医用恒温箱控制(答辩用)

书目

《过程限制》课程设计任务...............................................2

1设计任务...............................................................3

2PID限制方案设计.......................................................3

2.1.2提取模型选择限制方法..............................................3

2.1.3限制方案的探讨.....................................................4

2.2PID限制方法.........................................................4

2.2.1PID限制的基本理论..................................................4

2.2.2设计PID限制器时的留意事项.......................................6

2.2.3阅历PID限制方法及其仿真曲线.....................................6

2.2.4对PID限制仿真曲线的分析........................................10

3.单片机硬件实现方案..................................................11

4.1整体方案选择......................................................11

4.1.1温度采集、DA转换.................................................11

4.1.2单片机选择........................................................14

4.1.3驱动和功率放大电路的选择.........................................15

5感受与体会..........................................................15

《过程限制》课程设计任务

专业自动化班级0802103

学生高世青尹招然巩玉雷刘涛指导老师冯乃章

题目医用恒温箱的温度限制

设计时间2011年11月28日至2011年12月4日共1周

温度限制在医学检测中具有重要的意义，过高或者过低的温度都会导致最终检测结

果的不精确，影响对病人身体状况的推断，延误病人的治疗，甚至发生事故。

恒温箱及其温度限制系统框图如下图所示。

恒温粕及其温度控制系统枢图

箱体由以卜.几部分组成：(1)箱体的两f则壁是散热良好的铝板(2)具有发热与制冷功能

设计要求的帕尔帖，紧贴于两铝板外侧，用于给箱体供应热能或制冷(3)分别帖于两铝板外侧

的温度传感器(4)箱体壁上有一门，使载物台可以在电机驱动下行走出箱体，以取液

样(5)电动机驱动载物台进行二维运动⑹箱体中心的温度传感器检测箱体内部温度

(7)箱体顶部检测头可伸缩，以检测载物台各小容器内液体。帕尔帖通过功率变换电

路受控于温度限制器，当电流正向流过帕尔帖，帕尔帕仕靠近箱体壁的一面发热，当

电流反向流过时制冷，电流越大传递热流越大。限制热流的大小和方向，实现对箱体

温度的限制。温度是表征物体内部分子热运动活跃程度的一个物理量，说明温度的变

更事实上就是能量的获得和损失过程，所以温度不会有较大的跳动性变更，限制对象

是一阶纯滞后的对象，设被控对象的传递函数为G(s)=--—6一品

15s+1

试用PID限制方法实现对医用恒温箱的温度限制。

要求：1、采纳常规的PID限制方法：2、系统超调小、时间短、无静差，给出限制策

略，说明参数整定过程；3、给出MATLAB下的SIMULINK框图和仿真曲线：4、给

出单片机的硬件实现方案(检测、限制回路芯片型号，从集成度、成本说明选择理由)。

指导老师签字:系(教研室)主任签字:

年月口

1设计任务

温度限制在医学检测中具有重要的意义，过高或者过低的温度都会导致最终

检测结果的不精确，影响医生对病人身体状况的推断，得到错误的结论，延误病

人的治疗，甚至发生医疗事故。

温控恒温箱箱体由以下几部分组成：（1）箱体的两侧壁是散热良好的铝板：（2）

具有发热与制冷功能的帕尔帖（peltier）,紧贴于两铝板外侧，用于给箱体供应

热能或对箱体进行制冷；（3）分别帖于两铝板外侧的温度传感器；（4）箱体壁上有

一门，使载物台可以在电机驱动下行走出箱体，以取液洋；（5）电动机驱动载物台

进行二维运动；（6）箱体中心的温度传感器检测箱体内部温度；（7）箱体顶部检测

头可伸缩，以检测载物台上各小容器内的液体。帕尔帖通过功率变换电路受控于

温度限制器，当电流正向流过帕尔帖时，帕尔帖在靠近箱体壁的一面发热，当电

流反向流过帕尔帖时在靠近箱体壁的一面制冷，而旦电流越大传递的热流越大，

以此限制热流的大小和方向，实现对箱体温度的限制。

通过热力学的探讨可知，温度是表征物体内部分子热运动活跃程度的一个物理

量，即说明温度的变更过程事实上就是能量的获得和损失过程，所以温度不会有

较大的跳动性变更，因此恒温箱的温度限制对象是一阶纯滞后的对象，假设被控

对象的传递函数为

试用PID限制方法实现对医用恒温箱的温度限制。

2PID限制方案设计

采纳PID限制方法，并利用单片机硬件电路实现，在P1D限制方面，采

Ziegler-Nichols（齐格勒一旦柯尔斯）法整定参数（自衡对象区=0.75）、科恩-库恩

法整定参数、采纳稳定边界法（临界比例带法）整定参数三种整定方式进行整定。

2.1.2提取模型选择限制方法

依据所查到的资料，从理论分析和试验结果上看，加热装置是一个具有自平衡实力的对

象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一

般可用一阶惯性滞后环行来描述温控对象的数学模型。

恒温箱的温度限制系统是常见的确定性系统，采纳飞升曲线测量方法，测出恒温箱温度

限制系统的匕升曲线，即可得到限制对象的数学模型。

图2-2温度飞升曲线

所以恒温箱温度限制系统的传递函数可由式

G(s)=(2-1)

155+1

束表示。

K一一对象的静态增益：

T——对象的时间常数：

r——对象的纯滞后时间。

2.1.3限制方案的探讨

通过对恒温箱的结构和系统探讨确定出可采纳的探讨方案，可采纳的限制方

案是PID限制，它是经典限制理论中最典型的限制方法，对工业生产过的线性定

常系统，在大多数状况下能够满足性能要求。

2.2PID限制方法

2.2.1PID限制的基本理论

PID是•种负反馈限制，用设定的限制目标值与受控对象的输出反馈值相比

较，对其差作比例、微分、积分后用来限制受控对象。下面是用MATLAB下的

SIMLLINK框图画出的PID限制器。

图2-3PID限制器结构图

志向的PID限制器依据给定值与实际输出值C0)构成的限制偏差e。)

e(/)=r(/)-c(r)；(2-2)

将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成限制量，对被控对象进行限制。

〃(/)=KJe⑴+/e(t)dt+Td等］(2-3)

u{t}——限制器的输出：

e(t)一一限制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号：

Kre(t)一一比例限制项，Kp为比例系数；

，［丁(。力一一积分限制项，(为积分时间常数：

T—e{t}一一微分限制项，7；为微分时间常数.

ddt

仆、7］、7；的变更对限制作用影响很大：

比例环节的引入是为了刚好成比例地反映限制系统的偏差信号式。，以最快的速度产生

限制作用，使偏差向最小的方向变更。Kp越小，比例调整的残差越大，从这一点说，Kp越

大能使残差越小。但K〃大则使调整系统的开环增益加大，从而可能导致系统激烈振荡也至

不稳定，系统首先要稳定，所以比例带的设定必需保证肯定的稳定裕度。

枳分环W的引入主要用于消退静差，即当闭环系统处于稳定状态时，则此时限制输出量

和限制偏差量都将保持在某一个常值上。(越大即枳分速度越小，枳分作用越弱，使过度

时间变长，达到稳定的速度越慢。(越小积分速度越快，而增大积分速度

会降低限制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。

微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它能反映偏差信

号的变更趋势，并能在偏差信号值变太大之前，在系统引入一个有效的早期修正

信号，从而加速系统的动态速度，减小调整时间。〃增大会加快系统的响应，降

低超调，增大系统稳定性，但4过大，会使系统的抗干扰实力减弱，而且微分环

节对纯滞后过程无效。

PID限制器中，"降、灯的选择假如合适，则能发挥它们的特长，从而

较好地限制系统，否则，不仅不能发挥各种调整作用，反而适得其反。

2.2.2设计PID限制器时的留意事项

1、积分饱和现象及其抑制。

采纳标准PID位置式算法，在实现限制的过程中，只要系统的偏差没有消退,

引起积分饱和，而对时间营数较大的被控对象，积分项的作用就可能使输出值超

过正常范围，造成较大的超调。为了克服这种现象，可以采纳过限消弱积分法和

积分分别法。

积分分别法的基本思想是：当误差大于某个规定的门限值时，删去积分作用，

从而使积分项不至于过大，只有当误差较小时，才引入积分作用，以消退稳态误

差。

2、干扰的抑制

数字PID限制器的输入量是系统的给定值「和系统实际输出y的偏差值e。在

进入正常调整过程后，由于e值不大，此时相对而言，干扰对限制器的影响也就

很大。为了消退干扰的影响，对于作用时间较短的快速变更的干扰，如A/D转换

偶然出错，可以用连续多次采样并求平均值的方法予以滤除。在PID限制算法中，

差分项对数据误差和干扰特殊敏感，因此•旦出现干扰，由它算出的结果可能出

现很大的非希望值。⑷

2.2.3阅历PID限制方法及其仿真曲线

在这一节中，我们用仿真软件Matlab和Siniulink进行仿真。Matlab语言有强

大的矩阵运算实力和良好的可视化功能，Simulink是基于模型图形化的组态软

件。用它们进行仿真，非常便利、直观。

1、采纳Zicglcr-Nicholsl齐珞勒一足柯尔斯）法整定参数（自衡对象”=0.75）

当被控对象的传递函数可以近似为带延迟的一阶系统时，我们可以采纳Z-N方法整定参

数。用阅历公式限制器P1D的参数为5=0.85的，Ti=2.0丁,7；=0.57，Kp=l俗。

得出的参数为Kp=0.735；降=0.046：K（i=2.94k

图2-4PID限制系统仿真结构图

图2-5Z-N阶跃响应法纯P1D限制响应曲线

调整时间L=90s,超调量6脏23乐稳态误差6=0。

2、采纳稳定边界法（临界比例带法）整定参数

这是一种闭环的整定方法°它基于纯比例限制系统临界振荡试验所得数据.

即临界比例带外,和临界振荡周期为利用一些阅历公式，求取调整器最佳

参数值。

图2-6求临界比例状态的系统仿真图

K『=L30时，呈现临界比例震荡。

图2-7阶跃响应临界比例震荡图

振荡周期匕=28S,输出曲线临界增益K”=l.30

PID参数3=1.67%,7；=0.57；,7；=0.1257；。所以,Kt,=1/Z)=0.778,g=0.0526,

Kd=2.5780

图2-8临界比例度法纯PID限制响应曲线

调整时间L=90s,超调量b断37%,稳态误差exx=0o

3、采纳科恩-库恩法整定参数（自衡对象少=0.75）

用阅历公式限制器PID的参数为仆=二伐+三],71=〃仔+”

Kr\34T）[13+8r/T

刀=”（“+：/r）°得出的参数为KO=0.9】67；K,=0.0056；K“=2.431。

图2-9PID限制系统仿真结构图

图2-10科恩-库恩整定法纯PID限制响应曲线

调整时间仆=120s,超调量6%=55%,稳态误差＜?„=0o

2.2.4对PID限制仿真曲线的分析

通过对比以上三种参数整定方法，我们发觉采纳Ziegler-Nichols（齐格勒一尼柯

尔斯）法整定参数的结果较为满足，它的调整时间《=905,超调量6断23乐稳

态误差45=。。

3.单片机硬件实现方案

随着电子技术和微型计算机的快速发展，微机测量和限制技术得到了快速的

发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在

温度测量与限制方面，限制简洁便利，测量范围广，精度较高。因此，基于单片

机的温度测量系统的探讨具有重大意义。

以卜部分是我们设计的医用恒温箱的温度限制系统的单片机的硬件实现方

案，实现温度采集，DA转换、驱动和功率变换电路、越限报警和温度显示等功

能。

4.1整体方案选择

4.1.1温度采集、DA转换

对于温度采集、DA转换部分，可供选择的设计方案较多，我们

主耍考虑以下三种方案。

方案一：采纳AD590模拟式温度传感器进行温度采集，采纳常用的

ADC0808芯片作为AD转换器件。

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特

性如下：

1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。

2、AD590的测温范围为-55℃〜+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V〜30V。电源电压可在4V~6V范围变更，电流

变更1mA,相当于温度变更IK。AD590可以承受44v正向电压和20V反向电压，

因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MW。

5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高。

在-55℃〜+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。，乍为鉴于ADC0808的模数

转换范围是0~5V和PROTEUS中没有AD590,故我们采纳了一个0~5V的输入电压

作为输入信号。其图如下图所示。（AD0808将0~5V模演信号转换为与之相对应

的0~255的数字信号。）

ADC0808是采样辨别率为8位的、以逐次靠近原埋进行模/数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以依据地址码锁存译码后的信号，只选通8

路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能

基本相同。一般在硬件仿真时采纳ADC0808进行A/D转换，实际运用时采纳

ADC0809进行A/D转换。我们选用的工作频率为500KHZ。

因为只须要转换一个通道的数据，故我们选定0通道作为我们的模拟信号输

入通道。下图是运用proteus设计的核心原理图:

PD.O/ALO

POI/AD'

P0.2/AIK

P0.3/AIK

P0.4/AD4

P0.5/AIM

PH

R$TP0.7/AD?

P2.0/缘

P2.1川

P22〃M0

P23/A1-

P2.4/A1：

P2RAJ3

P2.e/Al4

P2.7/AJ6

P3.0/RXD

AD590F4LS04--

U2

P3.VTD

P3.57FINOCLOCK

P3睡INISTART

P：：7TCIN2

IN3EOC

IN4

&21D7

IN5OUT1

2006

INeoun

IN7nun193

r18D4

0UT4

25803

ADDAOUTS

2415D2

ADDBoure14-Di

ADDCOUT7

17DO

ALEOUT$

VREF(+)

..AQCQ8QS

医用恒温箱控制系统<TEX1>

上图中，省去了单片机复位电路和外部时钟电路。通常电路在输出允许端是

不加74LS04反相器的，考虑到单片机一上电，P2.7端会产生一个高压，而这个

高压会使得0E有效。这种传统的设计方式的一个缺点是，假如AD0808工作出现

问题，在没有正式作用的次况下便产生了一个错误的输出，那么由于0E一上电

就有效了，便会误把错误的转换结果送给单片机，使得最终显示结果是错误的。

为了避开这种状况，本试验在P2.7与0E之间加了一个反相器，使得一上电便关

闭0E。此外，本系统因为只用到通道0,所以我们将ADDA,ADDB,ADDC接地。这

样就节约了芯片和端口资源。

方案二：采纳K型热电偶模数转换器MAX6675,K型热电偶依据热电偶测

温原理对箱内温度进行测量，干脆输出数字量，不须要AD转换，自带简洁的3

位串行接口,用于和单片机通讯;另外,MAX6675线性度好,价格便宜,测量范

围广.日它不须要冷端补偿，、电路困难简洁：MAX6675可以将模拟信号转换成

12bil对应的数字量，温度辨别率达到0.25摄氏度。

方案三:采纳DS18B20替换MAX6675,作为温度信息采集器件，输出干脆

和单片机相连。DALLAS公司生产的DS18B20单总线数字温度传感器，其测温范

围为-55℃~125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度，测温辨别率达到0.0625℃,

CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU总线少，可节约大量引线和逻

辑电路。

DS18B20产品的特点：

1、DS18B2O因为采纳了单总线技术，可通过串行口线，也可通过其他I/O口

线与微机T•脆接传感器T•脆输出被测温度值（二进制数）。

2、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

3、实际应用中不须要外部任何元器件即可实现测温。

4、测量温度范围在一55。C到+125。C之间。

5、数字温度计的辨别率用户可以从9位到12位选择。

6、内部有温度上、下限告警设置。

7、用户可自设定非易失性的报警上下限值。

8、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点

测温

9、负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作

DS18B20基本测温原理：

图中低温度系数品振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲

信号送给计数器I。高温度系数晶振随温度变更其振荡率明显变更,所产牛的信

号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在一55c所对应的一

个基数值。计数器I对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器

1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入，

计数器1重新起先对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计

数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所

测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修止测温过程中的非线性，其输出用于

修正计数器1的预置值。

以下是采纳系统原理图:

KTAL1rODTAPU

一PO.WAOI

P02fAt»Z

18

一XTALZP03TA03

一P0.4/A0«

；POSfAPS

P0JGTA06

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:P2VAB

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