基于51单片机多参数测控系统设计

摘　要：随着电子技术、计算机技术和通信网络技术的发展，将自动化技术与之结合成为必然趋势。本文以MCS51单片机为核心控制器，介绍重要环境参数——溶解氧、温度的检测与控制，并对所检测的物理量进行补偿。

关键词：溶解氧 温度 测控系统
1 引言
　　目前，国内外市场上虽有多种型号多种档次的环境参数分析控制仪，但普遍存在着国产仪器性能单一，使用寿命断，可靠性低，标定校准操作复杂的问题，而进口仪器虽然精度高可靠性好,但价格过于昂贵，功能单一，性价比低。鉴于目前国内基于单片机的智能仪器的开发水平与国外并无多大差距，开发集检测与控制功能于一体的多参数测控系统，与化学传感器直接配套，具有广阔的市场。
2 设计思路及测控系统框图
    本文研究基于MCS—51单片机的多环境参数测控系统的检测和策略主要研究内容包括：
　　1）设计单片机外围接口硬件电路,能够用此处理器来采集和处理多环境参数；
　　2）实现多环境参数复合校准、补偿,推出溶解氧、温度等环境参数的测量算法，因各种参数不断改变无法建模,决定采用比较成熟的自校正PID控制来实现环境参数的实时控制；
    系统设计框图如图1所示：


　　　　　　　　　　
图1 基于51单片机多参数测控系统设计框图
3 溶解氧和温度的检测
    1）溶解氧浓度作为一项重要的环境指标，传统的碘量法因分析精度高，重现性好，但其操作复杂，耗时长，不能对水样连续测定。采用电极（YS15739型溶解氧电极）测量具有快速、准确和可连续测定的特点，更易于实现自动化和计算机控制。当金电极与银电极间加0.7V左右的极化电压时，水中溶解氧透过薄膜，在阴极上还原，产生稳定的扩散电流。溶氧量越大，则测得电流I越大，对应的输出电压越大Uo，即溶氧电压Uo，反应电流I和氧浓度Oxy成正比关系。检测电路图如图2所示。
　　
图2  溶解氧检测电路
　　在溶解氧检测过程中，相同氧浓度在不同温度下的传感器输出值是不同的，从饱和溶氧电压与温度测量出发，在气压恒定的条件下，对蒸馏水溶氧量进行不同传感器的比较实验，得出相同温度下不同传感器的电压值也不尽相同，但同一传感器的饱和氧电压在不同温度下成确定的比例关系，根据这一关系对采集的溶氧电压进行温度补偿。
　　2）温度的检测采用一个带带负温度系数10K电阻作为传感元件，其变换电路如图3所示。Rt为负温度系数电阻，温度t越高，Rt越小，对应温度电压UG越小，此信号作为过程变量进行线性补偿后送往CPU作PID处理，以保持温度恒定。

图3温度测量原理图
　　负温度系数热敏电阻的线性化模型使用范围有限，在一定的温度范围内或是小范围内，输出基本上是线性的。但在宽温范围内，这种非线性将带来测量上的不便，并在某些应用中产生较大的误差。所以补偿热敏电阻的非线性特性，也就成为测量仪器设计的重要环节，并能够增强设计的可移植性。补偿的原理就是通过电路中参数的调节，将指数部分消去，从而实现电压——温度的线性化，线性化补偿的原理图如图4所示。
　　　　　　 



　　　　　　  图4 热敏电阻的线性化补偿原理方框图
3 溶解氧和温度的控制
　　本系统对溶解氧含量及温度的控制分贝采取模糊控制以及带有滞后补偿的数字PID控制方法，推理得出模糊控制规则，对数字PID控制器试验得到满意的参数并进行了仿真。
　　1）溶解氧含量的控制很难建立一个精确的数字模型对其进行控制，而模糊控制不需要了解系统的数学模型及参数，对于未知模型的系统具有很大的实用价值。以溶解氧含量的偏差和变化率作为作为输入变量，以调节变频器输出频率的控制量作为输出，三个变量各自的范围由映射关系y=12[x-0.5(a+b)]/(b-a)界定为[-6,6]之间的连续变化量，在论域上分别考虑三个变量对应的模糊子集，根据模糊规则表，总结出模糊关系，求出的模糊控制量采用加权平均法进行模糊判决，得出模糊控制表，将此表存于单片机中，经过简单的查表，即可得到控制量的论域元素，再乘以相应的比例因子，就可得出精确的控制量。
　　2）数字PID控制器是普遍采用的控制方法，综合了关于过去、现在和未来三方面的信息，为广大工程技术人员所采用。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，因此积分和微分项不能直接准确计算，只能通过数值计算的方式逼近，在采样时刻，PID控制规律可通过数值公式计算。增量式控制算法中不需要累加，增量只与最近几次采样的输入值有关，容易获得较好的控制效果。在工业生产过程中，由于能量传输的延迟，常常存在着纯滞后现象，对象的纯滞后性质常引起系统的振荡，为此使用史密斯预估器来进行滞后的补偿以达到较好的控制效果。PID控制策略的参数常常通过试验来确定，逐步凑试，逐步凑试，得出整定的PID参数为：P=13，Ti=360s，Td-90s，对温度的控制打到满意的控制效果。采用MATLAB平台下的SIMULINK进行仿真，得出PID及Smith控制定植阶跃扰动下响应曲线如图5所示：


    图5 PID控制阶跃响应曲线　　　　  图6史密斯预估控制阶跃响应曲线
5 结束语
　　多参数测控系统的研究难点是对各测量参数进行校准以及提高测量精度，从而增强设计的可移植性，本文介绍了重要环境参数——溶解氧、温度的检测及补偿方法，并采用相应的控制策略，可以通过数据通信及人机交互界面的设计实现多参数的实时测控。
参考文献
[1] 李正军.计算机测控系统设计与应用[MJ].山东工业大学出版社
[2] 张乃尧.神经网络与模糊控制[M]. 清华大学出版社