基于AVR單片機(jī)控制的恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

呂值敏

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫水箱的水溫進(jìn)行精確的調(diào)控，本文提出了基于AVR單片機(jī)控制的恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。利用AVR系列的ATmage48型單片機(jī)作為中央處理器設(shè)計(jì)了硬件電路，聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法作為軟件核心設(shè)計(jì)了恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可將水箱內(nèi)的水溫準(zhǔn)確快速的控制在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；恒溫水箱；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.209

0 前言

恒溫水箱的核心因素為將水箱內(nèi)的水溫按要求控制在一定的溫度范圍內(nèi)。水溫過高或者過低都將產(chǎn)生不良的影響。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫水箱的水溫進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的控制，本文提出了基于AVR單片機(jī)控制的恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。利用ATmage48單片機(jī)作為中央處理，獲取溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法，利用采集到的溫度數(shù)據(jù)以及設(shè)定的溫度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出調(diào)控量，最后中央處理器再根據(jù)調(diào)控量對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫水箱內(nèi)水溫的調(diào)控。

1 恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)首先通過溫度傳感器對(duì)水溫不斷的進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的水溫信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后送入中央控制器，接著中央控制器利用控制算法，根據(jù)設(shè)定溫度參數(shù)以及采集溫度信號(hào)計(jì)算出調(diào)控量，最后中央處理器根據(jù)調(diào)控量對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行調(diào)控，執(zhí)行部件根據(jù)調(diào)控信號(hào)對(duì)加熱器和制冷器進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫水箱溫度的調(diào)節(jié)。由此，本文對(duì)恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

2 溫度控制系統(tǒng)硬件電路原理及設(shè)計(jì)

通過從恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)原理的分析可知，硬件電路主要由四個(gè)部分組成，分別是人機(jī)交互部分、中央控制部分、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測部分、執(zhí)行部件控制部分。溫度控制的硬件電路如圖2所示。

從溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖圖2可見，液晶觸摸屏和警報(bào)電路組成了人機(jī)交互部分。在此，采用了迪文科技的DMT80480C070_15WT型7寸液晶觸摸屏作為人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，該液晶觸摸屏具有可視角度寬、分辨率高以及功耗低的特點(diǎn)，能夠滿足恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)的要求。同時(shí)還采用了喇叭和LED組成了警報(bào)電路。本文采用了ATmega48單片機(jī)作為中央處理器，該單片機(jī)具有高精度、速度快以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)恒溫水箱中對(duì)水溫進(jìn)行控制的要求。執(zhí)行部件控制部分主要為可控硅的控制電路，中央控制器通過對(duì)可控硅的開度進(jìn)行調(diào)控，從而控制流經(jīng)加熱器或者制冷器的電信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫進(jìn)行控制。

3 溫度控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的核心為控制算法的設(shè)計(jì)，本文將采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法作為本文的控制算法。PID算法具有原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因此頗受人們喜愛。當(dāng)用表示比例系數(shù)，表示積分系數(shù)，表示微分系數(shù)時(shí)。由于PID算法中的、、三個(gè)參數(shù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴性較大，導(dǎo)致PID的自適應(yīng)性能不佳，使得控制精度以及算法魯棒性不理想。對(duì)此，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修訂，以形成自適應(yīng)性能較強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)PID算法，以使得控制算法具有較好的控制精度以及魯棒性能。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有將強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能，在此將利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)、、三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修訂。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)、、的學(xué)習(xí)效率表示為、、時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)、、的修訂過程為：

（1）

（2）

（3）

其中，為輸入量，為雅克比行列式。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法修

訂后的PID算法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性能，有助于提高恒溫水箱的水溫控制精度。

4 結(jié)論

本文利用ATmega48單片機(jī)作為中央控制器，聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法設(shè)計(jì)了恒溫水箱溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)水箱內(nèi)的水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得恒溫水箱內(nèi)的水溫始終能保持在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

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