半導(dǎo)體培養(yǎng)箱的ARM嵌入式控制系統(tǒng)研制

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)
應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)主要是在Qt/Embedded平臺(tái)上完成的，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)觸摸屏的應(yīng)用程序GUI，另外通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的工作算法。Qt/Embedded是由Trolltech公司開(kāi)發(fā)的面向嵌入式的Qt版本。它通過(guò)Qt API與Linux I/O以及Framebuffer直接交互,擁有較高的運(yùn)行效率，其類庫(kù)采用C++封裝且完全面向?qū)ο笠詫?shí)現(xiàn)真正組件編程。其開(kāi)發(fā)套件使用C++語(yǔ)言編程，具有功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單、控件資源豐富且可移植性好等特點(diǎn)[7]。
本系統(tǒng)主程序的觸發(fā)來(lái)自兩方面。其一是按照系統(tǒng)時(shí)鐘，依據(jù)時(shí)序觸發(fā)各事件并完成相應(yīng)的處理；另一方面由用戶界面操作觸發(fā)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)主程序采用雙線程工作方式，分別定義Ctrb_n 與SensorT繼承QThread實(shí)現(xiàn)雙線程。 QThread代表在程序中一個(gè)單獨(dú)的線程控制[4]，在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，它和同一進(jìn)程中的其他線程共享數(shù)據(jù)，但運(yùn)行起來(lái)就像一個(gè)單獨(dú)的程序一樣。QThread不是在main()中開(kāi)始，而是在run ()中開(kāi)始運(yùn)行的。
在工作算法中添加模糊PID自適應(yīng)控制，使控制器能夠在線自動(dòng)調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，以期獲得最佳的溫度控制。在PID控制器中，比例系數(shù)Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度，積分控制Ki用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,微分系數(shù)Kd在于改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。調(diào)節(jié)初期選取較大的Kp值以提高響應(yīng)速度，較小的Ki值以防止積分飽和，Kd=0以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在調(diào)節(jié)中期，隨著誤差的減小Kp也逐漸變小，Ki值加大以盡量消除余差，Kd值取較小值以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；在調(diào)節(jié)過(guò)程后期，Kp值調(diào)到較小值以保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性，Ki值取適中以消除余差，Kd值取小值以控制過(guò)程的制動(dòng)作用[5]。主程序的工作流程如圖5所示。

3 結(jié)果分析
在室溫為33℃時(shí)，設(shè)定目標(biāo)溫度為48℃，分別采用普通PID算法與模糊自適應(yīng)PID算法測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用MATLAB對(duì)所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得到圖6所示的溫度變化曲線。

從圖6可知采用普通PID控制時(shí),具有調(diào)節(jié)速度慢、超調(diào)量大以及精度不高等特點(diǎn)；而ARM實(shí)現(xiàn)的模糊PID控制，其調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)于普通PID控制而言減小了5 min， 超調(diào)量變小, 平穩(wěn)性更好，且控制相對(duì)誤差達(dá)到±1.1%。熱電半導(dǎo)體的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的加熱制冷設(shè)備，在減小噪音和環(huán)境污染等方面有很大的改進(jìn)，從而提高了控制質(zhì)量，降低了能耗。
本文實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM9與嵌入式Linux操作系統(tǒng)并采用新型熱電半導(dǎo)體為溫控元件的控制方案，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試該培養(yǎng)箱已達(dá)到相對(duì)誤差±1.1%的控制要求，所設(shè)計(jì)的控制方案具有溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)快、超調(diào)量小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。該方案具有低功耗、無(wú)污染及觸屏控制等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)潛力。
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