以单片机为核心的监控系统设计方案
来源:元器件交易网 作者:—— 时间:2011-12-12 11:43
本方案利用位置式PID算法,将温度传感器采样输入作为当前输入,接着与设定值进行相减得偏差,再进行PID运算产生输出结果,然后控制定时器的时间进而控制加热器。由中断定时器提供溢出频率为64 Hz的中断信号,配合主程序的PID运算结果来确定加热时间,实现加热器功率调节,该部分子程序流程图如图3所示。
上位机软件使用Delphi,由于Delphi不提供串口通信的ActiveX控件,仅有API函数可以使用,但API函数编程较为复杂,因此可将微软公司提供的Ac-tiveX控件Microsoft Communication Control 6.0(简称MSComm控件)引入到Delphi开发环境中,这样用户便可以像使用Delphi控件一样方便地利用MSComm控件进行计算机串口的通信编程。下面给出上位机命令的发送与数据接收的部分源程序:

3 系统调试
本系统的关键之处在于PID控制。对于PID系统来说,系统性能的好坏主要取决于PID控制参数的设定。由PID控制原理知;比例(P)控制能迅速反应误差,减小稳态误差;比例作用的加大,会引起系统的不稳定。积分(I)控制的作用,只要系统有偏差存在,积分作用不断地积累,输出控制量以消除误差;积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。微分(D)控制可以减小超调量,克服振荡,使系统的稳定性提高,同时加快系统的动态响应速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。本系统要达到的目标就是:反应速度尽可能快,超调量尽可能小,稳态误差趋近于0。
为能在上位机上实时显示温度的变化曲线,调节PID系统关键参数KP,KD使系统处于最佳运行状态就显得尤为重要。图4给出了在4种情况下温度随时间变化的调试曲线。由图可知:在KP=1.5,KD=1.0(温升:20~40℃)时,超调量过大;在KP=1.2,KD=1.0(温升:40~60℃)时,由于参数过小,系统的快速性不好,反应比较迟钝;在KP=-1.3,KD=1.0(温升:30~50℃)时,由于参数过小,系统的超调量比较大,而且预测性不好,造成温度长时间超调;在KP=1.3,KD=2.0(温升:50~70℃)时,选择适中,系统的超调量很小,而且超调维持时间很短就会恢复平衡点。此时温度控制指标如下:静态误差:T≤0.5℃;分辨率:0.1℃;超调量:T≤0.5℃。这样的情况下,系统运行情况可以达到最好。

4 结 语
以单片机AT89C51为中心,设计了一种温度监控功能系统。该系统简洁,温度数据采集和运算处理十分方便简单,扩展为多路温度监控系统容易。利用单片机的串行中断,采用Delphi编制上下位机通信程序,在上位机直接实时显示温度的变化曲线,便于直接观察控制的性能。通过调试找到了使控制最优的PID参数,在此情况下,系统运行良好,表明了本系统设计的可行性和有效性。
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