溫濕度分時(shí)段控制研究

摘要:研究基于單片機(jī)的溫濕度分時(shí)段控制系統(tǒng)，重點(diǎn)研究溫度控制算法、濕度測(cè)量設(shè)計(jì)以及一些相關(guān)問(wèn)題的處理方法，給出了硬件電路框圖和軟件中斷服務(wù)程序流程圖。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、效果好。

我們?cè)陧?xiàng)目《溫度/濕度因子與云煙烘烤質(zhì)量的相關(guān)分析》中，需要一個(gè)溫濕度分時(shí)段變化的環(huán)境，為此，設(shè)計(jì)了以PIC單片機(jī)為核心的溫濕度分時(shí)段控制系統(tǒng)，安裝在一氣候室中，取代其原有的控制系統(tǒng)并利用了箱體和大部分執(zhí)行部件，建成一溫濕度分時(shí)段變化環(huán)境。本系統(tǒng)可將整個(gè)控制過(guò)程分成多個(gè)（最多時(shí)12個(gè)）時(shí)段，每個(gè)時(shí)段設(shè)定不同的溫度和濕度，溫度范圍為室溫~90oC ，濕度范圍為20~90%R.H 。但由于是雙變量、寬范圍變化系統(tǒng)，變量變化范圍大，變量間有偶合作用，比已往情況要復(fù)雜得多，所以遇到了一些新的問(wèn)題。

溫度控制算法設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)
由于溫度屬于大延時(shí)慣性對(duì)象，經(jīng)分析比較，采用增量式PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，取采樣周期T = 20s，用暫態(tài)響應(yīng)法整定控制參數(shù)，得到控制方程：
△Ui = 0.69△ei - 0.04ei + 3.1(△ei - △ei-1) (1)
式中△UI：本次和上次控制量之差；ei：本次測(cè)量值；△ei：本次和上次測(cè)量值之差。
為確定（1）式的調(diào)節(jié)效果，我們進(jìn)行了仿真試驗(yàn)：將溫度控制分成兩個(gè)時(shí)段，第一時(shí)段溫度設(shè)置為30oC，運(yùn)行時(shí)間30分鐘，第二時(shí)段溫度設(shè)置為45oC。試驗(yàn)中，每隔10s記錄一次溫度值，然后把時(shí)間-溫度對(duì)應(yīng)數(shù)值標(biāo)在坐標(biāo)紙上并連接成溫度曲線，見圖1。顯然，溫度過(guò)渡期間出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖和寬幅振蕩現(xiàn)象（實(shí)測(cè)振幅達(dá)7 oC）。經(jīng)分析，過(guò)沖和振蕩是由于發(fā)熱器溫度的滯后特性、控制算法產(chǎn)生的飽和效應(yīng)和采樣周期選擇不當(dāng)?shù)仍蛟斐?。通過(guò)反復(fù)研究，最后采取以下校正措施：過(guò)渡期一開始， 控制量U即按
最大值Umax輸出；采樣周期修定為10s；當(dāng)溫度>40 oC時(shí)，便定為進(jìn)入45 oC的保溫段。相應(yīng)地，（1）式修改為：
△Ui = 0.35△ei - 0.023ei + 1.57(△ei - △ei-1) (2)
校正前和校正后的溫度曲線見圖1，可見，過(guò)沖和振蕩現(xiàn)象已被基本抑制。仿真結(jié)果指出：在保溫段，溫度控制精度穩(wěn)定在±1 oC以內(nèi)，偏差主要源于自然升溫段到保溫段的過(guò)渡時(shí)期。
圖1 過(guò)渡時(shí)期溫度曲線(帶'Х'段為校正后曲線段)

濕度測(cè)量設(shè)計(jì)
目前基于單片機(jī)的濕度測(cè)量方法主要有兩種：一是采用干濕球法，二是采用濕度傳感器。
干濕球測(cè)濕法試驗(yàn)與結(jié)論
我們首先對(duì)干濕球法進(jìn)行了試驗(yàn)。干濕球測(cè)濕原理是：用一只熱電阻傳感器檢測(cè)空氣溫度（干球溫度），用另一只相同的傳感器檢測(cè)被蒸餾水浸濕的面紗套_的溫度（濕球溫度），根據(jù)檢測(cè)的溫度差，再利用下式進(jìn)行計(jì)算[6]:相對(duì)濕度={[濕度飽和水氣壓-AP（干球溫度-濕球溫度）]/干球飽和水氣壓}*100%
（Ａ：常數(shù)，與風(fēng)速有關(guān)；P：大氣力。）
其中飽和水汽壓的計(jì)算是關(guān)鍵，我們采用LOWE多項(xiàng)式來(lái)近似計(jì)算飽和水汽壓:
　　　　　　　E = C0 + C1T + C2T2 + ┄ + C6T6
（E：純水平液面飽和水汽壓（干球或濕球）；T：溫度（干球或濕球）；C0_C6：常數(shù)。）
試驗(yàn)中，用北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所研制的雙高分子高精度濕度測(cè)量?jī)x進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果是：在20~90%濕度范圍內(nèi)，溫度較低時(shí)，對(duì)比偏差較小，偏差隨溫度的上升而增加，70oC左右時(shí)，已達(dá)到8% 。試驗(yàn)表明，干濕球測(cè)濕法不適用于溫度較高的場(chǎng)合，這個(gè)結(jié)論對(duì)一些研究論文中的說(shuō)法提出了異議，由于高溫環(huán)境下的較理想的計(jì)算公式一時(shí)難以導(dǎo)出，最終我們放棄了這種測(cè)濕方案，但卻提出了一個(gè)新的研究課題。
高分子薄膜電容式傳感器測(cè)濕設(shè)計(jì)
濕度傳感器使用較多的有如下幾種：陶瓷濕度傳感器、聚合物濕度傳感器、結(jié)露式濕度傳感器和電容式濕度傳感器，其中電容式濕度傳感器的線性度好、響應(yīng)快、工作可靠，是濕度傳感器發(fā)展的主要趨勢(shì)，特別是新近推出的高分子薄膜式濕敏電容更是該類產(chǎn)品中的佼佼者，我們?cè)谙到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用了齊齊哈爾科達(dá)敏感儀器廠的MSR1高分子膜濕敏電容。

圖1 過(guò)渡時(shí)期溫度曲線(帶“Х”段為校正后曲線段)

圖2 硬件系統(tǒng)組成

圖3 中斷服務(wù)程序框圖

濕度傳感器經(jīng)運(yùn)放電路進(jìn)行濕—電轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)。首先根據(jù)特性曲線，結(jié)合實(shí)際標(biāo)定值，按1%的間隔建立起一個(gè)A/D轉(zhuǎn)化值與濕度值在特定溫度（20oC）時(shí)的對(duì)應(yīng)表格。因?yàn)槭菧囟却蠓秶兓h(huán)境，為保證測(cè)量精度，必須對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，為此，分別在30oC、40oC、50oC、60oC、70oC 、80oC 、90oC 的溫度下，重復(fù)上述測(cè)量與數(shù)據(jù)處理過(guò)程，形成8個(gè)A/D轉(zhuǎn)化值與濕度值的對(duì)應(yīng)表格，再用線性插值，最終得到每隔1oC的溫度補(bǔ)償值。將全部表格和數(shù)據(jù)寫入EPROM，測(cè)量時(shí)通過(guò)查表獲得濕度值。以上設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的軟件優(yōu)勢(shì)，使得在溫度允許變化范圍內(nèi)，濕度測(cè)量誤差不超過(guò)±2% 。由于濕度變化較快，慣性較小，采用直接自適應(yīng)控制算法對(duì)濕度進(jìn)行控制。
在以上濕度測(cè)量的設(shè)計(jì)過(guò)程中，試驗(yàn)了幾個(gè)廠家生產(chǎn)的不同型號(hào)的電容式傳感器，進(jìn)而加深了其認(rèn)識(shí)，有必要做一些說(shuō)明，以便同行研制開發(fā)類似產(chǎn)品時(shí)參考：①每一個(gè)傳感器，均給出了兩個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)（例如0%的輸出電壓值和50%的輸出電壓值），由于傳感器具有良好的線性度，根據(jù)這兩點(diǎn)可畫出對(duì)應(yīng)溫度為25 oC時(shí)的輸出特性曲線，不必再進(jìn)行標(biāo)定。廠家還給出了一個(gè)溫度補(bǔ)償計(jì)算公式：真實(shí)輸出電壓值=傳感器的輸出電壓值/（a+bT）（a、b為確定的數(shù)據(jù)，T為環(huán)境溫度，當(dāng)T等于25 oC時(shí)，a+bT=1）。于是，根據(jù)此公式可得到不同溫度下的輸出特性曲線。不少?gòu)S家宣稱，傳感器的適應(yīng)范圍是-10 oC~90oC和20~90%的全濕全溫區(qū)域，事實(shí)上，我們經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著溫濕度的增加，以上得到的特性曲線的誤差也越來(lái)越大，特別是在溫度>80oC和濕度>80%的高溫高濕區(qū)，誤差會(huì)達(dá)到無(wú)法接受的程度。所以，高溫高濕區(qū)的特性曲線應(yīng)該通過(guò)實(shí)際標(biāo)定而不是通過(guò)廠家給出的方法來(lái)獲得。②在放置傳感器的微觀環(huán)境中，風(fēng)速應(yīng)保持恒定，否則會(huì)引起測(cè)量的不穩(wěn)定性，必要時(shí)可加模擬風(fēng)。
硬件系統(tǒng)組成
系統(tǒng)控制核心選用PIC16C72單片機(jī)，由于片內(nèi)自帶EPROM、A/D電路，且22個(gè)I/O口均具有較強(qiáng)的負(fù)載能力（可直接驅(qū)動(dòng)LED），所以本硬件電路只須很少的外圍元件，硬件系統(tǒng)組成見圖2。五路執(zhí)行模塊分別實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的控制，其中升溫為連續(xù)控制，單片機(jī)輸出的脈寬可調(diào)制型脈沖，經(jīng)光電可控硅隔離、驅(qū)動(dòng)，控制電熱器升溫功率。由于升溫控制是工作過(guò)程中使用最多的控制，所以其高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。濕度控制為開關(guān)控制，濕度加濕采用超生波電加濕器，去濕采用排濕風(fēng)扇。
圖2 硬件系統(tǒng)組成

軟件設(shè)計(jì)
軟件部分除主程序外，還包含有中斷服務(wù)、測(cè)量、鍵盤、顯示、控制算法、A/D轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償和查表等功能模塊。由于系統(tǒng)控制過(guò)程是由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的，本文給出了中斷服務(wù)程序流程圖（見圖3）,從中可以看到整個(gè)程序設(shè)計(jì)的思路和概貌.

結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)研制成功投入運(yùn)行一年多，使用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、效果良好。另外，本系統(tǒng)盡管是為科研而開發(fā)，也適合于農(nóng)副產(chǎn)品的烘烤與干制、食品的制作與加工、人工氣候箱等應(yīng)用領(lǐng)域。
圖3 中斷服務(wù)程序框圖。