溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目 錄第一章 系統(tǒng)方案論證21.1 總體方案設(shè)計(jì)21.2溫度傳感系統(tǒng)31.3 溫度控制系統(tǒng)及系統(tǒng)電源31.4 單片機(jī)處理系統(tǒng)（包括數(shù)字部分）及溫控箱設(shè)計(jì)41.5 PID算法原理5第二章 重要電路設(shè)計(jì)72.1 溫度采集72.2溫度控制7第三章 軟件流程83.1 基本控制83.2 PID控制93.3 時(shí)間最優(yōu)的PID控制流程圖10第四章 系統(tǒng)功能及使用方法114.1 溫度控制系統(tǒng)的功能114.2 溫度控制系統(tǒng)的使用方法11第五章 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析115.1 硬件測試115.2 軟件調(diào)試12第六章 進(jìn)一步討論12參考文獻(xiàn)13致謝13 摘要：本文介紹了以單片機(jī)為核心的溫度控制器的設(shè)計(jì)

2、，文章結(jié)合課題溫度控制系統(tǒng)，從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面做了較為詳盡的闡述。關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng)PID控制單片機(jī)Abstract: This paper introduces a temperature control system that is based on the single-chip microcomputer.The hard ware composition and software design are descried indetail combined with the project Comtrol System of Temperature.Keywords: Contr

3、ol system of temperature PID control Single-chip Microcomputer引言：溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對(duì)其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為檢測控制中心的溫度控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法，顯示采用LED靜態(tài)顯示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，按要求有以下功能：(1)溫度控制范圍為2040C;(2)有加熱和制冷兩種功能(3)指標(biāo)要求：超調(diào)量小于2C；過渡時(shí)間小于5min；靜差小于0.5；溫控精度0.2(4)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，設(shè)定溫度

4、值，二者差值和控制量的值。第一章 系統(tǒng)方案論證1.1 總體方案設(shè)計(jì)薄膜鉑電阻將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)溫度采集電路放大、濾波后，送A/D轉(zhuǎn)換器采樣、量化，量化后的數(shù)據(jù)送單片機(jī)做進(jìn)一步處理；當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度數(shù)據(jù)經(jīng)PID算法得到溫度控制數(shù)據(jù)；控制數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器得到控制電壓，經(jīng)功率放大后供半導(dǎo)體致冷器加熱或制冷，從而實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)大致可以分為：傳感、單片機(jī)處理、控制及溫控箱。圖11 系統(tǒng)總體框圖保溫箱半導(dǎo)體致冷片溫度傳感A/D轉(zhuǎn)換傳感器半導(dǎo)體致冷片單 片 機(jī)電壓放大控 溫 電 路D/A轉(zhuǎn)換1.2 溫度傳感系統(tǒng)換能部分采用了電壓電路，這主要考慮了電壓信號(hào)不容易受干擾、容易與后續(xù)電路接口的

5、優(yōu)勢；經(jīng)過鉑電阻特性分析，在要求的溫度范圍內(nèi)鉑電阻的線性較好，所以不必要增加非線性校正電路；采樣電壓再經(jīng)過高精度電壓放大電路和隔離電路之后輸出；另外，由于高精度的需要，電路對(duì)電源要求較高，所以采用穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓，并且需要高精度運(yùn)放。因?yàn)闇囟茸兓⒉皇呛芸?，所以電路?duì)濾波器的要求并不高，這里采用了一階濾波即可滿足要求。1.3 溫度控制系統(tǒng)及系統(tǒng)電源1.3.1 溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)需要完成的功能為：D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號(hào)，經(jīng)過電壓放大，再通過功率單元提高輸出功率后，控制半導(dǎo)體制冷器件加熱或制冷。故此子系統(tǒng)可分為電壓放大、功率輸出兩部分。 D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號(hào)經(jīng)過電壓

6、放大、功率放大后，給兩片半導(dǎo)體制冷器件供電。另外單片機(jī)還輸出一個(gè)用來控制是加熱還是制冷的控制信號(hào)。 功率放大電路采用LM33穩(wěn)壓芯片，可承受高輸出電流，且Vout端輸出電壓與Vadj端的電壓差保持不變的特點(diǎn)，可將控制信號(hào)利用運(yùn)放方向放大后，輸入至穩(wěn)壓芯片的Vadj端，輸出信號(hào)的電壓范圍和功率放大至合適的大小。具體設(shè)計(jì)為D/A輸出的控制信號(hào)，經(jīng)上述處理，在Vout端利用繼電器，由單片機(jī)輸出的加熱制冷控制信號(hào)控制繼電器的閉合方向，改變半導(dǎo)體器件的電流方向，從而控制加熱或制冷。1.3.2 系統(tǒng)電源本設(shè)計(jì)需要供電的部分有溫度采集部分須有基準(zhǔn)電壓+5V供電，單片機(jī)處理系統(tǒng)的數(shù)字電路部分需要5V的電源，而

7、實(shí)驗(yàn)室的5V電源會(huì)有紋波，故采用穩(wěn)壓芯片LM317自行設(shè)計(jì)，電路如圖，調(diào)節(jié)可變電阻，即可得到所需的電壓。其中可變電阻R1是起到分壓得作用，避免在LM317上的壓降過大，否則LM317發(fā)熱，會(huì)使電壓不穩(wěn)。1.4 單片機(jī)處理系統(tǒng)及溫控箱設(shè)計(jì) 1.4.1單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下： 模數(shù)部分將傳感信號(hào)量化為8位二進(jìn)制數(shù)，并將其送入最小系統(tǒng)板； 控制層調(diào)用PID算法，計(jì)算出控制量，同時(shí)提供人機(jī)交互； 數(shù)模部分將控制量轉(zhuǎn)換為模擬電壓，送入溫度控制部分。最小系統(tǒng)板與外部數(shù)字電路部分（包括A/D、D/A、外部中斷源信號(hào)等）的通信參照了微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)箱電路的連接方法。調(diào)用PID算法的中斷采用的是

8、內(nèi)部定時(shí)器，可以簡化外圍電路。1.4.2 溫控箱設(shè)計(jì)我們用實(shí)驗(yàn)室提供的材料自己設(shè)計(jì)制作了溫度控制箱體?？販叵錇檎襟w鋁箱，在其中相對(duì)的兩個(gè)內(nèi)側(cè)表面用導(dǎo)熱硅膠粘貼了半導(dǎo)體致冷材料而成。為提高箱體絕熱性能，在除了粘有半導(dǎo)體材料之外的其他內(nèi)表面，都貼有保溫塑料層，為加強(qiáng)密閉性，盡量減少控制箱腔內(nèi)體積，又要露出全部的半導(dǎo)體制冷片，我們采用的是“工字形”方案，即：將填入鋁箱的保溫塑料層做成一個(gè)無接縫的整體，相對(duì)的半導(dǎo)體制冷片的兩側(cè)挖空，露出其全部面積，中間留有一個(gè)很小的腔體作為溫度控制的空間（插入熱敏電阻與標(biāo)準(zhǔn)表探頭）。我們采用將箱體放入冷水中的方法解決溫控箱的散熱問題。1.5 PID算法原理1、基本P

9、ID算法其中Vo和V(t)都是八位二進(jìn)制數(shù)，用一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。在上述公式中，存在差項(xiàng)，需要用補(bǔ)碼來表示負(fù)數(shù)。所以必須用最高位作為符號(hào)位，Vo和V(t)用8位表示顯然是不夠的。處理方法是在Vo和V(t)前面補(bǔ)一個(gè)值為零的字節(jié)，以兩字節(jié)來表示，運(yùn)算的最終結(jié)果結(jié)果取8位有效位。基本的PID算法，需要整定的系數(shù)是Kp（比例系數(shù)）,Ki（積分系數(shù)）,Kd（微分系數(shù)）三個(gè)。這三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下：（1） 比例系數(shù) Kp 對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響 比例系數(shù)Kp加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。當(dāng)Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定，若Kp太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢； 對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的

10、影響 加大比例系數(shù)Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小靜差，提高控制精度，但是加大Kp只是減少靜差，不能完全消除。（2） 積分系數(shù) Ki 對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響 積分系數(shù)Ki通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ki太大，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；Ki偏大，振蕩次數(shù)較多；Ki太小，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減少；而當(dāng)Ki合適時(shí)，過渡特性比較理想； 對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響 積分系數(shù)能消除系統(tǒng)的靜差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是若Ki太小時(shí)，積分作用太弱，以致不能減小靜差。（3） 微分系數(shù) Kd微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使靜差減小，提高控制精度。但當(dāng)Kd偏大或偏小時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長，只有合適

11、的時(shí)候，才可以得到比較滿意的過渡過程。對(duì)系數(shù)實(shí)行“先比例，后積分，再微分”的整定步驟。（1） 首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小到大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)。（2） 加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分系數(shù)Ki一個(gè)較小的值，并將第（1）步中整定的比例系數(shù)略為縮?。ɡ缈s小為原值的0.8倍），然后增大Ki，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分系數(shù)。（3） 若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，可先置微分系數(shù)為0，在第一步的基礎(chǔ)上，增大Kd，同時(shí)相應(yīng)地改變比例

12、系數(shù)和積分時(shí)間。2、時(shí)間最優(yōu)的控制算法采用上述PID控制算法存在一個(gè)問題：當(dāng)設(shè)定值比當(dāng)前值高很多時(shí)，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，控制增量都為正，而且在不斷的積累增大；只有當(dāng)溫度上升到設(shè)定值以上時(shí)，控制增量才有可能變?yōu)樨?fù)值；要用負(fù)的控制增量抵消以前積累的正控制量，需要的時(shí)間較長；這正是產(chǎn)生超調(diào)量的根本原因。當(dāng)設(shè)定值低于當(dāng)前值時(shí)情況類似。為解決這個(gè)問題，采用了時(shí)間最優(yōu)的控制算法。時(shí)間最優(yōu)的PID控制即開關(guān)控制（Bang-Bang控制）與PID控制相結(jié)合的控制方式。其思想是：開關(guān)控制即指在當(dāng)前值與設(shè)定值偏差較大的情況下，控制系統(tǒng)進(jìn)入 “開”或者“關(guān)”兩種狀態(tài)。具體到本系統(tǒng)，就是指當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度差別很大時(shí)，

13、要么全功率（最大電壓輸出）的加熱，要么就全功率的制冷。當(dāng)前值與設(shè)定值相差在閾值以內(nèi)時(shí)，采用PID算法計(jì)算輸出控制量；當(dāng)在以外時(shí)，則直接輸出最大值255作為控制量，不再調(diào)用PID算法,不做控制量的累加。這樣處理可以在很大程度上改善控制性能。 第二章 重要電路設(shè)計(jì)2.1 溫度采集圖21 溫度采集電路用電橋采集溫敏電阻值的變化，考慮到是小信號(hào)的放大，所以選擇儀表放大電路，并且選擇高精度，低溫漂的OP07運(yùn)算放大器。電阻R29為薄膜鉑電阻，與R28在電橋的兩個(gè)臂上，將鉑電阻的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)U3的放大倍數(shù)定為33倍，U4的作用是調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使輸出電壓為05V調(diào)節(jié)過程：1、把鉑電阻定在18度的阻值1

14、06.6歐姆，調(diào)節(jié)R23，使輸出為0。2、把鉑電阻定在40度的阻值114.8歐姆，調(diào)節(jié)R30，使輸出為5V3、采用一階濾波，目的是濾出高頻得噪聲干擾，所以f0定在幾十HZ。2.2 溫度控制1. 電壓變換：電路圖見圖22圖22 電壓變換電路說明：這部分電路先將D/A輸出的電壓控制信號(hào)control(-50V) 用一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的反向放大器轉(zhuǎn)移到電平08V，然后通過小功率穩(wěn)壓芯片LM385降壓2.5V。這是因?yàn)榻?jīng)穩(wěn)壓芯片385，電壓至少會(huì)提高2.5V（VoutVadj=1.25V再經(jīng)過擴(kuò)展）。在調(diào)試過程中，調(diào)節(jié)R3的阻值，便可調(diào)整反向放大器的增益，從而調(diào)整輸出電壓的范圍。 2. 控制電路：具體電路包

15、括由兩片LM338構(gòu)成的功率放大，以及由繼電器構(gòu)成的輸出電流方向控制兩部分，如圖23所示。電路說明：（1） 單片機(jī)的串口P1.2的輸出經(jīng)過繼電器的驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A，控制四刀繼電器（Relay）都與上端或下端接通，從而改變輸入半導(dǎo)體制冷器件的電流方向。（2） 控制電壓信號(hào)經(jīng)放大分壓后輸入LM338的Vadj端，R7和R8可用來調(diào)整零點(diǎn)。（3） 由于LM338的Vin和Vout端至少需要3V的壓降，而半導(dǎo)體制冷器件最多承受8V的電壓，故兩路輸入電源輸入采用12V的大功率電源。圖23 功率輸出電路 第三章 軟件流程3.1 基本控制一、中斷：1、定時(shí)器中斷：采集溫度數(shù)據(jù)、調(diào)用PID算法核生成溫

16、度控制數(shù)據(jù)、發(fā)送溫度控制數(shù)據(jù)到溫度控制系統(tǒng)；2、鍵盤中斷：外部中斷0，響應(yīng)鍵盤輸入；3、AD中斷：外部中斷1，是AD完成的反饋信號(hào)。二、地址分配鍵盤顯示控制器：占用地址空間8001H（狀態(tài)、命令口），8000H（數(shù)據(jù)口）占用外部中斷線INT0；AD芯片：占用地址空間0c000H，占用外部中斷1DA芯片：占用地址空間0a000hPID算法中的數(shù)據(jù)：采樣溫度 20H 控制量 21H控制量的方向 22.0設(shè)定的溫度 23H顯示緩沖區(qū)54-5BMOV 24H,#0FFH ;Kp 24HMOV 25H,#0DFH ;Ki 25HMOV 26H,#00FH ;Kd 26H3.2 PID控制數(shù)字PID表達(dá)式

17、為：其中改寫為增量形式：具體流程圖可見圖31。圖31 數(shù)字PID增量型控制算法流程圖AD結(jié)果賦給V(t)計(jì)算e(t)=Vo(t)-V(t)求控制增量P(n)P(n)與P(n-1)相加求得P(n)更新P(n-1),e(n-1),e(n-2)輸出控制量P(n)返回3.3 時(shí)間最優(yōu)的PID控制流程圖圖32 時(shí)間最優(yōu)的PID控制流程圖求得e(n)|e(n)|PID控制Y開關(guān)控制N輸出控制量P(n) 第四章 系統(tǒng)功能及使用方法4.1 溫度控制系統(tǒng)的功能本系統(tǒng)的溫度顯示范圍：18.042，顯示精度：0.1 ，可使控溫箱體內(nèi)的溫度恒定在1840范圍內(nèi)的任意溫度上。4.2 溫度控制系統(tǒng)的使用方法F1 顯示當(dāng)前

18、箱體內(nèi)的溫度值F2顯示控制量的大小F3顯示當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度之間的差值F4設(shè)定目標(biāo)溫度值 第五章 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析5.1 硬件測試5.1.1調(diào)試流程1 穩(wěn)壓電源：調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源對(duì)應(yīng)的變阻器，使輸出為5V；2 確定中斷源工作正常；3 確定溫度傳感器數(shù)字電路工作正常；4 溫度傳感器模擬電路：（1）調(diào)節(jié)電橋滿足鉑電阻額定電流1mA；（2）在17攝氏度調(diào)節(jié)零點(diǎn)；（3）升溫到一個(gè)較高溫度，確定覆蓋范圍；（4）任意選定溫度，驗(yàn)證；5 確定溫度控制器數(shù)字電路工作正常；6 溫度控制器模擬電路：（1）設(shè)定溫度控制量的模為0，調(diào)節(jié)調(diào)零變阻使338的電壓為零；（2）設(shè)定溫度控制量的模最大255，調(diào)節(jié)范圍控制電阻，使

19、338輸出的電壓為所需的最大值8V；（3）取任一中間量驗(yàn)證（4）改變溫度控制量方向，檢驗(yàn)繼電器動(dòng)作；（5）驗(yàn)證有載工作。5.1.2 一些調(diào)試技巧硬件調(diào)試的時(shí)候，不能盲目的調(diào)試，應(yīng)該首先分析一下原因，這一點(diǎn)可以通過測試硬件中的關(guān)鍵點(diǎn)來得出，再去調(diào)試相應(yīng)的部分；調(diào)試的主要方法是測試相應(yīng)部分電源特性和焊接聯(lián)通性，若未解決再察看電路的完整性，再無問題則需要檢查設(shè)計(jì)原理。5.1.3 調(diào)試中遇到的問題及分析1 串?dāng)_：可以采用諸如模、數(shù)、功率分離，一點(diǎn)接地等方法來避免串?dāng)_；2. D/A輸出經(jīng)電平轉(zhuǎn)換至但聯(lián)調(diào)加入后向通道LM338時(shí)電平轉(zhuǎn)換不起作用。解決方法：調(diào)試發(fā)現(xiàn)聯(lián)結(jié)LM338后降低2.5V電平的LM385失效，判斷是有電流倒灌，經(jīng)計(jì)算是由于LM338電路的電阻太小導(dǎo)致電流太大使LM385的偏置失效，改正后電路正常工作。5.2 軟件調(diào)試PID算法系數(shù)整定a.確定比例增益P確定比例增益P 時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0，使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%70%，由0逐漸加大比例增益P，直