温度控制系统设计之欧阳化创编.docx
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温度控制系统设计之欧阳化创编
温度控制系统设计
时间：
2021.02.12
创作人：
欧阳化
第一章系统方案论证矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃軔。
总体方案设计
温度传感系统
温度控制系统及系统电源
单片机处理系统（包括数字部分）及温控箱设计聞創沟燴鐺險爱氇谴净祸測。
算法原理
第二章重要电路设计
温度采集
温度控制
第三章软件流程
基本控制
控制
时间最优的控制流程图
第四章系统功能及使用方法
温度控制系统的功能
温度控制系统的使用方法
第五章系统测试及结果分析
硬件测试
软件调试
第六章进一步讨论
参考文献
致谢
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。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟婭骒。
关键词：
温度控制系统 控制 单片机
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彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒尔。
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数字控制算法，显示采用静态显示。
该系统设计结构简单，按要求有以下功能：
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（）温度控制范围为°;
（）有加热和制冷两种功能
（）指标要求：
超调量小于°；过渡时间小于；静差小于℃；温控精度℃
（）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
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，送转换器采样、量化，量化后的数据送单片机做进一步处理；厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺癩。
当前温度数据和设定温度数据经算法得到温度控制数据；
控制数据经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－系统总体框图
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。
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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。
温度控制系统及系统电源
温度控制系统
温度控制系统需要完成的功能为：
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。
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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。
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功率放大电路采用稳压芯片，可承受高输出电流，且端输出电压与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。
具体设计为输出的控制信号，经上述处理，在端利用继电器，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。
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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供电，单片机处理系统的数字电路部分需要＋的电源，而实验室的电源会有纹波，故采用稳压芯片自行设计，电路如图，调节可变电阻，即可得到所需的电压。
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其中可变电阻是起到分压得作用，避免在上的压降过大，否则发热，会使电压不稳。
单片机处理系统及温控箱设计
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位二进制数，并将其送入最小系统板；
②控制层调用算法，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、、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。
调用算法的中断采用的是内部定时器，可以简化外围电路。
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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，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）。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷報赢。
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。
算法原理
、基本算法
其中
和（）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，和（）用位表示显然是不够的。
处理方法是在和（）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位有效位。
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基本的算法，需要整定的系数是（比例系数）（积分系数）（微分系数）三个。
这三个参数对系统性能的影响如下：
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（）比例系数
①对动态性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
当太大时，系统会趋于不稳定，若太小，又会使系统的动作缓慢；蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘籜葦。
②对稳态性能的影响加大比例系数，在系统稳定的情况下，可以减小静差，提高控制精度，但是加大只是减少静差，不能完全消除。
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（）积分系数
①对动态性能的影响积分系数通常使系统的稳定性下降。
太大，系统将不稳定；偏大，振荡次数较多；太小，对系统性能的影响减少；而当合适时，过渡特性比较理想；綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴飙钪。
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。
但是若太小时，积分作用太弱，以致不能减小静差。
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（）微分系数
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。
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对系数实行“先比例，后积分，再微分”的整定步骤。
（）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。
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（）加入积分环节。
整定时首先置积分系数一个较小的值，并将第（）步中整定的比例系数略为缩小（例如缩小为原值的倍），然后增大，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。
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（）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，在第一步的基础上，增大，同时相应地改变比例系数和积分时间。
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、时间最优的控制算法
采用上述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。
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为解决这个问题，采用了时间最优的控制算法。
时间最优的控制即开关控制（控制）与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。
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当前值与设定值相差在阈值α以内时，采用算法计算输出控制量；当在α以外时，则直接输出最大值作为控制量，不再调用算法,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。
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第二章重要电路设计
温度采集
图－温度采集电路
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，低温漂的运算放大器。
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电阻为薄膜铂电阻，与在电桥的两个臂上，将铂电阻的电阻转换为电压信号的放大倍数定为倍，的作用是调节放大倍数，使输出电压为鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫摇饬。
调节过程：
、把铂电阻定在度的阻值欧姆，调节，使输出为。
、把铂电阻定在度的阻值欧姆，调节，使输出为
、采用一阶滤波，目的是滤出高频得噪声干扰，所以定在几十。
温度控制
.电压变换：
电路图见图－
图－电压变换电路
说明：
这部分电路先将输出的电压控制信号（～）用一个运放构成的反向放大器转移到电平～，然后通过小功率稳压芯片降压。
这是因为经稳压芯片ＬＭ，电压至少会提高（－再经过扩展）。
在调试过程中，调节的阻值，便可调整反向放大器的增益，从而调整输出电压的范围。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹鸶胶。
.控制电路：
具体电路包括由两片构成的功率放大，以及由继电器构成的输出电流方向控制两部分，如图－所示。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖輛埙。
电路说明：
（）单片机的串口的输出经过继电器的驱动芯片，控制四刀继电器（）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。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩纷釓。
（）控制电压信号经放大分压后输入的端，和可用来调整零点。
（）由于的和端至少需要的压降，而半导体制冷器件最多承受的电压，故两路输入电源输入采用＋的大功率电源。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘慶獷。
图－功率输出电路
第三章软件流程
基本控制
一、中断：
、定时器中断：
采集温度数据、调用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；
、键盘中断：
外部中断，响应键盘输入；
、中断：
外部中断，是完成的反馈信号。
二、地址分配
键盘显示控制器：
占用地址空间（状态、命令口），（数据口）占用外部中断线；
芯片：
占用地址空间，占用外部中断
芯片：
占用地址空间
算法中的数据：
采样温度
控制量
控制量的方向
设定的温度
显示缓冲区
控制
数字表达式为：
其中
改写为增量形式：
具体流程图可见图－。
图－数字增量型控制算法流程图
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时间最优的控制流程图
图－时间最优的控制流程图
第四章系统功能及使用方法
温度控制系统的功能
本系统的温度显示范围：
℃～℃，显示精度：
℃，可使控温箱体内的温度恒定在℃～℃范围内的任意温度上。
谚辞調担鈧谄动禪泻類谨觋。
温度控制系统的使用方法
显示当前箱体内的温度值
显示控制量的大小
显示当前温度与设定温度之间的差值
设定目标温度值
第五章系统测试及结果分析
硬件测试
调试流程
稳压电源：
调节稳压电源对应的变阻器，使输出为；
确定中断源工作正常；
确定温度传感器数字电路工作正常；
温度传感器模拟电路：
（）调节电桥满足铂电阻额定电流；（）在摄氏度调节零点；（）升温到一个较高温度，确定覆盖范围；（）任意选定温度，验证；嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩癱恳。
确定温度控制器数字电路工作正常；
温度控制器模拟电路：
（）设定温度控制量的模为，调节调零变阻使的电压为零；（）设定温度控制量的模最大，调节范围控制电阻，使输出的电压为所需的最大值；（）取任一中间量验证（）改变温度控制量方向，检验继电器动作；（）验证有载工作。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库圆鍰。
一些调试技巧
硬件调试的时候，不能盲目的调试，应该首先分析一下原因，这一点可以通过测试硬件中的关键点来得出，再去调试相应的部分；调试的主要方法是测试相应部分电源特性和焊接联通性，若未解决再察看电路的完整性，再无问题则需要检查设计原理。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞阕簣。
调试中遇到的问题及分析
串扰：
可以采用诸如模、数、功率分离，一点接地等方法来避免串扰；
.输出经电平转换至但联调加入后向通道时电平转换不起作用。
解决方法：
调试发现联结后降低电平的失效，判断是有电流倒灌，经计算是由于电路的电阻太小导致电流太大使的偏置失效，改正后电路正常工作。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛覲僨。
软件调试
算法系数整定
.确定比例增益
确定比例增益时，首先去掉的积分项和微分项，一般是令、，使为纯比例调节。
输入设定为系统允许的最大值的，由逐渐加大比例增益，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益，设定的比例增益为当前值的。
比例增益调试完成。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷涨负。
.确定积分时间常数
比例增益确定后，设定一个较大的积分时间常数的初值，然后逐渐减小，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大，直至系统振荡消失。
记录此时的，设定的积分时间常数为当前值的。
积分时间常数调试完成。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻減栖。
.确定积分时间常数
积分时间常数一般不用设定，为即可。
若要设定，与确定和的方法相同，取不振荡时的。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼鏗穎。
第六章进一步讨论
（）针对被控对象的非线性，设计分段式变参数控制算法，对不同的温度段使用不同的参数。
（）采样中断使用的是单片机的内部定时器，会占用较多的系统资源，可以考虑改用外部定时器，用中断口。
（）可以在程序中加入数字滤波的程序，使采集的信号更加平稳。
（）测温时将温度转换为频率,然后与系统版的时钟比较得到温度值。
前向通道则只需采用分压，压控振荡，甚至不需要.挤貼綬电麥结鈺贖哓类芈罷。
（）已经实现的人机界面主要是针对便于调试加入显示控制量和目标差；实际的友好界面应显示调节效果的参数.赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈極嚕。
参考文献
[]胡汉才《单片机原理及其接口技术》北京清华大学出版社年月
[]曹承志《微型计算机控制新技术》北京机械工业出版社年月
[]数电实验讲义
[]单片机实验讲义、
[]何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社
[]陆坤等《电子设计技术》电子科技大学出版社
时间：
2021.02.12
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