摘 要：研究了基于单片机的温湿度分时段控制系统,重点研究温度控制算法、湿度测量设计以及一些相关问题的处理方法,还给出了系统中断服务程序流程图。使用结果表明,该系统工作稳定、效果好。

关键词:控制系统; 温度; 湿度; 控制算法; 测量

在生产部门和实验室,温湿度测量与控制的应用非常广泛,但从使用现况和已有的研究报道来看,大多数控制系统的温度和湿度在整个控制过程中是固定不变的。我们在项目《温度/湿度因子与云烟烘烤质量的相关分析》的开展中,需要一个温湿度分时段变化的环境。为此,设计了以PIC单片机为核心的温湿度分时段控制系统,安装在一气候室中,取代其原有的控制系统并利用了箱体和大部分执行部件,顺利建成一温湿度分时段变化环境。本系统的主要特点是：可将整个控制过程分成多个（zui多时12个）时段,每个时段设定不同的温度和湿度（相对湿度）,温度范围为室温~90oC ,湿度范围为20~90%R.H 。由于是双变量宽范围变化系统,变量有突变、变化范围大,变量间有偶合作用,所以和已往的变量为固定值的系统相比,情况要复杂得多,在设计过程中,遇到一些新的问题。

温湿度分时段控制设计

从键盘依次输入定时时间1（阶段1终值）、温度1、湿度1、定时时间2（阶段1终值+阶段2终值）、………,相邻放入一连续地址表列中,分、时、温度值和湿度值各占一字节,表尾字节设置一结束标志（ 如可置数FF）。系统通过一地址指针来查找定时时间和与之对应的温、湿度设定值。初始状态下,指针指向表列首址,对应于*阶段。系统启动时从0:00时分开始,进入运行后定时采样温、湿度测量值,并与当前阶段的温、湿度设定值比较后由控制算法得到相应控制量,控制量作用于输出执行模块,从而实现温、湿度的调控。系统运行过程中,地址指针渐次向后移动,一旦检测到结束标志,即输出报警信号,切断输出回路,全部工作过程结束。事实上,对于常用的时间-温度-湿度工作模式,可将其存入系统EPROM中,使用时通过按键选择其中之一,操作上就简便的多。

温度升温为连续控制,输出脉宽可调制型脉冲,用来控制电热器升温功率。由于升温控制是工作过程中用得zui多的控制,所以其精度稳定性提高了整个系统的控制性能。湿度加湿采用超生波电加湿器,去湿采用排湿风扇,湿度控制为开关控制。

温度控制算法设计和仿真试验

由于温度属于大延时惯性对象,经分析比较,采用增量式PID控制算法[1]对温度进行控制,取采样周期T = 20s,用暂态响应法整定控制参数,得到控制方程：
△U_i = 0.69△e_i – 0.04e_i + 3.1（△e_i - △e_i-1）（1）
式中 △U_I：本次和上次控制量之差;e_i：本次测量值;△e_i：本次和上次测量值之差。
为确定（1）式的调节效果,我们进行了仿真试验：温度设置值从30 ^oC开始,一段时间后跃变到45^oC。

试验中,每隔10s测量一次温度值,由此得到的温度曲线见图1,显然,温度过渡期间出现了明显的过冲和宽幅振荡现象（实测振幅达7 ^oC）。经分析,过冲和振荡是由于发热器温度的滞后特性、控制算法产生的饱和效应和采样周期选择不当等原因造成。通过反复研究,zui后采取以下校正措施：过渡期一开始,控制量U即按zui大值Umax输出;采样周期修定为10s;当温度>40 ^oC时,便定为进入45 ^oC的保温段。相应地,（1）式修改为：
△U_i = 0.35△e_i – 0.023e_i + 1.57（△e_i - △e_i-1）（2）
经校正后的温度曲线见图1,可见,过冲和振荡现象已被基本抑制。仿真结果指出：在保温段,温度控制精度稳定在±1 ^oC以内,偏差主要源于自然升温段到保温段的过渡时期。


图1 过渡时期温度曲线

湿度测量设计

目前湿度测量方法主要有两种：一是采用干湿球原理用公式求得相对湿度;二是采用湿度传感器。

干湿球测湿法试验与结论

我们首先对干湿球法进行了试验。干湿球测湿原理是：用一只热电阻传感器检测空气温度（干球温度）,用另一只相同的传感器检测被蒸馏水浸湿的面纱套內的温度（湿球温度）,根据检测的温度差,再利用下式进行计算:

（Ａ：常数,与风速有关;P：大气压力。）
其中饱和水汽压的计算是关键,我们采用LOWE多项式来近似计算饱和水汽压:
　　　　　　　E = C₀ + C₁T + C₂T² + ┄ + C₆T⁶
（E：纯水平液面饱和水汽压（干球或湿球）;T：温度（干球或湿球）;C₀～C₆：常数。）
试验中,用北京长城航空测控技术研究所研制的双高分子高精度湿度测量仪进行对比的结果是：在20~90%湿度范围内,温度较低时,对比偏差较小,温度较高时,对比偏差较大,偏差随温度的上升而增加,70^oC左右时,已达到8% 。试验表明,干湿球测湿法不适用于温度较高的场合,这个结论对一些研究论文中的说法提出了异议,由于高温环境下的较理想的计算公式一时难以导出,zui终我们放弃了这种测湿方案。

高分子薄膜电容式传感器测湿设计

湿度传感器使用较多的有如下几种：陶瓷湿度传感器、聚合物湿度传感器、结露式湿度传感器和电容式湿度传感器,其中电容式湿度传感器的线性度好、响应快、工作可靠,是湿度传感器发展的主要趋势,特别是新近推出的高分子薄膜式湿敏电容更是该类产品中的*,我们在系统的设计中选用了齐齐哈尔科达敏感仪器厂的MSR1高分子膜湿敏电容。

湿度传感器经运放电路进行湿—电转换后,再通过A/D转换器进入单片机。首先根据特性曲线,结合实际标定值,按1%的间隔建立起一个A/D转化值与湿度值在特定温度（20^oC）时的对应表格。因为是温度大范围变化环境,为保证测量精度,必须对温度进行补偿,为此,分别在30^oC、40^oC、50^oC、60^oC、70^oC 、80^oC 、90^oC 的温度下,重复上述测量与数据处理过程,形成8个A/D转化值与湿度值的对应表格,再用线性插值,zui终得到每隔1^oC的温度补偿值。将全部表格和数据写入EPROM,测量时通过查表获得湿度值。以上设计中,充分发挥了计算机的软件优势,使得在温度允许变化范围内,湿度测量误差不超过±2% 。

由于湿度变化较快,惯性较小,采用直接自适应控制算法对湿度进行控制。

软件设计

软件部分除主程序外,还包含有中断服务、测量、键盘、显示、控制算法、A/D转换、温度补偿和查表等功能模块。由于系统控制过程是由中断服务程序实现的,本文给出了中断服务程序流程图（见图2）,从中可以看到整个程序设计的思路和概貌.


结语

本系统研制成功投入运行一年多,使用结果表明,系统工作稳定可靠、效果良好。系统尽管是为科研而开发,也适合于农副产品的烘烤与干制、食品的制作与加工、人工气候箱等应用领域。