基于PIC16F876的暖風機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

葛 宇

（河北建筑工程學院，河北 張家口075000）

0 引 言

暖風機主要供給機關、野戰(zhàn)醫(yī)院、機要通訊、維修等部門野營住帳或其它臨時性住房時取暖使用，亦可在固定營房使用，除用于取暖外，還可用于通風換氣.它主要由燃燒器、燃燒換熱器、控制系統(tǒng)、風機等部分組成.控制系統(tǒng)控制著包括燃燒器、風機等在內(nèi)的整個系統(tǒng)的運行過程，是暖風機設備的核心部分.因此，控制系統(tǒng)設計的好壞對暖風機設備至關重要［1］.

本次設計暖風機控制系統(tǒng)的硬件部分由上位機和下位機及其外圍電路組成.上位機采用PC機，通過與下位機間的通信實現(xiàn)對暖風機系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控；下位機及其外圍電路實現(xiàn)對溫度的檢測、顯示和實時控制.這種以單片機為核心的控制器還可以在不依賴上位機的情況下實現(xiàn)對暖風機的獨立控制.

暖風機控制系統(tǒng)在一定程度上是一個溫度控制系統(tǒng)，通過自動控制燃燒器、風機等輸出單元達到調(diào)節(jié)室溫的目的.它的加熱對象是時變、非線性的系統(tǒng)，很難建立其精確的數(shù)學模型.模糊控制技術不用建立控制對象的數(shù)學模型，可根據(jù)操作人員對被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗或?qū)＜业闹R為依據(jù)設計出控制器，實現(xiàn)對系統(tǒng)的快速并且穩(wěn)定的控制.因此，系統(tǒng)軟件設計時，將模糊控制算法引入其中［2］.

上下位機間通信使用MSComm控件實現(xiàn)［3］；并采用VB6.0對上位機界面進行了設計，使程序簡單、清晰，為用戶提供了直觀、友好的管理平臺.

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)選取室內(nèi)溫度作為主要被控制量，以燃燒器、風機、預熱器等執(zhí)行機構(gòu)作為控制手段.控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.暖風機自動控制系統(tǒng)選用價格低廉，性能優(yōu)良的PIC16F876單片機為核心控制器件，充分利用其提供的軟硬件資源，配以相應的外圍電路完成暖風機的自動控制［4］.系統(tǒng)硬件電路主要包括：溫度采集電路、人機接口電路、輸出控制電路、報警電路以及通訊接口電路.控制器能獨立對暖風機進行控制，同時也可以和上位機（PC機）進行通信.上位機可以對暖風機遠程監(jiān)控，并為用戶提供直觀、友好的界面.

控制系統(tǒng)由主控制器和遙控器組成.主控制器置于室外，遙控器室放在室內(nèi).一般家用電器遙控器都選用紅外線實現(xiàn)無線信號傳輸.考慮到紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，本系統(tǒng)中遙控器和主控制器之間采用屏蔽線作為信號的傳輸介質(zhì).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要分為三部分，暖風機模糊控制器的設計、下位機軟件設計和上位機軟件設計.

模糊控制器維數(shù)越高，則控制越精確、效果越好，但是維數(shù)過高控制器的結(jié)構(gòu)就會變得過于復雜，數(shù)據(jù)運算量大，控制算法實現(xiàn)起來也比較難［5］.本次設計采用二維結(jié)構(gòu).系統(tǒng)的輸入變量包括室溫、風溫，輸出包括預熱器、燃燒器和風機.表面上看本系統(tǒng)是個多輸入多輸出（MIMO）的系統(tǒng)，但考慮到控制室內(nèi)溫度的設計目標及模糊控制的特點，模糊控制器的輸入變量設定為：溫差e—室溫采樣值與室溫設定值之差，溫差變率ec—本次溫度采樣值與上次采樣值之差.模糊控制器分為離散式實現(xiàn)和連續(xù)式實現(xiàn)兩種.對于精度要求高、通用性強的系統(tǒng)，采用連續(xù)式實現(xiàn)，即“在線”計算相應于輸入量的輸出量；對于存儲量和計算時間要求高的系統(tǒng)采用離散式實現(xiàn)，即將輸入量離散，針對每一組輸入量計算其輸出，制成查詢表進行控制［6］.本文中模糊控制器的實現(xiàn)采用制成查詢表的方式.模糊控制工作流程如圖2所示.

圖3 主程序流程圖

圖2 模糊控制工作流程圖

在下位機軟件程序設計中，編寫了初始化程序、主程序、中斷程序、溫度采集模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊、輸出控制模塊和通信模塊.主程序是下位機軟件設計的中樞環(huán)節(jié)，是整個程序架構(gòu)的關鍵所在.本系統(tǒng)中主程序采用一種類似“單片機中斷響應過程”的程序結(jié)構(gòu)，它的特點是由事件使能任務或者說驅(qū)動模塊的執(zhí)行.該系統(tǒng)有多個任務，每個任務設置一個使能標志，由相關事件的發(fā)生使能該標志即將標志置為“1”.在主程序中查到這個標志為“1”時執(zhí)行該任務，將標志位清“0”.主程序流程如圖3所示.

上位機軟件程序設計是在VB6.0平臺上實現(xiàn)的，主要包括串口通信和數(shù)據(jù)顯示兩部分.串口通信是通過引用MSComm控件來實現(xiàn)的［7］，數(shù)據(jù)顯示的主要部分是借助VB強大的數(shù)據(jù)庫功能，用ADO（ActiveX Data Objects）控件連接到本地數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的.

3 結(jié) 論

本次設計上位機軟件只是進行了仿真測試，下一步可以制作實際硬件電路來測試.而其上位機界面只實現(xiàn)了參數(shù)設置、狀態(tài)查詢、查詢數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫等簡單的功能，還可以繼續(xù)設計來完成更多功能.同時可以考慮用虛擬儀器軟件Lab Windows／CVI來開發(fā)上位機軟件，這樣可以把采集來的數(shù)據(jù)用虛擬儀器軟件來處理分析，把原來一些用硬件實現(xiàn)的功能編程用軟件來實現(xiàn)，既節(jié)省了費用又提高了采集的精度.上位機監(jiān)控部分可以借鑒目前常見的中央空調(diào)的設計方案，用帶有操作系統(tǒng)的高性能嵌入式CPU取代上位機的位置構(gòu)成暖風機的中央控制器，高性能嵌入式CPU可以選擇ARM、FPGA等，操作系統(tǒng)可以選擇μC／OS－Ⅱ、嵌入式Linux等.這樣可以利用高性能嵌入式CPU的以太網(wǎng)接口，將中央控制器的監(jiān)控放在互聯(lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)用戶隨時隨地監(jiān)控.

［1］李俊.高原燃油暖風機的研制［J］.使用節(jié)能技術，2005，6：54～58

［2］胡愛蘭.油源恒溫模糊控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)［D］.湖南大學，2006

［3］殷軍輝，鄭堅，馬春庭，那榮智.基于單片機和MSComm通信控件的實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)開發(fā)［J］.科學技術與工程，2007，7（15）：3702～3706

［4］李寧.基于PC機和單片機主從式測控系統(tǒng)的設計［D］.西安理工大學，2008

［5］周萬利，基于模糊控制算法的船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱工程大學，2008

［6］劉宏偉，基于單片機的模糊控制方法及應用研究武［D］.漢理工大學，2007

［7］朱桂鳳，田鶯，田宇，基于 MSComm的串口通訊及PLC系統(tǒng)監(jiān)控軟件開發(fā)［J］.計算機工程與設計，2006，27（6）：1101～1105