕采用超生波電加濕器,去濕采用排濕風扇,濕度控制為開關(guān)控制。

溫度控制算法設計和仿真試驗

由于溫度屬于大延時慣性對象,經(jīng)分析比較,采用增量式PID控制算法[1]對溫度進行控制,取采樣周期T = 20s,用暫態(tài)響應法整定控制參數(shù),得到控制方程：
△U_i = 0.69△e_i – 0.04e_i + 3.1（△e_i - △e_i-1）（1）
式中 △U_I：本次和上次控制量之差;e_i：本次測量值;△e_i：本次和上次測量值之差。
為確定（1）式的調(diào)節(jié)效果,我們進行了仿真試驗：溫度設置值從30 ^oC開始,一段時間后躍變到45^oC。

試驗中,每隔10s測量一次溫度值,由此得到的溫度曲線見圖1,顯然,溫度過渡期間出現(xiàn)了明顯的過沖和寬幅振蕩現(xiàn)象（實測振幅達7 ^oC）。經(jīng)分析,過沖和振蕩是由于發(fā)熱器溫度的滯后特性、控制算法產(chǎn)生的飽和效應和采樣周期選擇不當?shù)仍蛟斐?。通過反復研究,zui后采取以下校正措施：過渡期一開始,控制量U即按zui大值Umax輸出;采樣周期修定為10s;當溫度>40 ^oC時,便定為進入45 ^oC的保溫段。相應地,（1）式修改為：
△U_i = 0.35△e_i – 0.023e_i + 1.57（△e_i - △e_i-1）（2）
經(jīng)校正后的溫度曲線見圖1,可見,過沖和振蕩現(xiàn)象已被基本抑制。仿真結(jié)果指出：在保溫段,溫度控制精度穩(wěn)定在±1 ^oC以內(nèi),偏差主要源于自然升溫段到保溫段的過渡時期。


圖1 過渡時期溫度曲線

濕度測量設計

目前濕度測量方法主要有兩種：一是采用干濕球原理用公式求得相對濕度;二是采用濕度傳感器。

干濕球測濕法試驗與結(jié)論

我們首先對干濕球法進行了試驗。干濕球測濕原理是：用一只熱電阻傳感器檢測空氣溫度（干球溫度）,用另一只相同的傳感器檢測被蒸餾水浸濕的面紗套內(nèi)的溫度（濕球溫度）,根據(jù)檢測的溫度差,再利用下式進行計算:

（Ａ：常數(shù),與風速有關(guān);P：大氣壓力。）
其中飽和水汽壓的計算是關(guān)鍵,我們采用LOWE多項式來近似計算飽和水汽壓:
　　　　　　　E = C₀ + C₁T + C₂T² + ┄ + C₆T⁶
（E：純水平液面飽和水汽壓（干球或濕球）;T：溫度（干球或濕球）;C₀～C₆：常數(shù)。）
試驗中,用北京長城航空測控技術(shù)研究所研制的雙高分子高精度濕度測量儀進行對比的結(jié)果是：在20~90%濕度范圍內(nèi),溫度較低時,對比偏差較小,溫度較高時,對比偏差較大,偏差隨溫度的上升而增加,70^oC左右時,已達到8% 。試驗表明,干濕球測濕法不適用于溫度較高的場合,這個結(jié)論對一些研究論文中的說法提出了異議,由于高溫環(huán)境下的較理想的計算公式一時難以導出,zui終我們放棄了這種測濕方案。

高分子薄膜電容式傳感器測濕設計

濕度傳感器使用較多的有如下幾種：陶瓷濕度傳感器、聚合物濕度傳感器、結(jié)露式濕度傳感器和電容式濕度傳感器,其中電容式濕度傳感器的線性度好、響應快、工作可靠,是濕度傳感器發(fā)展的主要趨勢,特別是新近推出的高分子薄膜式濕敏電容更是該類產(chǎn)品中的*,我們在系統(tǒng)的設計中選用了齊齊哈爾科達敏感儀器廠的MSR1高分子膜濕敏電容。

濕度傳感器經(jīng)運放電路進行濕—電轉(zhuǎn)換后,再通過A/D轉(zhuǎn)換器進入單片機。首先根據(jù)特性曲線,結(jié)合實際標定值,按1%的間隔建立起一個A/D轉(zhuǎn)化值與濕度值在特定溫度（20^oC）時的對應表格。因為是溫度大范圍變化環(huán)境,為保證測量精度,必須對溫度進行補償,為此,分別在30^oC、40^oC、50^oC、60^oC、70^oC 、80^oC 、90^oC 的溫度下,重復上述測量與數(shù)據(jù)處理過程,形成8個A/D轉(zhuǎn)化值與濕度值的對應表格,再用線性插值,zui終得到每隔1^oC的溫度補償值。將全部表格和數(shù)據(jù)寫入EPROM,測量時通過查表獲得濕度值。以上設計中,充分發(fā)揮了計算機的軟件優(yōu)勢,使得在溫度允許變化范圍內(nèi),濕度測量誤差不超過±2% 。

由于濕度變化較快,慣性較小,采用直接自適應控制算法對濕度進行控制。

軟件設計

軟件部分除主程序外,還包含有中斷服務、測量、鍵盤、顯示、控制算法、A/D轉(zhuǎn)換、溫度補償和查表等功能模塊。由于系統(tǒng)控制過程是由中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)的,本文給出了中斷服務程序流程圖（見圖2）,從中可以看到整個程序設計的思路和概貌.


結(jié)語

本系統(tǒng)研制成功投入運行一年多,使用結(jié)果表明,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、效果良好。系統(tǒng)盡管是為科研而開發(fā),也適合于農(nóng)副產(chǎn)品的烘烤與干制、食品的制作與加工、人工氣候箱等應用領(lǐng)域。