完整版温度控制系统设计.docx
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完整版温度控制系统设计
温度控制系统设计
第一章系统方案论证3
1.1总体方案设计3
1.2温度传感系统3
1.3温度控制系统及系统电源4
1.4单片机处理系统（包括数字部分）及温控箱设计4
1.5PID算法原理5
第二章重要电路设计7
2.1温度采集7
2.2温度控制7
第三章软件流程8
3.1基本控制8
3.2PID控制9
3.3时间最优的PID控制流程图10
第四章系统功能及使用方法11
4.1温度控制系统的功能11
4.2温度控制系统的使用方法11
第五章系统测试及结果分析11
5.1硬件测试11
5.2软件调试12
第六章进一步讨论12
参考文献13
致谢错误！
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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:
Thispaperintroducesatemperaturecontrolsystemthatisbasedonthesingle-chipmicrocomputer.Thehardwarecompositionandsoftwaredesignaredescriedindetailcombinedwiththeproject
ComtrolSystemofTemperature.
Keywords:
ControlsystemoftemperaturePIDcontrol
Single-chipMicrocomputer
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20~40°C;
⑵有加热和制冷两种功能
（3）指标要求：
超调量小丁2C;过渡时间小丁5min；静差小丁0.5C;温控精度0.2C
（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
薄膜钳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。
1.2温度传感系统
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；经过钳电阻特性分析，在要求的温度范围内钳电阻的线性较好，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，由丁高精度的需要，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。
1.4单片机处理系统及温控箱设计
1.4.1单片机系统
单片机系统结构如下：
1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;
2控制层调用PID算法，计算出控制量，同时提供人机交互；
3数模部分将控制量转换为模拟电压，送入温度控制部分。
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，乂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。
1.5PID算法原理
1、基本PID算法
P（n）Kp[e（n）e（n1）]Kje（n）Kd[e（n）2e（n1）e（n2）]
其中e（t）VoV（t）
Vo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
1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，系统会趋丁不稳定，若Kp太小，乂会使系统的动作缓慢；
2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，不能完全消除。
（2）积分系数Ki
1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；
2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。
对系数实行“先比例，后积分，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PID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。
当设定值低丁当前值时情况类似。
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，要么就全功率的制冷。
Bang-Bang^
|r（k）c（k）||e（k）|pi。
控制
当前值与设定值相差在阈值a以内时，采用PID算法计算输出控制量；当在a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。
第二章重要电路设计
2.1温度采集
图2—1温度采集电路
PARAMETERS:
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为薄膜钳电阻，与R28在电桥的两个臂上，将钳电阻的电阻转换为电压信号U3的放大倍数定为33倍，U4的作用是调节放大倍数，使输出电压为Q~5V调节过程：
1、把伯电阻定在18度的阻值1Q6.6欧姆，调节R23,使输出为0。
2、把伯电阻定在40度的阻值114.8欧姆，调节R30,使输出为5V
3、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2-2
图2—2电压变换电路
说明：
这部分电路先将D/A输出的电压控制信号control（-5〜0V）用一个运
control
+12V
放构成的反向放大器转移到电平0〜8V,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LM385,电压至少会提高2.5V（Vout—Vadj=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2—3所示。
电路说明：
（1）单片机的申口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端，R7和R8可用来调整零点。
（3）由丁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2—3功率输出电路
U1
1
2
—3
—4
二—5
—6
~7□
9
ULN2003A
U2
LM338
VINVOUT
D
A
16
第三章软件流程
3.1基本控制
一、中断：
1、
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