一种基于嵌入式技术的电阻炉温度监控系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于嵌入式技术的一整套温度控制的实时操作、显示系统，属于 温度过程自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中 一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反 应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然 气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料、 控制方案也有所不同。温度过程是一个非线性、大滞后过程，采用传统PID算法控制温度过 程，稳态响应特性较好，但难以得到满意的动态响应特性。采用具有自学习和自适应能力的 单神经元来构造PID控制器，具有调整参数少、易于现场调试的特点，能较大的改善非线性 时变对象的动态品质，能够适应过程的时变特性，保证控制系统在最佳状态下运行。
[0003] 微电子技术的飞速发展，使得ARM微处理器已经广泛应用于工业控制、视频音频 采集、安防监控、消费类手持移动产品、家庭网关设备等各个领域。工业人机界面是一种带 微处理器的智能终端，一般用于工业场合，实现人和机器之间的信息交互，包括文字或图形 显示以及输入等功能。目前也有大量的工业人机界面因其成熟的人机界面技术和高可靠性 而被广泛用于智能楼宇、智能家居、城市信息管理、医院信息管理等非工业领域，因此，工业 人机界面正在向应用范围更广的高可靠性智能化信息终端发展。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单，调试方便，动态和稳态响应特性 均较好的电阻炉温度监控系统。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于嵌入式技术的电阻炉 温度监控系统，其特征在于：包括上位机、下位机及被控对象电阻炉，上位机包括CPU、用于 实时显示数据和波形的LCD驱动和显示模块、用于数据输入和界面刷新的矩阵键盘模块； 下位机包括微处理器模块、实现温度监控的控制器模块、实现上位机与下位机数据传输的 CAN通讯模块；上位机与下位机之间通过CAN通讯模块连接，被控对象电阻炉与下位机之间 通过传感器和执行器进行检测与控制。
[0006] 优选地，所述IXD驱动和显示模块，采用分辨率为320X240的TFT-IXD显示屏， TFT-LCD从外界接受信号，当信号进入相应的接口处理模块时，通过相应的前端信号处理芯 片处理，转换成后端图像处理芯片所能识别的信号，经过图像处理芯片的处理后，输出适合 在TFT-LCD显示的数据信号以及时序信号，并通过直接点显示方式将实时数据以数字或者 波形的形式在显示屏上呈现。
[0007] 优选地，所述矩阵键盘模块包含2个界面切换键、2个数据增减键、返回键和确认 键共6个功能键，键盘硬件设计采用3X2的矩阵方式，即3行2列；将所述上位机CPU的5 个I/O口分别与矩阵键盘的行和列连接，与键盘相连的每个I/O口均连接滤波电容和用于 初始化电平的上拉电阻。
[0008] 优选地，所述滤波电容为0.luF，所述上拉电阻为10KD。
[0009] 优选地，按键扫描时进行防止噪声干扰的延时按键值判断。
[0010] 优选地，所述CAN通讯模块采用11位标示符的标准消息帧，通讯的数据由上位机 下传的设定温度数据、下位机采集的实时温度数据及计算得到的控制指标参数组成；CAN通讯程序初始化完成后，CAN通讯模块处于等待状态，当接口有数据传来时，立即进入中断 服务程序ISR中，通过传输数据所含的帧ID判断是否接收该数据。
[0011] 优选地，所述控制器模块采用单神经元PID控制算法，单神经元PID控制算法包括 单神经元PID控制单元及被控对象单元，每个电阻炉温度装置为一个被控对象单元；单神 经元PID控制单元的输入量为电阻炉温度装置的温度设定值，单神经元PID控制单元的输 出量为电阻炉温度装置的实际温度，神经元学习和控制所需要的状态变量经微积分模块计 算；在单神经元PID控制算法中引入输出误差平方的二次型性能指标，通过修改神经元的 加权系数，使输出误差平方的二次型性能指标趋于最小，从而实现自适应PID的最优控制。
[0012] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0013] 1)本发明采用LCD显示屏作为人机显示界面，操作简单，实现方便，人机界面友 好。
[0014] 2)本发明的LCD数据显示采用直接点显示方式，将实时数据以数字或者波形的形 式在显示屏上进行呈现，直观方便。
[0015] 3)本发明键盘设计采用矩阵按键方式，不仅节省硬件资源，而且充分利用CPU的 I/O口资源，降低硬件和驱动设计难度，提高整个系统的稳定性。
[0016] 4)本发明针对常规PID控制系统的不足，采用具有自学习和自适应能力的单神经 元来构造PID控制器。它具有调整参数少、易于现场调试的特点，能较大的改善非线性时变 对象的动态品质，能够适应过程的时变特性，保证温度控制系统在最佳状态下运行。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明提供的基于嵌入式技术的电阻炉温度监控系统整体结构图；
[0018] 图2为矩阵电路原理图；
[0019] 图3为CAN消息标准帧结构图；
[0020] 图4是基于单神经元的PID控制器框图；
[0021] 图5是初始状态温度波形图。
[0022] 图6是传统PID控制效果图。
[0023] 图7是单神经元PID控制效果图。
【具体实施方式】
[0024] 为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0025] 本发明提出了一种基于嵌入式技术的整套温度控制的实时操作、显示系统，实现 工业现场温度的实时监视和控制，同时提出了一种针对工业温度控制的基于单神经元的 PID控制算法，优化控制系统的动态和稳态特性。
[0026] 本发明提供的电阻炉温度监控系统整体结构如图1所示，包括上位机、下位机及 被控对象工业电阻炉，上位机包括采用Freescale公司K10系列芯片的CPU、实时显示数据 和波形的LCD驱动和显示模块、用于数据输入和界面刷新的矩阵键盘模块。下位机包括主 频达200MHz的ARM9微处理器模块、以单神经元PID算法为核心的控制算法实现温度监控 的控制器模块、实现上位机与下位机数据传输的CAN通讯模块。上位机与下位机之间规定 通信规约，通过CAN总线连接。被控对象工业电阻炉与下位机之间通过传感器和执行器实 现温度检测与控制。
[0027]IXD显示模块采