溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

#/9溫度控制系統(tǒng)設(shè)計目錄第一章系統(tǒng)方案論證錯誤!未指定書簽。―潤屬釤瘞歌櫪廡賴賃.?？傮w方案設(shè)計錯誤!未指定書簽。溫度傳感系統(tǒng)錯誤!未指定書簽。溫度控制系統(tǒng)及系統(tǒng)電源錯誤!未指定書簽。單片機處理系統(tǒng)(包括數(shù)字部分)及溫控箱設(shè)計錯誤!未指定書簽。^.勾.金富^愛氌譴凈測。算法原理錯誤!未指定書簽。第二章重要電路設(shè)計錯誤!未指定書簽。溫度采集錯誤!未指定書簽。溫度控制錯誤!未指定書簽。第三章軟件流程錯誤!未指定書簽。基本控制錯誤!未指定書簽。控制錯誤!未指定書簽。時間最優(yōu)的控制流程圖錯誤!未指定書簽。第四章系統(tǒng)功能及使用方法錯誤!未指定書簽。溫度控制系統(tǒng)的功能錯誤!未指定書簽。溫度控制系統(tǒng)的使用方法錯誤!未指定書簽。第五章系統(tǒng)測試及結(jié)果分析錯誤!未指定書簽。硬件測試錯誤!未指定書簽。軟件調(diào)試錯誤!未指定書簽。第六章進一步討論錯誤!未指定書簽。參考文獻錯誤!未指定書簽。致謝錯誤!未指定書簽。摘要：本文介紹了以單片機為核心的溫度控制器的設(shè)計，文章結(jié)合課題《溫度控制系統(tǒng)》，從硬件和軟件設(shè)計兩方面做了較為詳盡的闡述。殘騖樓.錈一溆一―果。MIIHIII關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng)控制單片機引言：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)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。本文設(shè)計了以單片機為檢測控制中心的溫度控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進的數(shù)字控制算法，顯示采用靜態(tài)顯示。該系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，按要求有以下功能：摶篋一懟類蔣―。()溫度控制范圍為°;()有加熱和制冷兩種功能()指標要求：超調(diào)量小于°；過渡時間小于；靜差小于℃；溫控精度℃()實時顯示當前溫度值，設(shè)定溫度值，二者差值和控制量的值。第一章系統(tǒng)方案論證總體方案設(shè)計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，送轉(zhuǎn)換器采樣、量化，量化后的數(shù)據(jù)送單片機做進一步處理；廈礴懇蹣駢―繼僧騷巹航當前溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度數(shù)據(jù)經(jīng)算法得到溫度控制數(shù)據(jù)；控制數(shù)據(jù)經(jīng)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，從而實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)大致可以分為：傳感、單片機處理、控制及溫控箱。圖－系統(tǒng)總體框圖勢；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，并且需要高精度運放。煢因為溫度變化并不是很快，所以電路對濾波器的要求并不高，這里采用了一階濾波即可滿足要求。溫度控制系統(tǒng)及系統(tǒng)電源溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)需要完成的功能為：轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號，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。鵝婭盡損鵪慘屣蘢一繁詰。iimmi^^^miiiimiiiii轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號經(jīng)過電壓放大、功率放大后，給兩片半導(dǎo)體制冷器件供電。另外單片機還輸出一個用來控制是加熱還是制冷的控制信號。籍叢媽.為贍僨蟶練浮櫧撻?！龉β史糯箅娐凡捎梅€(wěn)壓芯片，可承受高輸出電流，且端輸出電壓與端的電壓差保持不變的特點，可將控制信號利用運放方向放大后，輸入至穩(wěn)壓芯片的端，輸出信號的電壓范圍和功率放大至合適的大小。具體設(shè)計為輸出的控制信號，經(jīng)上述處理，在端利用繼電器，由單片機輸出的加熱制冷控制信號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。^^圣金玄.蕨齦訝驊糴^,。系統(tǒng)電源本設(shè)計需要供電的部分有溫度采集部分須有基準電壓供電，單片機處理系統(tǒng)的數(shù)字電路部分需要＋的電源，而實驗室的電源會有紋波，故采用穩(wěn)壓芯片自行設(shè)計，電路如圖，調(diào)節(jié)可變電阻，即可得到所需的電壓。滲彭嗆儼勻諤鱉調(diào)礙金錨艮球mmiiniimmi其中可變電阻是起到分壓得作用，避免在上的壓降過大，否則發(fā)熱，會使電壓不穩(wěn)。

+15V+15V單片機處理系統(tǒng)及溫控箱設(shè)計單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：①模數(shù)部分將傳感信號量化為位二進制數(shù)，并將其送入最小系統(tǒng)板；控制層調(diào)用算法，計算出控制量，同時提供人機交互；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、、外部中斷源信號等）的通信參照了微機原理與接口實驗中的實驗箱電路的連接方法。調(diào)用算法的中斷采用的是內(nèi)部定時器，可以簡化外圍電路。鐃I朱臥瀉一圣騁貺項廉縫勘。溫控箱設(shè)計我們用實驗室提供的材料自己設(shè)計制作了溫度控制箱體?？販叵錇檎襟w鋁箱，在其中相對的兩個內(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無接縫的整體，相對的半導(dǎo)體制冷片的兩側(cè)挖空，露出其全部面積，中間留有一個很小的腔體作為溫度控制的空間（插入熱敏電阻與標準表探頭）。.［帝鳳襪備^^輪爛薔輟贏。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。算法原理、基本算法其中 I和（）都是八位二進制數(shù)，用一個字節(jié)存儲。在上述公式中，存在差項，需要用補碼來表示負數(shù)。所以必須用最高位作為符號位，和（）用位表示顯然是不夠的。處理方法是在和（）前面補一個值為零的字節(jié)，以兩字節(jié)來表示，運算的最終結(jié)果結(jié)果取位有效位。嬲熟俁閫蕨圜閶鄴鎵」1g蜩漢。nuiiiiiiiiiiiinimniiiiniiniimimin基本的算法，需要整定的系數(shù)是（比例系數(shù)）（積分系數(shù)）（微分系數(shù)）三個。這三個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響如下：壇搏鄉(xiāng)―契鈴豁—（）比例系數(shù)①對動態(tài)性能的影響比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定，若太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢；蠟燮修.輟倀鉉錨.贅簟登②對穩(wěn)態(tài)性能的影響力口大比例系數(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小靜差，提高控制精度，但是加大只是減少靜差，不能完全消除。一輔曇—版■ummu（）積分系數(shù)①對動態(tài)性能的影響積分系數(shù)通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。太大，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；偏大，振蕩次數(shù)較多；太小，對系統(tǒng)性能的影響減少；而當合適時，過渡特性比較理想；②對穩(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。但是若太小時，積分作用太弱，以致不能減小靜差。()微分系數(shù)微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使靜差減小，提高控制精度。但當偏大或偏小時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長，只有合適的時候，才可以得到比較滿意的過渡過程。對系數(shù)實行“先比例，后積分，再微分”的整定步驟。()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)。()加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分系數(shù)一個較小的值，并將第()步中整定的比例系數(shù)略為縮小(例如縮小為原值的倍)，然后增大，使在保持系統(tǒng)良好動態(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)。()若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(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，可先置微分系數(shù)為，在第一步的基礎(chǔ)上，增大，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間。、時間最優(yōu)的控制算法采用上述控制算法存在一個問題：當設(shè)定值比當前值高很多時，在相當一段時間內(nèi)，控制增量都為正，而且在不斷的積累增大；只有當溫度上升到設(shè)定值以上時，控制增量才有可能變?yōu)樨撝?；要用負的控制增量抵消以前積累的正控制量，需要的時間較長；這正是產(chǎn)生超調(diào)量的根本原因。當設(shè)定值低于當前值時情況類似。為解決這個問題，采用了時間最優(yōu)的控制算法。時間最優(yōu)的控制即開關(guān)控制(控制)與控制相結(jié)合的控制方式。其思想是：開關(guān)控制即指在當前值與設(shè)定值偏差較大的情況下，控制系統(tǒng)進入“開”或者“關(guān)”兩種狀態(tài)。具體到本系統(tǒng),就是指當前溫度和設(shè)定溫度差別很大時，要么全功率(最大電壓輸出)的加熱，要么就全功率的制冷。當前值與設(shè)定值相差在閾值a以內(nèi)時，采用算法計算輸出控制量；當在a以外時，則直接輸出最大值作為控制量，不再調(diào)用算法,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。一,勞疇皆癇嫦脛糴鈹除第二章重要電路設(shè)計溫度采集圖一溫度采集電路用電橋采集溫敏電阻值的變化，考慮到是小信號的放大，所以選擇儀表放大電路，并且選擇高精度，低溫漂的運算放大器。耳—滅縈歡蜴聾鶩金帛聰櫻。電阻為薄膜鉑電阻，與在電橋的兩個臂上，將鉑電阻的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號的放大倍數(shù)定為倍，的作用是調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使輸出電壓為鯊胃輸詘—溈獻充康搖飭。umnii調(diào)節(jié)過程：、把鉑電阻定在度的阻值歐姆，調(diào)節(jié)，使輸出為。、把鉑電阻定在度的阻值歐姆，調(diào)節(jié)，使輸出為、采用一階濾波，目的是濾出高頻得噪聲干擾，所以定在幾十。溫度控制.電壓變換：電路圖見圖－圖－電壓變換電路說明：這部分電路先將輸出的電壓控制信號（?）用一個運放構(gòu)成的反向放大器轉(zhuǎn)移到電平?，然后通過小功率穩(wěn)壓芯片降壓。這是因為經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM,電壓至少會提高（一再經(jīng)過擴展）。在調(diào)試過程中，調(diào)節(jié)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。碩痍鄢頏謅槿槨搞?蘞鷥膠。.控制電路：具體電路包括由兩片構(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，如圖一所示。閿擻—遷擇一秘―塤。電路說明：（）單片機的串口的輸出經(jīng)過繼電器的驅(qū)動芯片，控制四刀繼電器（）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。―富貿(mào)懇郝.頷果紛金l。（）控制電壓信號經(jīng)放大分壓后輸入的端，和可用來調(diào)整零點。（）由于的和端至少需要的壓降，而半導(dǎo)體制冷器件最多承受的電壓，故兩路輸入電源輸入采用+的大功率電源。金土鵒一隼——圖－功率輸出電路U1R41kU1R41kR31k第三章軟件流程基本控制一、中斷：、定時器中斷：采集溫度數(shù)據(jù)、調(diào)用算法核生成溫度控制數(shù)據(jù)、發(fā)送溫度控制數(shù)據(jù)到溫度控制系統(tǒng)；、鍵盤中斷：外部中斷，響應(yīng)鍵盤輸入；、中斷：外部中斷，是完成的反饋信號。二、地址分配鍵盤顯示控制器：占用地址空間（狀態(tài)、命令口），（數(shù)據(jù)口）占用外部中斷線;芯片：占用地址空間，占用外部中斷芯片：占用地址空間算法中的數(shù)據(jù)：采樣溫度控制量控制量的方向設(shè)定的溫度顯示緩沖區(qū)控制數(shù)字表達式為:其中 1改寫為增量形式:

具體流程圖可見圖－。圖－數(shù)字增量型控制算法流程圖時間最優(yōu)的控制流程圖圖－時間最優(yōu)的控制流程圖第四章系統(tǒng)功能及使用方法溫度控制系統(tǒng)的功能本系統(tǒng)的溫度顯示范圍：℃—℃，顯示精度：℃，可使控溫箱體內(nèi)的溫度恒定在℃一℃范圍內(nèi)的任意溫度上。諺辭—諂動槿瀉懶謹覡。溫度控制系統(tǒng)的使用方法顯示當前箱體內(nèi)的溫度值顯示控制量的大小顯示當前溫度與設(shè)定溫度之間的差值設(shè)定目標溫度值第五章系統(tǒng)測試及結(jié)果分析硬件測試調(diào)試流程穩(wěn)壓電源：調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源對應(yīng)的變阻器，使輸出為；確定中斷源工作正常；確定溫度傳感器數(shù)字電路工作正常；溫度傳感器模擬電路：（）調(diào)節(jié)電橋滿足鉑電阻額定電流；（）在攝氏度調(diào)節(jié)零點；（）升溫到一個較高溫度，確定覆蓋范圍；（）任意選定溫度，驗證；啜覲.縲鐋囁彳.屯鉿錈.懇?！龃_定溫度控制器數(shù)字電路工作正常；溫度控制器模擬電路：（）設(shè)定溫度控制量的模為，調(diào)節(jié)調(diào)零變阻使的電壓為零；（）設(shè)定溫度控制量的模最大，調(diào)節(jié)范圍控制電阻，使輸出的電壓為所需的最大值；（）取任一中間量驗證（）改變溫度控制量方向，檢驗繼電器動作；（）驗證有載工作。受紿.瓣鉦輜檄庫圓^。一些調(diào)試技巧硬件調(diào)試的時候，不能盲目的調(diào)試，應(yīng)該首先分析一下原因，這一點可以通過測試硬件中的關(guān)鍵點來得出，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)計原理。.漬蟆俾閱.懈胃暹.闋駕調(diào)試中遇到的問題及分析串擾：可以采用諸如模、數(shù)、功率分離，一點接地等方法來避免串擾；.輸出經(jīng)電平轉(zhuǎn)換至但聯(lián)調(diào)加入后向通道時電平轉(zhuǎn)換不起作用。解決方法：調(diào)試發(fā)現(xiàn)聯(lián)結(jié)后降低電平的失效，判斷是有電流倒灌，經(jīng)計算是由于電路的電阻太小導(dǎo)致電流太大使的偏置失效，改正后電路正常工作。紂憂——憫騖一。軟件調(diào)試算法系數(shù)整定.確定比例增益確定比例增益時，首先去掉的積分項和微分項，一般是令、，使為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的，由逐漸加大比例增益，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益，設(shè)定的比例增益為當前值的。比例增益調(diào)試完成。穎芻一餑億頓裊賠瀧漲負。.確定積分時間常數(shù)比例增益確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)的初值，然后逐漸減小，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的，設(shè)定的積分時間常數(shù)為當前值的。積分時間常數(shù)調(diào)試完成。濫.月——寢哪咸棲。.確定積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)一般不用設(shè)定，為即可。若要設(shè)定，與確定和的方法相同，取不振蕩時的?！?鰻鴻鋟—鼠第六章進一步討論（）針對被控對象的非線性，設(shè)計分段式變參數(shù)控制算法，對不同的溫度段使用不同的參數(shù)。（）采樣中斷使用的是單片機的內(nèi)部定時器，會占用較多的系統(tǒng)資源，可以考慮改用外部定時器，用中斷口。()可以在程序中加入數(shù)字濾波的程序