醫(yī)用恒溫箱控制

1、目錄過程控制課程設(shè)計任務 21設(shè)計任務32 PID控制方案設(shè)計32.1.2提取模型選擇控制方法 32.1.3控制方案的研究 42.2 PID控制方法42.2.1PID 控制的基本理論 42.2.2設(shè)計PID控制器時的注意事項 62.2.3經(jīng)驗PID控制方法及其仿真曲線 62.2.4對PID控制仿真曲線的分析 103.單片機硬件實現(xiàn)方案114.1整體方案選擇114.1.1溫度采集、DA轉(zhuǎn)換114.1.2單片機選擇144.1.3驅(qū)動和功率放大電路的選擇 155 感受與體會15 A/D |垢£檢測頭 溫度傳感器過程控制課程設(shè)計任務專業(yè)自動化班級學生高世青 尹招然鞏玉雷 劉濤指導教師馮乃章題

2、目醫(yī)用恒溫箱的溫度控制設(shè)計時間2018年11月28 日 至2018 年12月4日共1 周設(shè)計要求溫度控制在醫(yī)學檢測中具有重要的意義，過高或者過低的溫度都會導致最后檢測 結(jié)果的不準確，影響對病人身體狀況的判斷，延誤病人的治療，甚至發(fā)生事故。恒溫箱及其溫度控制系統(tǒng)框圖如下圖所示。【A/D > A/D )*制器控制_ _ _ _ q r驅(qū)動屯時液祥箱體由以下幾部分組成：（1箱體的兩側(cè)壁是散熱良好的鋁板（2具有發(fā)熱與制冷功能的帕爾帖，緊貼于兩鋁板外側(cè)，用于給箱體提供熱能或制冷（3分別帖于兩鋁板外側(cè)的溫度傳感器（4箱體壁上有一門，使載物臺可以在電機驅(qū)動下行走出箱體，以取液 樣（5電動機驅(qū)動載物臺進

3、行二維運動（6箱體中央的溫度傳感器檢測箱體內(nèi)部溫度7箱體頂部檢測頭可伸縮，以檢測載物臺各小容器內(nèi)液體。帕爾帖通過功率變換電 路受控于溫度控制器，當電流正向流過帕爾帖，帕爾帖在靠近箱體壁的一面發(fā)熱， 當電流反向流過時制冷，電流越大傳遞熱流越大?？刂茻崃鞯拇笮『头较?，實現(xiàn)對 箱體溫度的控制。溫度是表征物體內(nèi)部分子熱運動活躍程度的一個物理量，說明溫 度的變化實際上就是能量的獲得和損失過程，所以溫度不會有較大的跳躍性變化， 控制對象是一階純滯后的對象，設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為1 = 1試用PID控制方法實現(xiàn)對醫(yī)用恒溫箱的溫度控制。要求：1、采用常規(guī)的PID控制方法；2、系統(tǒng)超調(diào)小、時間短、無靜差，給出控

4、制策 略，說明參數(shù)整定過程；3、給出MATLAB下的SIMULINK框圖和仿真曲線；4、給出單片機的硬件實現(xiàn)方案 檢測、控制回路芯片型號，從集成度、成本說明選擇理由 ）°指導教師簽字：系 教研室）主任簽字：年 月曰1設(shè)計任務溫度控制在醫(yī)學檢測中具有重要的意義，過高或者過低的溫度都會導致最后 檢測結(jié)果的不準確，影響醫(yī)生對病人身體狀況的判斷，得到錯誤的結(jié)論，延誤 病人的治療，甚至發(fā)生醫(yī)療事故。溫控恒溫箱箱體由以下幾部分組成:（1箱體的兩側(cè)壁是散熱良好的鋁板。（2具有發(fā)熱與制冷功能的帕爾帖（peltier ，緊貼于兩鋁板外側(cè)，用于給箱體 提供熱能或?qū)ο潴w進行制冷。（3分別帖于兩鋁板外側(cè)的溫

5、度傳感器。（4箱體 壁上有一門，使載物臺可以在電機驅(qū)動下行走出箱體，以取液樣。（5電動機驅(qū)動載物臺進行二維運動。（6箱體中央的溫度傳感器檢測箱體內(nèi)部溫度。（7箱體頂部檢測頭可伸縮，以檢測載物臺上各小容器內(nèi)的液體。帕爾帖通過功率變 換電路受控于溫度控制器，當電流正向流過帕爾帖時，帕爾帖在靠近箱體壁的 一面發(fā)熱，當電流反向流過帕爾帖時在靠近箱體壁的一面制冷，而且電流越大 傳遞的熱流越大，以此控制熱流的大小和方向，實現(xiàn)對箱體溫度的控制。通過熱力學的研究可知，溫度是表征物體內(nèi)部分子熱運動活躍程度的一個物 理量，即說明溫度的變化過程實際上就是能量的獲得和損失過程，所以溫度不 會有較大的跳躍性變化，因此恒

6、溫箱的溫度控制對象是一階純滯后的對象，假 設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為試用PID控制方法實現(xiàn)對醫(yī)用恒溫箱的溫度控制2 PID控制方案設(shè)計采用PID控制方法，并利用單片機硬件電路實現(xiàn)，在 PID控制方面，采Ziegler- Nichols（齊格勒一尼柯爾斯 >法整定參數(shù) < 自衡對象 一 ）、科恩-庫恩法整定 參數(shù)、采用穩(wěn)定邊界法 <臨界比例帶法）整定參數(shù)三種整定方式進行整定。2.1.2提取模型選擇控制方法根據(jù)所查到的資料，從理論分析和實驗結(jié)果上看，加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述，而二階系統(tǒng)通過參數(shù)辨識可以降為一階模型。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來

7、描述溫控對象的數(shù)學模型。恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)是常見的確定性系統(tǒng)，采用飛升曲線測量方法，測出恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的飛升曲線，即可得到控制對象的數(shù)學模型。圖2-2 溫度飛升曲線所以恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可由式I 粋<2-1）來表示。T 對象的靜態(tài)增益；對象的時間常數(shù)r 對象的純滯后時間。2.1.3控制方案的研究通過對恒溫箱的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)研究確定出可采用的研究方案，可采用的控制 方案是PID控制，它是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對工業(yè)生產(chǎn)過的線性 定常系統(tǒng)，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求。2.2PID控制方法221 PID控制的基本理論PID是一種負反饋控制，用設(shè)定的控制目標值與受控對象

8、的輸出反饋值相比 較，對其差作比例、微分、積分后用來控制受控對象。下面是用 MATLA下的 SIMULINKS圖畫出的PID控制器。圖2-3 PID控制器結(jié)構(gòu)圖理想的PID控制器根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差<2-2將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制?？刂破鞯妮敵?控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號比例控制項，為比例系數(shù);W - -一積分控制項，3為積分時間常數(shù)；.- -微分控制項，勺為微分時間常數(shù)。、匚、的改變對控制作用影響很大；比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號F ，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方

9、向變化。越小，比例調(diào)節(jié)的殘差越大，從這一點說，上越大能使殘差越小。但 上 大則使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益加大，從而可能導致系統(tǒng)激烈振 蕩甚至不穩(wěn)定，系統(tǒng)首先要穩(wěn)定，所以比例帶的設(shè)定必須保證一定的穩(wěn)定裕度。積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，則此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。越大即積分速度越小，積分作用越弱，使過度時間變長，達到穩(wěn)定的速度越慢。匚越小積分速度越快，而增大積分速 度會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應速度，它能反映偏差 信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期

10、 修正信號，從而加速系統(tǒng)的動態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時間。增大會加快系統(tǒng)的響應，降低超調(diào)，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性， 但 過大，會使系統(tǒng)的抗干擾能力減弱，而 且微分環(huán)節(jié)對純滯后過程無效。PID控制器中，、也、的選擇如果合適，貝唯發(fā)揮它們的長處，從而較好地控制系統(tǒng)，否則，不僅不能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)作用，反而適得其反。222設(shè)計PID控制器時的注意事項1、積分飽和現(xiàn)象及其抑制。采用標準PID位置式算法，在實現(xiàn)控制的過程中，只要系統(tǒng)的偏差沒有消 除，引起積分飽和，而對時間常數(shù)較大的被控對象，積分項的作用就可能使輸 出值超過正常范圍，造成較大的超調(diào)。為了克服這種現(xiàn)象，可以采用過限消弱 積分法和積分分離法。積分分離法的基本思想

11、是：當誤差大于某個規(guī)定的門限值時，刪去積分作 用，從而使積分項不至于過大，只有當誤差較小時，才引入積分作用，以消除 穩(wěn)態(tài)誤差。2、干擾的抑制數(shù)字PID控制器的輸入量是系統(tǒng)的給定值 和系統(tǒng)實際輸出的偏差值。 在進入正常調(diào)節(jié)過程后，因為 值不大，此時相對而言，干擾對控制器的影響也就很大。為了消除干擾的影響，對于作用時間較短的快速變化的干擾，女口A/D轉(zhuǎn)換偶然出錯，可以用連續(xù)多次采樣并求平均值的方法予以濾除。在PID控制算法中，差分項對數(shù)據(jù)誤差和干擾特別敏感，因此一旦出現(xiàn)干擾，由它算出的結(jié)果 可能出現(xiàn)很大的非希望值。223經(jīng)驗PID控制方法及其仿真曲線在這一節(jié)中，我們用仿真軟件 Matlab和Sim

12、ulink進行仿真。Matlab語言有 強大的矩陣運算能力和良好的可視化功能，Simulink是基于模型圖形化的組態(tài)軟件。用它們進行仿真，十分方便、直觀。第1章 采用Ziegler-Nichols(齊格勒一尼柯爾Z-N方法整定參斯法整定參數(shù) 自衡對象 當被控對象的傳遞函數(shù)可以近似為帶延遲的一階系統(tǒng)時，我們可以采用數(shù)。用經(jīng)驗公式控制器PID的參數(shù)為 亠亠 。得出的參數(shù)為=0.735 ；=0.046 ； =2.941。圖2-4 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖圖2-5Z-N階躍響應法純PID控制響應曲線調(diào)整時間目=90兇，超調(diào)量因=23%穩(wěn)態(tài)誤差 目=0。2、采用穩(wěn)定邊界法 臨界比例帶法）整定參數(shù)這是一種

13、閉環(huán)的整定方法。它基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩實驗所得數(shù)據(jù)，即 臨界比例帶§ cr和臨界振蕩周期為，利用一些經(jīng)驗公式，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù) 值。圖2-6求臨界比例狀態(tài)的系統(tǒng)仿真圖=1.30時，呈現(xiàn)臨界比例震蕩。圖2-7階躍響應臨界比例震蕩圖振蕩周期 =28,輸出曲線臨界增益=1.30所.亠 =0.778,囹=0.0526, I =2.578 。用經(jīng)驗公式控制器PID的參數(shù)為圖2-8臨界比例度法純PID控制響應曲線PID 參 數(shù)調(diào)整時間耳=90,超調(diào)量=37%穩(wěn)態(tài)誤差”1 =0。3、采用科恩-庫恩法整定參數(shù)（自衡對象圖2-9 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖圖2-10科恩-庫恩整定法純PID控制響

14、應曲線調(diào)整時間耳=120,超調(diào)量=55%穩(wěn)態(tài)誤差匚=0。2.2.4對PID控制仿真曲線的分析通過對比以上三種參數(shù)整定方法，我們發(fā)現(xiàn)采用 Ziegler-Nichols （齊格勒一尼柯 爾斯法整定參數(shù)的結(jié)果較為滿意，它的調(diào)整時間 回=90兇，超調(diào)量因=23%穩(wěn)態(tài)誤差=0。3.單片機硬件實現(xiàn)方案隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)得到了迅速 的發(fā)展和廣泛的應用。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應 用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。因此，基 于單片機的溫度測量系統(tǒng)的研究具有重大意義 以下部分是我們設(shè)計的醫(yī)用恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)的單片機的硬件實

15、現(xiàn)方 案，實現(xiàn)溫度采集，DA轉(zhuǎn)換、驅(qū)動和功率變換電路、越限報警和溫度顯示等功4.1整體方案選擇4.1.1溫度采集、DA轉(zhuǎn)換對于溫度采集、DA轉(zhuǎn)換部分，可供選擇的設(shè)計方案較多，我們 主要考慮以下三種方案。方案一：采用AD590模擬式溫度傳感器進行溫度采集，采用常用 的ADC0808芯片作為AD轉(zhuǎn)換器件。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：1、 流過器件的電流mA等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度 開爾文）度數(shù)。2、AD590的測溫范圍為-55 C+150C。3、AD590的電源電壓范圍為 4V30V。電源電壓可在 4V6V范圍變化，電 流 變化1mA相當于溫度變

16、化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向 電壓，因而器件反接也不會被損壞。4、輸出電阻為710MW5、 精度高。AD590共有I、J、K L、M五檔，其中M檔精度最高。在-55 C+150C范圍內(nèi)，非線性誤差為土 0.3 C。作為鑒于 ADC0808的模 數(shù)轉(zhuǎn)換范圍是05V和PROTEU中沒有AD590故我們采用了一個05V的輸入 電壓作為輸入信號。其圖如下圖所示。 VAD0808將05V模擬信號轉(zhuǎn)換為與之相 對應的0255的數(shù)字信號。）ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8

17、路模擬輸入信號中的一個進行 A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是 ADC0809的簡化版本，功 能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進行A/D轉(zhuǎn)換，實際使用時采用ADC0809S行A/D轉(zhuǎn)換。我們選用的工作頻率為 500KHZ因為只需要轉(zhuǎn)換一個通道的數(shù)據(jù)，故我們選定0通道作為我們的模擬信號輸入通道。下圖是運用proteus設(shè)計的核心原理圖: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:麗W :, i四；9口 1 : ? 甲；苗 嗎：斗M : $ 蛟d 07 ?3: M：31_14:»M莎,4_25id ；ii寶I1314 '!1OTATO8C51丄騷.-TEHhi6hiTECT>AOUDEFG OF12 34AD5-90?<S041D*? ' ' r:2l' D? 2D D& 舊 匚巧18 衛(wèi)98 BT-L1-21e7K="4.”

19、IN0CLOCI«IN1IMPSTARTINH IN4EOCINSDUTlINEQUT?IN73UT30UT4.ADDAQUT5«D0 BOUTSADO COUT?ALEQUTBVREFWVREFADE.AQCissue 訂 EST：=-丨醫(yī)用恒溫箱控制索統(tǒng)上圖中，省去了單片機復位電路和外部時鐘電路。通常電路在輸出允許端是不 加74LS04反相器的，考慮到單片機一上電，P2.7端會產(chǎn)生一個高壓，而這個 高壓會使得0E有效。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方式的一個缺點是，如果AD0808工作出現(xiàn)問題，在沒有正式作用的情況下便產(chǎn)生了一個錯誤的輸出，那么因為0E上電就有效了，便會誤把錯誤的轉(zhuǎn)換結(jié)

20、果送給單片機，使得最終顯示結(jié)果是錯誤 的。為了避免這種情況，本實驗在 P2.7與0E之間加了一個反相器，使得一上 電便關(guān)閉0E此外，本系統(tǒng)因為只用到通道 0,所以我們將ADDA ADDB ADDC 接地。這樣就節(jié)省了芯片和端口資源。方案二：采用K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675 K型熱電偶根據(jù)熱電偶測溫原理對箱內(nèi)溫度進行測量，直接輸出數(shù)字量，不需要 AD轉(zhuǎn)換，自帶簡單的 3位串行接口，用于和單片機通訊；另外， MAX6675線性度好，價格便宜，測量 范圍廣，且它不需要冷端補償，、電路復雜簡單；MAX6675可以將模擬信號轉(zhuǎn)換成12bit對應的數(shù)字量，溫度分辨率達到 0.25攝氏度。GNDM

21、C.一132SO1214Pl* 1測量T-Cs1115Pl. 214SCK1016Pl.3vcc|fVCCo. 1 mfMAX6675和單片機的連接電路圖方案三：采用DS18B20替換MAX6675作為溫度信息采集器件，輸出直接和單片機相連。DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，其測溫 范圍為-55 C 125C，可編程為 9位12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率達到 0.0625 C， CPU只需一根口線便能與 DS18B20®信，占用CPU總線少，可節(jié)省 大量引線和邏輯電路。DS18B20產(chǎn)品的特點：1、DS18B20因為采用了單總線技術(shù)，可通過串行口線，也可通過

22、其他I/O口線與微機直接接傳感器直接輸出被測溫度值 二進制數(shù)）。2、在DS18B2 0中的每個器件上都有獨一無二的序列號。3、實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。4、測量溫度范圍在一55。C到+ 125。C之間。5、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。6、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。7、用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。8、支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫9、負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作DS18B20基本測溫原理：圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的 脈沖信號送給計數(shù)器1。

23、高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生 的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55C所對應 的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計 數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1,計數(shù)器1的預置將重新被裝入 ，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到 計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用 于修正計數(shù)器1的預置值。N 比耳:十熬21叮 g. *l；“亍卜獨熱習i以下是采用系統(tǒng)原理圖:JT半SXTAL1POIVAGDFD.1VAD1 rasA&z>TAL2陽亦斡P 口 SA»SHSTFEJADTFZDT.SPZJMP2SA1SP辱前P33A11ALJE畑襯心EAP2SA13FZJ&UPZlfAISP1DFIDTRKPP1.1? gmP12F3J3$nfDP1JglimN理P3.<TTEP1J5P3ST1P1JSP3JWUR.'Pl.TfKO"113E muP8CDEFG DF1234RP1；il醫(yī)用恒溫箱控制系統(tǒng)6；Thxj>* 因為AD590俞出模擬量需要經(jīng)過 AD轉(zhuǎn)換