王PID温度控制Word格式文档下载.docx
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当箱内温度即将达到预置温度使，电热元件停止全功率加温，通过电路内部的比例积分微分计算，产生控制信号控制可控硅调压，使箱内温度升温速度减缓，以免超出温度预置值。
2、整体思路设计：
3、方案设计：
方案一：
硬件实现
电源调整
方案二：
软件实现
4、两种方案的比较、选择：
方案一，用硬件电路实现PID调节功能。
即采用集成运算放大电路完成PID控制的调节，在实现原理上为首选方案，但是同时要考虑到后期电路功能调节及功能扩展上的难度及局限性。
方案二，用软件编程方式实现PID调节功能。
用软件方式实现的关键在于单片机的语言程序。
因为汇编语言中并没有积分计算和微分计算的指令。
此外，可控硅的触发在实践上要求严格，也会给编程造成一定困扰。
比较以上两种方案，选择用硬件电路来完成实验设计。
系统框图如下所示：
三、单元电路设计
1、温度采集模块：
此图为温度采集电路。
将热敏元件焊接在电桥回路中，利用电桥回路的特性对与之温度值与环境温度进行比较，并输出。
其中，热敏元件的选择如下：
可选用的热敏元件有：
热电偶、热敏电阻、DS18B20
1热电偶：
热电偶测温的基本原理是，两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的热电效应（塞贝克效应）。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
热电偶传感器就是基于热电效应原理工作的传感器，是目前接触式测温中应用最广泛的热电式传感器。
特点：
测量范围广、易于实现温度补偿，但价格较高。
2热敏电阻：
热敏电阻是用半导体元件制成的热敏器件，按其电阻——温度特性，分为三类：
正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）以及临界温度系数热敏电阻（CTC）。
在温度测量中使用最多的是NTC型热敏电阻。
灵敏度较高、工作温度范围宽、体积小、使用方便易加工成复杂的形状、可大批量生产、稳定性好、过载能力强。
3DS18B20：
测量的温度范围为-55°
C——+125°
C，在-10°
C——+85°
C范围内，精度为±
0.5°
C。
抗干扰能力强，体积小，采用一总线，可组网。
但精度不高。
小结：
热敏元件的选取：
综上所述，本设计中选用热敏电阻作为感温元件。
热电偶虽应用广泛，但是在恒温箱的设计中，温度调节大致在20°
C——70°
C范围间，而且价格较高。
DS18B20，精度低，不适用于PID控制的精确设计。
而热敏电阻的感温范围及其灵敏度都较为适合本设计试验。
2、转换电路：
此图为转换电路，利用集成运算放大器将电桥的输出进行转换、比较、放大，将微弱的信号变为较大信号。
3、比例微积分电路：
a）LM324简介：
LM324系列是带有差动输入的四运算放大器。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；
Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的特点：
1.短跑保护输出。
2.真差动输入级。
3.可单电源工作：
3V-32V。
4.低偏置电流：
最大100nA（LM324A）。
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源。
8.行业标准的引脚排列。
9.输入端具有静电保护功能。
LM324的稳压供电：
上图为LM324的稳压供电源，其中外接二极管其输出短路保护作用。
比例：
如原理图所示，集成运算放大器A2为比例部分，但在实际设计计算中，运放A1已对信号进行了放大。
将电桥的两输出分别接到A1的两输入端，设计为一差分比例运算电路。
取比例带为6°
（比例带是按照环境温度和设定点间差距比例修正加热的速率，离开设定点愈远，加热的速率愈快；
差距愈小，移动愈慢。
）电位器RP1用于预置温度，保证UI2>
UI1。
比例（P）调节作用：
按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
如图所示：
比例带=6°
C，已测得，t=20°
C时，Rt=500Ω.假设温度每升高一度，热敏电阻阻值降低7Ω，则有：
设Rt=500Ω，RP1=400Ω，则，UI2-UI1=0.13V，
得：
U1=RP2/10*
*0.13;
5V=RP2/10*
RP2=400*
Ω
U2=
设U1=4V，U2=
5=
RP3=2.5*
积分：
积分（I）调节作用是，使系统消除稳态误差，提高无差度。
因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数T，T越小，积分作用就越强。
反之T大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。
积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
利用积分运算电路将信号的变化平均化，
U3=-
微分：
微分（D）调节作用是，微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。
因此，可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。
微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。
此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。
微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
利用微分运算电路，；
来检测输出电压与输入电压的变化率。
U4=-RC
4、可控硅触发电路：
利用单结晶体管超生振荡电路，触发光耦，进而触发可控硅控制电灯亮端电压。
可控硅（晶闸管）：
1、晶闸管的结构及原理：
一块半导体做成P-N-P-N四层结构，顶端的P区引出阳极，底端的N区引出阴极，靠近底端的P区引出阳极。
G极空置时，A-K间无论所加电压极性如何均不能导通。
当A-K极所加电压为A正K负，且G-K极加上G正K负的电压时，A-K间等同于二极管正向导通，要等A-K间电压接近零或极性变反才恢复截止。
2、晶闸管的特性：
1A极与K极间正向导通反向截止（类似二极管）；
2A-K极正向导通需要G-K极加正向电压触发；
3G极只起触发作用，一旦A-K导通G极的任务便告完成。
（3）、晶闸管的主要参数：
1最大正向平均电流；
2、最大正、反向阻断电压；
3、最小导通维持电流；
4、最小控制极触发电压；
5、控制极最大允许正向电压。
⑷、晶闸管的主要用途：
晶闸管阳极与阴极间通过大电流和承受高电压的能力较强，因此常用作功率开关器件，但由于其关断要靠通过的电流减弱为零，因此通常用于交流电的控制，即当晶闸管A-K极受正向电压时，给G-K极加正向触发电压使A-K导通，当A-K极的正向电压减小至零时自然关断。
由于晶闸管的导通是受控的，因此晶闸管可控制负载“得电”（晶闸管导通）与“失电”（晶闸管截止）的时间比，从而控制负载所得电压的平均值或负载的平均电功率。
（5）、晶闸管调压原理：
由于晶闸管的导通需要触发，若交流电的每个半周到来后并不马上触发，而是延迟一定的时间后（不超过交流电的半周期）再触发，则与晶闸管串联的负载就只能得到半周期的部分电压，从而降低了负载所得电压的有效值。
5、晶闸管工作条件：
根据晶闸管的特性，晶闸管若要在每个正半周都导通，就要在每个正半周都触发一次，若要使负载得到的电压相对稳定，则每次触发的时间（以正半周出现的时间为起点）就要相对固定，即触发脉冲的周期要与正半周出现的周期相同并相对稳定，也就是触发脉冲必须与正半周同步。
另外，触发脉冲的宽度要尽量小，以免触发脉冲出现在正半周快要结束时跨越到下一个正半周（全波整流时）造成下一个正半周的误触发。
对触发脉冲的要求是：
合适的幅度和最小的宽度。
四、总体电路设计：
1、原理图：
（见下页）
2、元件清单：
元器件代号
名称
型号
规格
数量
Rt
热敏电阻
471
1
R0
电阻
51
R1,R2,R13,R15
510
4
R3—R9,R11,R16
10k
9
R10
2k
R12
1k
R14
50k
RP1
电位器
RP2—RP6
470k
5
C1—C4
电容
104
0.1uf
A~
集成运算放大器
LM324N
Q1
三极管
9013
Q2
单结晶体管
BT33FJ
U1
光敏耦合器
Q3
可控硅
BT169D
D1,D2
二极管
4007
8
D4
稳压二极管
T1
变压器
检测及调试方法：
比例微积分电路中的参数应随环境的变化进行调节，比例电路中的比例带随温度范围的变化而变化，一般情况下，占范围的10%。
但是，当调温范围过窄时，应适当的扩大比例带，以免加温过超。
而积分和微分电路的时间常数则需要在具体实验中实验调节。
因实验环境、时间等条件限制，理论与实践上的欠缺，项目的性能未能完全实现，望以后还有机会完成为实现的性能。
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