隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫度的自動控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)和生活中，因此對自動控溫方法的研究具有很強的實際意義。由于溫度具有大慣性和純延滯的非線性特性，實際溫度控制過程的復(fù)雜性又使溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)不易確定，因此實際的溫度控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)，用一般的控制理論難以得到較為滿意的結(jié)果。以此為目的，在此設(shè)計了基于80C196KB單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)，通過多線程和專家系統(tǒng)優(yōu)化程序的算法，對溫度進行閉環(huán)控制，從而達到精確控溫的目的。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
圖1為系統(tǒng)原理框圖，通過圖示可以看出，硬件系統(tǒng)分為：溫度采樣及放大、顯示、按鈕輸入、溫度控制四個部分。系統(tǒng)首先通過AD590采樣將溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號經(jīng)過放大通過80C196KB單片機對其進行A／D采樣，通過采樣的結(jié)果，可以算得控制系統(tǒng)的溫度并顯示出來，然后將實際溫度與設(shè)定的溫度(設(shè)定溫度可以通過輸入按鈕進行輸入)進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制加熱電阻和風(fēng)扇的占空比，從而達到閉環(huán)控溫的目的。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
在軟件設(shè)計中，采用了多線程的編程結(jié)構(gòu)并結(jié)合專家知識，對整個系統(tǒng)的控制性能進行改善。
2．1 多線程結(jié)構(gòu)
多線程是指“同時”存在幾個執(zhí)行體，按幾條不同的執(zhí)行線索共同工作的情況。多線程實現(xiàn)單個進程中的并發(fā)計算，各線程間共享進程空間的數(shù)據(jù)，并利用這些共享單元來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、實時通信與必要的同步操作。在單片機編程里面，多線程可以通過編寫中斷子程序進行實現(xiàn)。一個中斷子程里面可以包含優(yōu)先級不同的線程，優(yōu)先級高的排在該中斷子程的開始，優(yōu)先級最低的排在最后。執(zhí)行順序如下：屏蔽其他線程→讀系統(tǒng)共用資源→執(zhí)行操作→改寫系統(tǒng)共用資源→開放所有線程→返回主進程。
2．2 專家系統(tǒng)
在該系統(tǒng)中，加熱電阻的控制脈沖和風(fēng)扇的控制脈沖是控制溫度關(guān)鍵，其脈寬的設(shè)置決定了系統(tǒng)溫度控制的精度和穩(wěn)定性，而脈寬的設(shè)置是由專家知識進行判定的。
2．2．1 專家系統(tǒng)概述
所謂專家系統(tǒng)，是指具有專家知識，能夠像專家一樣解決特定領(lǐng)域復(fù)雜問題的計算機軟件系統(tǒng)。其特征如下：
(1)系統(tǒng)功能的針對性。ES通過犧牲通用問題求解能力而換得在某一狹窄領(lǐng)域高水平處理問題的能力。
(2)符號推理啟發(fā)性。ES主要處理不良結(jié)構(gòu)問題，需運用多種啟發(fā)性經(jīng)驗知識。這些啟發(fā)式知識往往具有不完全性和不確定性，因此ES常要采用不精確推理等非常規(guī)推理方法。
(3)透明性。ES可向用戶解釋其推理過程，并能回答一些關(guān)于它自身的問題。
(4)靈活性。由于ES知識庫采用了獨立于程序的外部顯式表示方法，用戶很容易對其進行修改或補充。
2．2．2 脈寬控制
從經(jīng)驗可以知道，當實際溫度和目標相差(下面統(tǒng)一稱作△T)甚遠時，希望電阻發(fā)熱量大些或者風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高些；而△T較小時。希望電阻發(fā)熱量小些或者風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低些。
圖2為系統(tǒng)溫度控制電路圖，從圖中可以看出，脈寬越小，電阻的發(fā)熱量越大，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高。至于控制的具體脈寬是多少，這就需要不斷的嘗試，通過經(jīng)驗進行判斷，看哪些組合最適合。判斷的原則如下：保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性；盡量不要出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象；保證溫度的控制精度。通過實驗，得到了如下數(shù)據(jù)的脈沖控制，見表1。
2．3 程序具體結(jié)構(gòu)
在軟件系統(tǒng)中，一共有3個線程，按照優(yōu)先級從高到低的順序如下：溫度設(shè)置線程、溫度采樣線程、溫度顯示線程。另外系統(tǒng)有1個主進程。
2．3．1 主進程
主進程實現(xiàn)如下操作：設(shè)置各個中斷(及設(shè)置線程)、初始化全局變量以及等待中斷。它的流程圖如圖3所示。
2．3．2 溫度設(shè)置線程
該線程通過HIS上升沿觸發(fā)事件來實現(xiàn)，其中HSI．0為溫度加10，H1S．1為溫度減10，HIS．2為OPTION取反，其流程圖如圖4所示。
2．3．3 溫度采樣線程
溫度采樣線程如圖5所示，該線程的掃描周期為3 000。在該線程中，對溫度的采集進行了平均化的處理，即每16次平均作為最終結(jié)果，這個處理降低了毛刺信號的影響，使得溫度采樣趨于穩(wěn)定，從而使溫度顯示變得比較穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。另外，在“設(shè)置HSO_ PWM和PWM_CONTROL”這一步中，采用了專家知識設(shè)置控制的脈寬，使得溫度的控制趨于更精確。
2．3．4 溫度顯示線程
溫度顯示線程圖6所示，該線程的掃描周期為1 000。在該線程中，單片機的P1．0～P1．3管腳輸出至74LS48譯碼器，而單片機的P1．4～P1．6管腳分別控制十位、個位、小數(shù)點三個數(shù)碼管的通與斷。每一個狀態(tài)中，數(shù)碼管只有一個被點亮，在足夠短的時間內(nèi)，通過循環(huán)點亮三個數(shù)碼管，就可以得到數(shù)碼顯示的效果，這一步可以通過對狀態(tài)的循環(huán)移位來實現(xiàn)。
3 結(jié)語
由于一般控制理論難以對溫度這種大慣性、純延滯的非線性且參數(shù)不易確定的系統(tǒng)進行控制。為此以溫度控制為例，介紹了一類多線程溫度控制專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高的特點，能夠?qū)囟冗M行較為滿意的控制。