一種基于嵌入式技術的電阻爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于嵌入式技術的一整套溫度控制的實時操作、顯示系統(tǒng)，屬于 溫度過程自動控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對象控制中 一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機械等工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反 應爐等。由于爐子的種類及原理不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然 氣、油電等。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料、 控制方案也有所不同。溫度過程是一個非線性、大滯后過程，采用傳統(tǒng)PID算法控制溫度過 程，穩(wěn)態(tài)響應特性較好，但難以得到滿意的動態(tài)響應特性。采用具有自學習和自適應能力的 單神經(jīng)元來構造PID控制器，具有調整參數(shù)少、易于現(xiàn)場調試的特點，能較大的改善非線性 時變對象的動態(tài)品質，能夠適應過程的時變特性，保證控制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行。
[0003] 微電子技術的飛速發(fā)展，使得ARM微處理器已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制、視頻音頻 采集、安防監(jiān)控、消費類手持移動產(chǎn)品、家庭網(wǎng)關設備等各個領域。工業(yè)人機界面是一種帶 微處理器的智能終端，一般用于工業(yè)場合，實現(xiàn)人和機器之間的信息交互，包括文字或圖形 顯示以及輸入等功能。目前也有大量的工業(yè)人機界面因其成熟的人機界面技術和高可靠性 而被廣泛用于智能樓宇、智能家居、城市信息管理、醫(yī)院信息管理等非工業(yè)領域，因此，工業(yè) 人機界面正在向應用范圍更廣的高可靠性智能化信息終端發(fā)展。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種操作簡單，調試方便，動態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應特性 均較好的電阻爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是提供一種基于嵌入式技術的電阻爐 溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：包括上位機、下位機及被控對象電阻爐，上位機包括CPU、用于 實時顯示數(shù)據(jù)和波形的LCD驅動和顯示模塊、用于數(shù)據(jù)輸入和界面刷新的矩陣鍵盤模塊； 下位機包括微處理器模塊、實現(xiàn)溫度監(jiān)控的控制器模塊、實現(xiàn)上位機與下位機數(shù)據(jù)傳輸?shù)?CAN通訊模塊；上位機與下位機之間通過CAN通訊模塊連接，被控對象電阻爐與下位機之間 通過傳感器和執(zhí)行器進行檢測與控制。
[0006] 優(yōu)選地，所述IXD驅動和顯示模塊，采用分辨率為320X240的TFT-IXD顯示屏， TFT-LCD從外界接受信號，當信號進入相應的接口處理模塊時，通過相應的前端信號處理芯 片處理，轉換成后端圖像處理芯片所能識別的信號，經(jīng)過圖像處理芯片的處理后，輸出適合 在TFT-LCD顯示的數(shù)據(jù)信號以及時序信號，并通過直接點顯示方式將實時數(shù)據(jù)以數(shù)字或者 波形的形式在顯示屏上呈現(xiàn)。
[0007] 優(yōu)選地，所述矩陣鍵盤模塊包含2個界面切換鍵、2個數(shù)據(jù)增減鍵、返回鍵和確認 鍵共6個功能鍵，鍵盤硬件設計采用3X2的矩陣方式，即3行2列；將所述上位機CPU的5 個I/O口分別與矩陣鍵盤的行和列連接，與鍵盤相連的每個I/O口均連接濾波電容和用于 初始化電平的上拉電阻。
[0008] 優(yōu)選地，所述濾波電容為0.luF，所述上拉電阻為10KD。
[0009] 優(yōu)選地，按鍵掃描時進行防止噪聲干擾的延時按鍵值判斷。
[0010] 優(yōu)選地，所述CAN通訊模塊采用11位標示符的標準消息幀，通訊的數(shù)據(jù)由上位機 下傳的設定溫度數(shù)據(jù)、下位機采集的實時溫度數(shù)據(jù)及計算得到的控制指標參數(shù)組成；CAN通訊程序初始化完成后，CAN通訊模塊處于等待狀態(tài)，當接口有數(shù)據(jù)傳來時，立即進入中斷 服務程序ISR中，通過傳輸數(shù)據(jù)所含的幀ID判斷是否接收該數(shù)據(jù)。
[0011] 優(yōu)選地，所述控制器模塊采用單神經(jīng)元PID控制算法，單神經(jīng)元PID控制算法包括 單神經(jīng)元PID控制單元及被控對象單元，每個電阻爐溫度裝置為一個被控對象單元；單神 經(jīng)元PID控制單元的輸入量為電阻爐溫度裝置的溫度設定值，單神經(jīng)元PID控制單元的輸 出量為電阻爐溫度裝置的實際溫度，神經(jīng)元學習和控制所需要的狀態(tài)變量經(jīng)微積分模塊計 算；在單神經(jīng)元PID控制算法中引入輸出誤差平方的二次型性能指標，通過修改神經(jīng)元的 加權系數(shù)，使輸出誤差平方的二次型性能指標趨于最小，從而實現(xiàn)自適應PID的最優(yōu)控制。
[0012] 本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：
[0013] 1)本發(fā)明采用LCD顯示屏作為人機顯示界面，操作簡單，實現(xiàn)方便，人機界面友 好。
[0014] 2)本發(fā)明的LCD數(shù)據(jù)顯示采用直接點顯示方式，將實時數(shù)據(jù)以數(shù)字或者波形的形 式在顯示屏上進行呈現(xiàn)，直觀方便。
[0015] 3)本發(fā)明鍵盤設計采用矩陣按鍵方式，不僅節(jié)省硬件資源，而且充分利用CPU的 I/O口資源，降低硬件和驅動設計難度，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0016] 4)本發(fā)明針對常規(guī)PID控制系統(tǒng)的不足，采用具有自學習和自適應能力的單神經(jīng) 元來構造PID控制器。它具有調整參數(shù)少、易于現(xiàn)場調試的特點，能較大的改善非線性時變 對象的動態(tài)品質，能夠適應過程的時變特性，保證溫度控制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明提供的基于嵌入式技術的電阻爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)整體結構圖；
[0018] 圖2為矩陣電路原理圖；
[0019] 圖3為CAN消息標準幀結構圖；
[0020] 圖4是基于單神經(jīng)元的PID控制器框圖；
[0021] 圖5是初始狀態(tài)溫度波形圖。
[0022] 圖6是傳統(tǒng)PID控制效果圖。
[0023] 圖7是單神經(jīng)元PID控制效果圖。
【具體實施方式】
[0024] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0025] 本發(fā)明提出了一種基于嵌入式技術的整套溫度控制的實時操作、顯示系統(tǒng)，實現(xiàn) 工業(yè)現(xiàn)場溫度的實時監(jiān)視和控制，同時提出了一種針對工業(yè)溫度控制的基于單神經(jīng)元的 PID控制算法，優(yōu)化控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。
[0026] 本發(fā)明提供的電阻爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)整體結構如圖1所示，包括上位機、下位機及 被控對象工業(yè)電阻爐，上位機包括采用Freescale公司K10系列芯片的CPU、實時顯示數(shù)據(jù) 和波形的LCD驅動和顯示模塊、用于數(shù)據(jù)輸入和界面刷新的矩陣鍵盤模塊。下位機包括主 頻達200MHz的ARM9微處理器模塊、以單神經(jīng)元PID算法為核心的控制算法實現(xiàn)溫度監(jiān)控 的控制器模塊、實現(xiàn)上位機與下位機數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN通訊模塊。上位機與下位機之間規(guī)定 通信規(guī)約，通過CAN總線連接。被控對象工業(yè)電阻爐與下位機之間通過傳感器和執(zhí)行器實 現(xiàn)溫度檢測與控制。
[0027]IXD顯示模塊采