基于单片机的温度控制系统设计.pdf

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1、电气控制lE l e c t r i cC o n t r o l基于单片机的温度控制系统设计介绍以格州电子的1 6 位单片机K G 3 系列7 8 F 1 1 6 6 芯片为核心部件，实现电热水器的恒温控制。设计了温度检测部分、单片机P I D 运算部分及电源部分的硬件电路和软件实现方法。该系统具有性能稳定、成本较低和安全系数较高的优点。俞欣滢曾志强孙仪彬上海大学机电工程及其自动化学院俞欣滢本科关键撇y w o r d s温度控制单片杌P I P 算法电源温度测控在工业领域具有广泛的应用，随着传感器技术和单片机技术等不断发展，为智能温度测控系统精度的提高和稳定性改善等提供了条件。本文介绍了一

2、种基于单片机的温度闭环控制装置，通过对机内数字P I D 参数的设置，达到对不同受控对象的不同温度要求进行高精度控制。硬件电路的设计电热水器的恒温控制系统硬件电路由温度检测、单片机P I D 运算和输出电源三个模块组成。系统总体结构框图如图1 所示。盥片机电水炉加热显示设定值电源控制输出电压(功率)圈1系统总体结构框图检测模块作为闭环的反馈实时检测水温，并经A D 转换把信号传送给单片机，再通过单片机把处理后的控制信号通过D A 转换传送给电源模块的T L 4 9 4，T L 4 9 4 控制电压与锯齿波比较输出一个占空比可控的P W M 波形，进而对加热器的开关进行控制，以达到输出5 0I

3、嘭艺与诩冶金电气2 0 0 9 年第2 8 卷第2 0 期可控的效果。1 温度检测电路的设计温度检测在整个系统中是一个非常重要的环节，温度检测直接影响着系统的精度，所以设计精密的温度检测电路是十分重要的。(1)检测元件的比较和选用1)采用热敏电阻。热敏电阻体积小，价格便宜，易于通过接触测试固体温度。但是对于测量液体温度表现不佳。再者，热敏电阻特性的非线性(或者说近似的分段线性)给单片机的多点恒温带来麻烦，要通过大量测试建立温度电压(T V)表格，才能实现。2)采用A D S 9 0。A D 5 9 0 具有精度高、价格低、不需辅助电源、线性好等特点。在以往的实验中，用起来也颇为方便，但是A D

4、 S 9 0 输出的是微安级的电流，接触水会显著地使输出非正常，测量便不准确。用绝缘胶布包住导线，但是随着水温的升高，会不可避免的产生湿气且造成影响。3)采用1 0 0 0。电阻温度系数分散性小，其精度高、线性好和灵敏度比较高。4)采用D S l 8 8 2 0。格州单片机面板上集成有D S l 8 8 2 0，各项性能都表现良好，但是不易直接用其测水温。通过上述比较，选用1 0 0 0 传感器检测温度。P r l 0 0 0 的精度比较高，对于温度传感器要使测得的数据精确必须要有一个很高精度的恒流源。传感器P T l 0 0 0的检测信号输出很低，所以要对检测信号进行精密的放大也是比不可少的

5、环节。(2)温度检测电路设计样一一；婆甄黜二襞实一厂万方数据基于单片机的温度控制系统设计温度检测电路由恒流源、信号放大和检测输出部分组成。恒流源采用的是运算放大器L M 3 2 4。在运算放大器的输出端接了一个电阻可以确定电流的大小。要使输出的电流是高精度的，在运算放大器的输入端就必须有一个稳定的电压，因此采用T L 4 3 1 产生一个稳定的电压作为输入，这样保证输出的稳定。为了提高精度，在电路中增加了两个电压跟随器及几个兆欧级的电阻，使恒流源的精度可以达到微安级。这样就能为温度传感器的检测提供一个稳定的环境，为提高检测精度提供了保证。信号的放大环节也十分重要，它的精度要求很高，而且也要求能

6、够有很高的放大倍数，采用的运算放大器是高精度、低功耗的仪器放大器I N A l 2 8。I N A l 2 8 的放大倍数很高，可以放大很微弱的信号。这里将温度传感器检测的电压信号放大了1 0 0 倍。温度传感器检测的信号经放大后采用单片机进行采样控制。为了保证单片机的安全，检测输出部分设计了一个对单片机的保护环节。2 单片机系统设计单片机采用格州电子1 6 位K G 3 系列7 8 F 1 1 6 6芯片，主板、扩展板分离设计，通过并口连接，使用灵活方便。主板上集成了数码管、发光二极管、4 4 键盘模块、E 2 P R O M 及独立的蜂鸣器等电路，每一个管脚都有插针引出，方便扩展其他功能。

7、副板提供了1 6 0 2 液晶模组、R S 2 3 2 通信模块、R S 4 8 5 模块、A D D A、红外发射接受模块和温度检测模块，资源丰富可以实现各种功能的集成。单片机由A D 采样检测装置输入，并进行P I D 处理，再通过D A 输出电压信号给电源装置的T L 4 9 4，达到控制输出电压的效果。3 电源电路设计采用直流降压电路。直流降压电路与升压电路相比主要缺点在于电路的功率不可能像升压电路一样大，可是降压也有它的优点。首先就电压来说，输出电压在3 6V 以下，属于人体安全电压范围，不易发生安全事故；同时由于在电路设计w w w c a g e c o r n e F tE l

8、 e c t r i cC o n t r o lI 电气控制的过程中最大地考虑了效率的问题，带负载效率可达9 1 6 3，加热功率也不低，经试验测定可达2 4 3 6W。对于M O S 管y。不超出一2 0 一+2 0V 的要求，我们将常规的M O S 管接到电源的正极，由占空比可调的P W M 波控制M O S 的开关，在电路设计中进行了一定的创新，将M O S 管经过电感电容分压之后接到M O S 管的漏极。M O S 管的源极接地，门级接驱动输出。经过理论分析与实验验证最终采用了该方案。电源电路利用T L 4 9 4 生成B u c k 大功率稳压电路的控制信号，T L 4 9 4 产

9、生一个占空比可控的P W M 波作为最终驱动N M O S 的原始信号。中间使用了光耦6 N 1 3 7 实现弱电控制到高电压功率输出的电气隔离。由于T I A 9 4 的输出信号是一个较小的信号，不能直接用作功率电路的驱动，因此在光耦电路中必须对原信号进行放大，以此来满足N M O S 所需的电平要求。软件系统的设计1 主程序主程序流程图如图2 所示。硬件初始化键盘输入设定温度，并用L C D 显示A D 读入检测电压P I D 分段增量式控制，输出给D A 控制电压控制钪铜丝加热功率(通过控制电压实现)图2 主程序流程图2 P I D 控制算法子程序(1)P I D 算法的比较和选用1)采

10、用传统P I D。位置式和增量式算法，其特点是结构简单，实现相对容易，缺点是有超调2 0 0 9 年1 0 月下冶金电气嘭量胡|5 1万方数据电气控制IE l e c t r i cC o n t r o l和温度上升不够快。2)分段P I D。在传统P I D 的基础上有效克服积分饱和问题，解决系统运行一段时间后会突然急剧升温的问题。也能按每部分加热要求的不同而灵活调整达到较好的调温效果。3)P U Z Z YP I D。根据模糊控制理论，把E(k)和d E d t，即E(k)一E(k 一1)分别分成5 段和3段，再排列1 5 种情况，加以给定不同的P I D 参数(有一套基准P I D 参

11、数)。根据理论，这种方法效果应当较好，但是需要巨量的试验数据和经验作为依据，对于我们来说显得要求过高，操作性相对分段P I D 来说有所降低。通过比较选用分段P I D 算法。模拟系统结构图如图3 所示。图3 系统结构图(2)P I D 控制算法子程序P I D 控制算法子程序流程图如图4 所示。结束语本设计是基于格州学习板K G 3 系列8 F I1 6 6 芯片开发而来，通过三个模块：检测模块、单片机P I D 模块和电源模块来实现恒温控制。采用P T l 0 0 0 温度传感器进行温度检测，精度高、线性好且灵敏度高，在液体中的表现非常稳定；采用P I D 控制算法实现恒温控制，使系统精度

12、高，准确度和稳定度都令人满意。5 2I 嘭易铂冶金电气2 0 0 9 年第2 8 卷第2 0 期P I D 参数初始化，量尉七-l，=目c-2)=0，印(视情况而定)l取给定值S E T P O I N T(设定温度)和当前值尉的lE(k)=S E T P O I N 卜尉)l计算P I D 增量并防止积分饱和P I D 2 k+(目t)卜日|卜l 卜 目，超过设定取消此项，+知+(目 J 广2 耳卜l 卜觑卜1)I输出n-，P I DlE(k-2)=E(k-1)觑卜1 声耳的图4 算法子程序流程图参考文献 I 潘永湘，杨延西，赵跃过程控制与自动化仪表 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 7

13、 2 陶永华，等新型P I D 控制及其应用 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 8 3 杨帮文新型实用电源电路集锦 M 北京：机械工业出版社。1 9 9 9 4 何希才新型开关电源设计与维修 M 北京：国防工业出版社。2 0 0 1 5 景占荣信号检测与估计 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 4(收稿日期：2 0 0 9 0 9 1 6)E 万方数据基于单片机的温度控制系统设计基于单片机的温度控制系统设计作者：俞欣滢，曾志强，孙仪彬作者单位：上海大学机电工程及其自动化学院刊名：电气应用英文刊名：ELECTROTECHNICAL APPLICATION年，卷(期)：2009，28(20)

14、被引用次数：0次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.潘永湘.杨延西.赵跃 过程控制与自动化仪表 20072.陶永华 新型PID控制及其应用 19983.杨帮文 新型实用电源电路集锦 19994.何希才 新型开关电源设计与维修 20015.景占荣 信号检测与估计 2004 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 毛有武.吴树森.罗吉荣.熊闰珍 单片机在中频热推弯管机温度控制上的应用-热加工工艺2003,(2)介绍了中频热推弯管机温度控制的原理,设计出以8031单片机为核心温度控制的硬件、软件.应用表明:系统抗干扰能力强,温度控制效果好,能够用于现场生产控制.2.期刊论文 储海兵.谭功

15、全.曹亢.任善荣.CHU Hai-bing.TAN Gong-quan.CAO Kang.REN Shan-rong 单片机温度控制实验系统-仪表技术2007,(12)介绍以单片机AT89C51为核心的温度控制实验系统.它使用一线制数字温度传感器DS18B20采集温度,经过PID算法计算输出PWM波控制固态继电器调节热阻丝发热功率,最终控制被控对象温度.另外,该系统还扩展了人机接口和串口通信.整个系统不但成本低廉、而且使用和扩展方便,为广泛深入应用提供了借鉴.3.学位论文 张莉 工业烘干箱温度控制的仿真研究及其单片机实现 2006 本课题主要研究的内容是广东韶关钢铁集团有限公司设备检修中心的烘

16、干箱温度控制系统，本文针对烘干箱这一典型的电加热控制对象，根据其温度上升快、调节时间短的控制要求，利用模糊自整定PID控制精度高、适应性强的特点，寻找到一种对大部分大功率加热设备都适用的有效控制方法与策略，并将该控制方案基于单片机实现。本文对温度控制系统的特性进行研究，了解到温度控制系统具有大滞后、参数时变、非线性以及难以建立精确的数学模型等特点以及控制过程中存在种类繁多的干扰，某些因素使控制系统性能不佳，影响了系统的稳定性，导致系统的超调量变大，调节时间大大加长，甚至出现振荡、发散，系统的动态品质很差，仅采用常规PID控制对于复杂的温度控制系统较难达到优良的控制效果，也不易满足精确的性能指标

17、。因此控制领域内出现了在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展起来的智能控制理论。模糊控制作为智能控制领域的一个分支，其本质是非线性控制和自适应控制，对于纯滞后的参数时变或模型不太精确的复杂控制系统，具有较强的鲁棒性。针对电机检修的工艺特点，对烘干箱控制要求是调节时间短，超调量为零，且稳态误差在1内，本文分别研究了PID控制、模糊控制和模糊自整定PID控制策略，并用MATLAB软件对各种控制方案的控制性能和抗干扰能力分别进行了仿真研究，通过仿真表明模糊自整定PID控制具有模糊控制的灵活性和适应性，又具有PID控制的高精度性，对一阶惯性滞后模型适应性较强，具有很好的鲁棒性和控制效果，将其用于大部

18、分大功率加热设备，能达到零超调、调节时间快且稳态误差也非常小的理想效果。本文将模糊自整定PID控制方法在单片机温度控制系统中实现，并介绍了以单片机为核心的控制系统的硬件与软件设计。并对所研制的烘干箱测取了一组实验数据，实验结果与仿真研究基本吻合，证明了用模糊自整定PID实现温度控制的效果比较理想。4.期刊论文 余真珠.张春堂.YU Zhen-zhu.ZHANG Chun-tang 基于P87LPC764单片机的低成本温度控制仪表设计-自动化技术与应用2006,25(10)温度是与人类的生活和生产密切相关的物理量,从日常生活到工业生产各个领域都离不开温度的测量和控制.本文以Philips公司的P

19、87LPC764系列单片机为核心,设计了一款温度控制仪表,其控制性能大为改善,并且相对国外同类产品其成本大大降低.5.期刊论文 张菁.ZHANG Jing 单片机温度控制系统方案的研究-上海交通大学学报2007,41(1)目前的老式加热炉大多采用动圈式调节炉温控制,但较低的控制精度限制了其应用范围.针对该问题不足提出基于单片机的炉温控制方案,建立了系统数学模型,并推导出其状态空间方程,给出了通过调节参数达到目标温度的控制方案.通过仿真为实验提供了参考的调节参数,实验表明,该方案可以取得满意的准确度.6.学位论文 董辉 8098单片机温度控制仪 2000 该设计是以国际流行的16位高性能单片机8

20、098为核心,应用PID控制规律,实现了毛 条染色中对染缸温度的控制.该文介绍了该系统的硬件结构及工作工作原理,说明了条染温度控制的工艺特点及控制算法,并给出程序流程图及部分程序清单.7.期刊论文 莫文承.张洪涛.李兵兵 基于P89LV51RD2单片机的温度控制处理系统的设计与实现-电子元器件应用2008,10(2)介绍了一种基于温度传感器DS1820、单片机P89LV51RD2和SD卡来对温度进行采集、显示和存储的控制处理设计方案与实现方法,重点介绍了P89LV51RD2的新特性及其SPI工作模式,给出了P89LV51RD2的管脚连接配置以及SD卡的数据传输过程.最后简要说明了系统程序的设计

21、流程.8.期刊论文 徐静.曹树坤.XU Jing.CAO Shu-kun 基于单片机的连续烧结炉的多点温度控制-工业加热2007,36(3)介绍了一种以单片机AT89C52为核心的多点温度控制系统的设计方案;采用美国TI公司的逐次逼近型A/D转换器TLC2543进行串行数据采集与转换;同时介绍了系统的软硬件结构.采用软硬件滤波方法,抗干扰性强;节省资源,可靠实用.9.学位论文 颜祺 外腔半导体激光器的温度控制 2006 本论文着重研究了外腔半导体激光器(ECLD)双重温度控制电路的设计方案,并研制了为智能光源系统提供支持电压的稳压电源.对于外腔半导体激光器,影响其稳定度的因素主要是工作温度的漂

22、移和驱动电流的变化.当ECLD内部温度增加时,输出功率也随之减小,如果温度不稳则可能会引发模式跳跃现象,其结果会严重影响ECLD的稳定度；其次,ECLD的阈值电流随温度升高而升高,整个激光器的特性曲线基本上随温度的变化而平行移动；同时,长期工作于温度过高状态将导致ECLD的老化甚至损坏.因此,对于ECLD的高精度温度控制有着非常重要的意义.本实验的研究对象为智能型光源系统,它是以外腔半导体激光器为核心的.我们对激光器以及整个智能光源系统进行双重温度控制,它由两个定值闭环负反馈温控系统组成:采用PID控制原理的模拟电路和以单片机为核心的数字电路系统.一方面,当LD工作发热时,其内部集成的负温度系

23、数的热敏电阻把温度变化的信号快速转换为电信号,然后与预先设定的基准温度作比较得到差值,再经信号处理后驱动同样是其内部集成的半导体致冷器,以保持LD的温度恒定.这部分是由采用PID控制原理的模拟电路实现的.另一方面,对于由LD等组件构成的智能光源系统而言,将其整合在密封箱内,采用温度传感器、单片机、半导体致冷片等组件构成的温控系统来控制整个密封箱及其内部的温度,而这部分是通过以单片机为核心的数字电路系统来实现的.实验结果表明:智能光源系统的温度控制精度可达0.5,而半导体激光器的PID温度控制精度则可达到0.03.本论文还提出了一种采用ARM处理器的改进控制方案,使ECLD外围伺服电路更加的精确

24、、高效和小型化.智能型光源系统稳压电源是一种双极性、多路输出、高稳定性直流稳压电源,它为包括稳频伺服电路、温控电路、恒流源、波长调谐电路在内的整个智能光源系统提供支持电压.它共有八路输出,分别为+5V、+8V、12V、15V,输出电压误差小于0.02V.在外腔半导体激光器的应用研究中,采用带有温控系统的ECLD时,其工作温度得到有效控制,输出功率的稳定性得到显著改善.10.期刊论文 周铭.王媚芳 单片机在电热油炉温度控制中的应用-江苏电器2004,(6)介绍了单片机为核心元件组成的电热油炉温度控制系统,依据各种工况运行时的状态参数,自动判断工作状态,执行相应操作,实现测温、显示等功能.给出了系统硬件电路设计,编制了相应软件,阐述了提高系统运行可靠性的几种方法.本文链接：http:/