1、温度控制系统温度控制系统设计目 录第一章 系统方案论证 .21.1 总体方案设计 .21.2 温度传感系统 .31.3 温度控制系统及系统电源 .31.4 单片机处理系统（包括数字部分）及温控箱设计 .41.5 PID 算法原理 .5第二章 重要电路设计 .72.1 温度采集 .72.2 温度控制 .7第三章 软件流程 .83.1 基本控制 .83.2 PID 控制 .93.3 时间最优的 PID 控制流程图 .10第四章 系统功能及使用方法 .114.1 温度控制系统的功能 .114.2 温度控制系统的使用方法 .11第五章 系统测试及结果分析 .115.1 硬件测试 .115.2 软件调试
2、 .12第六章 进一步讨论 .12参考文献 .13致谢 .13温度控制系统摘要：本文介绍了以单片机为核心的温度控制器的设计，文章结合课题温度控制系统 ，从硬件和软件设计两方面做了较为详尽的阐述。关键词：温度控制系统 PID 控制 单片机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 combin
3、ed with the project Comtrol System of Temperature.Keywords: Control system of temperature PID control Single-chip Microcomputer引言：温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文设计了以单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用改进的 PID 数字控制算法，显示采用 LED 静态显示。该系统设计结构简单，按要求有以下功能：(1)温度控制范围为 2040C;(2
4、)有加热和制冷两种功能(3)指标要求：超调量小于 2C；过渡时间小于 5min；静差小于 0.5；温控精度 0.2温度控制系统(4)实时显示当前温度值，设定温度值，二者差值和控制量的值。第一章 系统方案论证1.1 总体方案设计薄膜铂电阻将温度转换成电压，经温度采集电路放大、滤波后，送 A/D 转换器采样、量化，量化后的数据送单片机做进一步处理；当前温度数据和设定温度数据经 PID 算法得到温度控制数据；控制数据经 D/A 转换器得到控制电压，经功率放大后供半导体致冷器加热或制冷，从而实现温度的闭环控制。系统大致可以分为：传感、单片机处理、控制及温控箱。图 11 系统总体框图1.2 温度传感系统
5、换能部分采用了电压电路，这主要考虑了电压信号不容易受干扰、容易与后续电路接口的优势；经过铂电阻特性分析，在要求的温度范围内铂电阻的线性较好，所以不必要增加非线性校正电路；采样电压再经过高精度电压放大电路和隔离电路之后输出；另外，由于高精度的需要，电路对电源要求较高，所以采用稳压电源电路的输出电压，并且需要高精度运放。因为温度变化并不是很快，所以电路对滤波器的要求并不高，这里采用了保温箱半导体致冷片半导体致冷片传感器 温度传感 A/D 转换单 片 机D/A 转换电压放大控 温 电 路温度控制系统一阶滤波即可满足要求。1.3 温度控制系统及系统电源1.3.1 温度控制系统温度控制系统需要完成的功能
6、为：D/A 转换器输出的电压控制信号，经过电压放大，再通过功率单元提高输出功率后，控制半导体制冷器件加热或制冷。故此子系统可分为电压放大、功率输出两部分。D/A 转换器输出的电压控制信号经过电压放大、功率放大后，给两片半导体制冷器件供电。另外单片机还输出一个用来控制是加热还是制冷的控制信号。功率放大电路采用 LM33 稳压芯片，可承受高输出电流，且 Vout 端输出电压与 Vadj 端的电压差保持不变的特点，可将控制信号利用运放方向放大后，输入至稳压芯片的 Vadj 端，输出信号的电压范围和功率放大至合适的大小。具体设计为 D/A 输出的控制信号，经上述处理，在 Vout 端利用继电器，由单片
7、机输出的加热制冷控制信号控制继电器的闭合方向，改变半导体器件的电流方向，从而控制加热或制冷。1.3.2 系统电源本设计需要供电的部分有温度采集部分须有基准电压+5V 供电，单片机处理系统的数字电路部分需要5V 的电源，而实验室的 5V 电源会有纹波，故采用稳压芯片 LM317 自行设计，电路如图，调节可变电阻，即可得到所需的电压。其中可变电阻 R1 是起到分压得作用，避免在 LM317 上的压降过大，否则LM317 发热，会使电压不稳。VIN3ADJ1VOUT 2U1LM317R13kC11uR23kC2100uR3240+15V +5V1.4 单片机处理系统及温控箱设计 1.4.1 单片机系
8、统单片机系统结构如下： 模数部分将传感信号量化为 8 位二进制数，并将其送入最小系统板； 控制层调用 PID 算法，计算出控制量，同时提供人机交互； 数模部分将控制量转换为模拟电压，送入温度控制部分。温度控制系统最小系统板与外部数字电路部分（包括 A/D、D/A、外部中断源信号等）的通信参照了微机原理与接口实验中的实验箱电路的连接方法。调用 PID 算法的中断采用的是内部定时器，可以简化外围电路。1.4.2 温控箱设计我们用实验室提供的材料自己设计制作了温度控制箱体。控温箱为正方体铝箱，在其中相对的两个内侧表面用导热硅胶粘贴了半导体致冷材料而成。为提高箱体绝热性能，在除了粘有半导体材料之外的其
9、他内表面，都贴有保温塑料层，为加强密闭性，尽量减少控制箱腔内体积，又要露出全部的半导体制冷片，我们采用的是“工字形”方案，即：将填入铝箱的保温塑料层做成一个无接缝的整体，相对的半导体制冷片的两侧挖空，露出其全部面积，中间留有一个很小的腔体作为温度控制的空间（插入热敏电阻与标准表探头） 。我们采用将箱体放入冷水中的方法解决温控箱的散热问题。1.5 PID 算法原理1、基本 PID 算法()()1)()()2(1)(2)p idPnKenKenene其中 oetVtVo 和 V(t)都是八位二进制数，用一个字节存储。在上述公式中，存在差项，需要用补码来表示负数。所以必须用最高位作为符号位，Vo 和
10、 V(t)用 8 位表示显然是不够的。处理方法是在 Vo 和 V(t)前面补一个值为零的字节，以两字节来表示，运算的最终结果结果取 8 位有效位。基本的 PID 算法，需要整定的系数是 Kp（比例系数）,Ki（积分系数）,Kd（微分系数）三个。这三个参数对系统性能的影响如下：（1） 比例系数 Kp 对动态性能的影响 比例系数 Kp 加大，使系统的动作灵敏，速度加快，Kp 偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当 Kp 太大时，系统会趋于不稳定，若 Kp 太小，又会使系统的动作缓慢； 对稳态性能的影响 加大比例系数 Kp，在系统稳定的情况下，可以减小静差，提高控制精度，但是加大 Kp 只是减少静差，
11、不能完全消除。（2） 积分系数 Ki 对动态性能的影响 积分系数 Ki 通常使系统的稳定性下降。Ki 太大，系统将不稳定；Ki 偏大，振荡次数较多；Ki 太小，对系统性能的影响减少；而当 Ki 合适时，过渡特性比较理想； 对稳态性能的影响 积分系数能消除系统的静差，提高控制系统的控制精度。但是若 Ki 太小时，积分作用太弱，以致不能减小静差。（3） 微分系数 Kd微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使静差减小，提高控制精度。但当 Kd 偏大或偏小时，超调量较大，调节时间较长，只有合适的时候，才可以得到比较满意的过渡过程。温度控制系统对系数实行“先比例，后积分
12、，再微分”的整定步骤。（1） 首先只整定比例部分。即将比例系数由小到大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应。（2） 加入积分环节。整定时首先置积分系数 Ki 一个较小的值，并将第（1）步中整定的比例系数略为缩小（例如缩小为原值的 0.8 倍） ，然后增大Ki，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应的好坏反复改变比例系数与积分系数。（3） 若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节。在整定时，可先置微分系数为 0，在第一步的基础上，增大 Kd，同时相应地改变比例系数和积分时间。2、时间最优的控制算法采用上述 P
13、ID 控制算法存在一个问题：当设定值比当前值高很多时，在相当一段时间内，控制增量都为正，而且在不断的积累增大；只有当温度上升到设定值以上时，控制增量才有可能变为负值；要用负的控制增量抵消以前积累的正控制量，需要的时间较长；这正是产生超调量的根本原因。当设定值低于当前值时情况类似。为解决这个问题，采用了时间最优的控制算法。时间最优的 PID 控制即开关控制（Bang-Bang 控制）与 PID 控制相结合的控制方式。其思想是：开关控制即指在当前值与设定值偏差较大的情况下，控制系统进入 “开”或者“关”两种状态。具体到本系统，就是指当前温度和设定温度差别很大时，要么全功率（最大电压输出）的加热，要
14、么就全功率的制冷。 Bang- PID ()()()rkcek控 制控 制当前值与设定值相差在阈值 以内时，采用 PID 算法计算输出控制量；当在 以外时，则直接输出最大值 255 作为控制量，不再调用 PID 算法,不做控制量的累加。这样处理可以在很大程度上改善控制性能。温度控制系统第二章 重要电路设计2.1 温度采集图 21 温度采集电路R51kR810kPARAMETERS:VccVout0032 D1LM385 Vcc15Vdc Vdd-15Vdc0 0C30.1uR25330kC21u0Vcc VddR3019.2kR29115.5R28108+3-2V+7V-4OUT 6OS1 1
15、OS2 8U1OP-07+3-2V+7V-4OUT 6OS1 1OS2 8U2OP-07+3-2V+7V-4OUT 6OS1 1OS2 8U3OP-07+3-2V+7V-4OUT 6OS1 1OS2 8U4OP-07R1710kR1810kR201kR21330kVccVddVccC10.1uVdd0VddVccddVccR191k0R261k用电桥采集温敏电阻值的变化，考虑到是小信号的放大，所以选择仪表放大电路，并且选择高精度，低温漂的 OP07 运算放大器。电阻 R29 为薄膜铂电阻，与 R28 在电桥的两个臂上，将铂电阻的电阻转换为电压信号 U3 的放大倍数定为 33 倍，U4 的作用是
16、调节放大倍数，使输出电压为 05V调节过程：1、把铂电阻定在 18 度的阻值 106.6 欧姆，调节 R23，使输出为 0。2、把铂电阻定在 40 度的阻值 114.8 欧姆，调节 R30，使输出为 5V3、采用一阶滤波，目的是滤出高频得噪声干扰，所以 f0 定在几十 HZ。2.2 温度控制1. 电压变换：电路图见图 22图 22 电压变换电路+3-2V+7V-4OUT 6OS1 1OS2 8U1R110kC11n-151521R4 5kVoutIout1R5 20k说明：这部分电路先将 D/A 输出的电压控制信号 control(-50V) 用一个运温度控制系统放构成的反向放大器转移到电平
17、08V，然后通过小功率稳压芯片 LM385 降压2.5V。这是因为经稳压芯片385，电压至少会提高2.5V（VoutVadj=1.25V 再经过扩展） 。在调试过程中，调节 R3 的阻值，便可调整反向放大器的增益，从而调整输出电压的范围。2. 控制电路：具体电路包括由两片 LM338 构成的功率放大，以及由继电器构成的输出电流方向控制两部分，如图 23 所示。电路说明：（1） 单片机的串口 P1.2 的输出经过继电器的驱动芯片ULN2003A，控制四刀继电器（Relay ）都与上端或下端接通，从而改变输入半导体制冷器件的电流方向。（2） 控制电压信号经放大分压后输入 LM338 的 Vadj
18、端，R7 和 R8 可用来调整零点。（3） 由于 LM338 的 Vin 和 Vout 端至少需要 3V 的压降，而半导体制冷器件最多承受 8V 的电压，故两路输入电源输入采用 12V 的大功率电源。图 23 功率输出电路1B1 2B23B3 4B45B5 6B67B71C 162C 153C 144C 135C 126C 117C 10COM9U1ULN2003A3 546 789 111012 131412LS1RELAY 4PDTVIN2ADJ1VOUT 3U2LM338VIN2ADJ1VOUT 3U3LM338C10.1uC20.1uR1300R2300pR31kR41kcontrol
19、+12VR51kR61kR71kR81k第三章 软件流程3.1 基本控制一、中断：1、定时器中断：采集温度数据、调用 PID 算法核生成温度控制数据、发送温度控制数据到温度控制系统；2、键盘中断：外部中断 0，响应键盘输入；3、AD 中断：外部中断 1，是 AD 完成的反馈信号。二、地址分配温度控制系统键盘显示控制器：占用地址空间 8001H（状态、命令口） ，8000H（数据口）占用外部中断线 INT0；AD 芯片：占用地址空间 0c000H，占用外部中断 1DA 芯片：占用地址空间 0a000hPID 算法中的数据：采样温度 20H 控制量 21H控制量的方向 22.0设定的温度 23H显
20、示缓冲区 54-5BMOV 24H,#0FFH ;Kp 24HMOV 25H,#0DFH ;Ki 25HMOV 26H,#00FH ;Kd 26H3.2 PID 控制数字 PID 表达式为： 0()()()()1)ndpjiTPnKeene其中 otVt改写为增量形式： ()()1)()()2(1)(2)p idPnKenKenene具体流程图可见图 31。图 31 数字 PID 增量型控制算法流程图温度控制系统AD 结果赋给 V(t)计算 e(t)=Vo(t)-V(t)求控制增量P(n)P(n)与 P(n-1)相加求得P(n)更新 P(n-1),e(n-1),e(n-2)输出控制量 P(n)返回3.3 时间最优的 PID 控制流程图图 32 时间最优的 PID 控制流程图求得 e(n)|e(n)|PID 控制Y开关控制N输出控制量 P(n)
