液体温度数字控制系统综述.docx

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液体温度数字控制系统综述

摘要

随着电子技术以及微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。

利用微机对温度进行测控的技术,也便随之而生,并得到日益发展和完善,越来越显示出其优越性。

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

人们在日常生活和工业生产中对温度的要求也越来越高，温度监测和控制系统逐渐走入了人们的生活。

恒温控制器日益成了人们生活中的必不可少的用品。

因此，优化设计出一种技术优先、设备成熟、经济实用的恒温控制系统在生活及工业生产中是至关重要的。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。

水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,本设计基于80C31BH单片机控制的水温智能控制系统,介绍了系统在硬件和软件方面的设计思想,以80C31BH单片机为核心，采用了温度传感器AD590，以PID算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统。

建立了用户操作界面,构成微型监控系统,使水温变化情况可以进行动态的显示，并能在一定的范围内由人工设定。

关键词80C31BH智能控制AD590温度传感器PID算法

Abstract

Aselectronictechnologyandtherapiddevelopmentofmicro-computer,computermeasurementandcontroltechnologyhasbeenrapiddevelopmentandwideapplication.Theuseofcomputermonitoringandcontrolofthetemperatureofthetechnology,willalsobefollowedbystudentsandthedevelopmentandperfectionofthegrowing,moreandshowitsadvantages.Inthehumanlivingenvironment,thetemperatureplaysanextremelyimportantrole.peopleintheirdailylivesandindustrialproductionthattherequirementsoftemperaturerising，temperaturemonitoringandcontrolsystemgraduallyintopeople'slives.Temperaturecontrollerhasbecomeincreasinglyessentialtopeople'slivesinsupplies.Therefore,theoptimaldesignofatechniquefirst,equipment,matureandeconomicaltemperaturecontrolsysteminlivingandindustrial.Temperatureiscommonlyfoundinindustrialproduction,oneoftheprocessparameters,anyphysicalchangeandchemicalreactionprocessiscloselyrelatedwithtemperature,sotemperaturecontrolisanimportanttaskforautomation.

Thewatertemperaturecontrolapplieswidelyintheindustryandthedailylife,theclassificationaremany,thedifferentwatertemperaturecontrolsystem'scontrolmethodisalsodifferent,thisdesignthewatertemperatureintelligentcontrolsystemwhichcontrolsbasedonthe80C31BHmonolithicintegratedcircuit,introducedthesysteminthehardwareandthesoftwareaspect'sdesignconcept,takethe80C31BHmonolithicintegratedcircuitasacore,hasusedtemperaturesensorAD590,thewatertemperaturecontrolsystemwhichbythePIDalgorithmcontrolaswellasthePIDparameterinstallation,unifiesthecontrolmethodwhichrealizes.Hasestablishedtheuseroperationcontactsurface,theconstitutionminiaturesupervisorysystem,enablesthewatertemperaturechangesituationtobepossibletocarryonthedynamicdemonstration,andcanbyestablishartificiallyincertainscope.

Keywords80C31BHIntelligentcontrolAD590temperaturesensorPIDalgorithm

前言

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

其中，温度控制也越来越重要。

如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现是给现代工业测控领域带来了一次新的革命。

目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、高可靠性、高性能性价比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用。

水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。

单片机控制部分采用80C31BH单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制加热器的加热来实现温度控制。

然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变PID调节参数值以取得佳性能。

采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大的提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。

利用单片机进行温室恒温控制，可及时、精确地掌握温度变化，完成诸如升温、降温、恒温等多种控制方式，此技术正广泛应用到空调、锅炉、电热器一类设备上。

因此研究微机温度控制系统具有非常重要的意义。

1系统概述

温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。

特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。

在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。

在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。

那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。

在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。

而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。

用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。

本文设计了一种基于89C51单片机和ADC0809模数转换器的智能恒温控制系统，能实现对被控对象的温度的预设、显示和控制。

首先对温度检测上来的模拟信号进行A/D转换，变成数字信号，与单片机设定的温度相比较，然后根据比较结果对加热炉进行控制进而控制漂洗液的温度。

系统包括温度采集，单片机处理，加热控制，温度显示，报警系统等几个部分。

文中对其功能、实现过程、部分电路以及整体作了详细介绍。

1.1系统的设计原则

本设计制作的是一个水温自动控制系统，水温可以在一定范围内设定，并能实现在50℃~80℃量程范围内对每一点温度的自动控制，以保持设定的温度基本保持不变。

在测温部分，还规定了温控误差小于2℃，测温的结果要求显示。

（1）对温度进行自由设定，但必须在规定范围内，设定时可以适时的显示所设定的温度值，温度可分为3个档，第一档：

50~60度，第二档：

60~70度,第三档：

70~80度。

可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1℃

（2）升温由3台加热器实现。

已知3台加热器同时工作可以保证在一定的时间内将水温提高到规定的温度以内。

当温度超过所给的温度时，发出报警信号。

（3）能实时显示水温，显示位数3位，分别为十位﹑个位和十分位。

（4）当温度超过设定值2度或者低于设定值2度时，能自动调整。

对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分：

测温电路、控制电路、功率电路和加热装置。

1.2设计任务及条件

为使液体温度保持在50℃～80℃，设计一个采用单片机控制加热器实现温度调控的闭环控制系统。

1.温控误差≤±2℃；2.对升降温过程的时间不做要求；3.用十进制数码显示液体的当前温度。

部分配置：

单片机80C31BH、加热器、温度传感器、键盘、显示器等

1.3总体方案设计

总体方案设计及论证

方案1：

此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。

由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用液晶显示和键盘设定。

图1.1模拟控制框图

方案2：

采用单片机80C31BH为核心。

采用了温度传感器AD590采集温度变化信号，通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。

使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点，所以选择方案2。

图1.2单片机控制框图

1.4各部分电路方案论证

本电路以单片机为基础核心，系统由前向通道模块、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。

现将各部分主要元件及电路做以下的论证：

1.4.1温度采样部分

测量温度的方法很多，按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类。

接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间可以充分进行热的交换，最终达到热的平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。

这种方法优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。

非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可以避免接触式测温法的缺点，具有较高的测温上限。

此外，非接触式测温法热惯性小，可达1/1000s，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。

由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他的介质的影响，这种方法一般测温误差较大。

本系统设计要求简单，且所测温度范围有限，鉴于两种测温方式的优缺点，所以本系统采用的是接触式测温法。

方案1：

采用热敏电阻。

可满足35℃--95℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。

方案2：

采用温度传感器AD590。

AD590具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。

其测量范围在-50℃～+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃，其各方面特性都满足此系统的设计要求。

此外AD590是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。

方案3：

可以使用温度传感器铂电阻Pt1000作为测温元件。

热电偶在工业上应用非常广泛，测温精度高，性能可靠，是最常用的测温元件之一，并有专门的热电偶测温电路。

铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化物介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。

在0℃～100℃时，最大非线性偏差小于0.5℃。

铂热电阻与温度的关系是，RT=R0（1+AT+BT×T）；其中RT是温度为摄氏度时的电阻；R0是0℃的电阻；突围任意温度值，A、B为任意温度系数。

但其成本太贵，不适合作普通设计。

经上述比较，方案2明显优于其他方案，故选用方案2。

1.4.2加热方案和功率电路的选择

首先要选择好加热的装置。

根据题目，可以使用电热器加热，控制加热器的功率即可控制加热速度。

当水温过高时，一般不能对水进行降温控制，而只能关掉加热器，让其自然冷却。

在制作中，为了达到更好的控制效果，也可以放置一个小风扇，当加热时开启加热器关闭风扇，当水温超高时关闭加热器开启风扇加速散热。

还要选择加热的电源。

由于加热的功率较大，因此不宜用电池类器件作为电源，应当选用市电。

使用市电作为电源时，可以将其变为低压直流电后使用，也可以直接使用220V交流电，这两种方法的驱动方式有较大的不同。

一般直接使用220V交流电比较适宜，能够简化电路的设计。

方案一：

可以使用继电器控制加热器的工作，如果温度太低，则控制继电器吸合，加热器工作，温度太高则继电器断开，加热器停止加热。

由于继电器采用的是机械动作，存在触电，因此吸合频率不能很高，不能频繁动作。

在温控精度要求比较高、系统惯性不是特别大的情况下，不宜采用继电器。

方案二：

可以使用可控硅控制加热器的工作。

可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种实现方式。

一是通过控制导通的交流周期数达到控制功率的目的，二是采用控制导通角的方式。

采用控制导通交流周期数的方法时，为了达到控制的精度，需要在一个较多的周期数中控制导通的数目，不适用于动态性能较高的控制。

水温控制系统实际上具有较大的惯性，可以考虑这种控制方式。

采用控制导通角的方法时，由于对每个周期的交流电都进行控制，因此响应速度比较高，另外由于导通角连续可调，因此控制的精度也比较高。

方案三：

可以使用固态继电器控制加热器的工作。

固态继电器使用非常简单，而且没有触电，可以频繁动作。

可以使用类似PWM的方式，通过控制固态继电器的开、断时间比来达到控制加热器功率的目的。

方案选择：

通过对照比较，结合题目要求，选择方案2。

即采用可控硅控制加热器的工作。

1.4.3键盘显示部分

LED显示器是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。

可实现0～9的显示。

这种显示有共阳极和共阴极两种。

共阴极LED显示器的发光二极管的印记连在一起，通常公共阴极接地。

当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同时，共阳极LED显示器的工作原理也一样。

方案1：

采用动态显示。

当多为LED现实时，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位的I/O口控制，形成段选线的多路复用。

而各位的共阳极或共阴极分别有相应的I/O口线相应的控制，实现各位的分时选通。

其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口（N为LED显示器的个数）。

由于各位的段选线并联，断码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。

若要各位LED能显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的为选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的断码。

这种显示方式占用的I/O口个数为8+N（N为LED显示器的个数），相对静态显示少了很多，但需要占用大量的CPU资源，当CPU处理别的事情时，现实可能出现闪烁或者不现实的情况。

方案2：

采用静态显示方式。

在这种方式下，各位LED显示器的共阳极（或共阴极）连接在一起并接地（或电源正），每位的断码线分别与一个8位的锁存器相连，各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输入将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因为如此，静态显示器的亮度都较高。

若用I/O口接口，这需要占用N*8位I/O口（LED显示器的个数N）.这样的话，如果显示器的个数较多，那时用的I/O接口就更多，因此爱显示为数较多的情况下，一般都不用静态显示。

方案3：

采用移位寄存器扩展I/O口，只需要占用3个I/O口，即数据（DATA）、时钟（CLOCK）、输出使能（OUTPUTENABLE）,从理论上讲就可以无限制地扩展I/O口，而且显示数据为静态显示，几乎不占用CPU资源。

采用扩展口后，又能采用静态显示，这样，即解决了静态显示占用I/O口多的问题，也解决了动态显示不稳定、容易闪烁、占用CPU资源过多的问题。

方案选择：

选择方案3.理由：

非常节约I/O口，又有静态显示的特点，亮度高，节约CPU的使用率。

1.4.4加热降温控制选择

采用开关量控制，如继电器、双向可控硅、光耦等，控温快速，但是双向可控硅控制电路比较麻烦，调试也麻烦，若用现成的继电器（其实就是把双向按可控硅与驱动电路做在一起）价格十分昂贵。

若用继电器时要注意其电感的反向电动势，和开关触点对电动势的影响，以及开关脉冲对整个电路的影响等。

应该加入必要的防止干扰的措施。

方案1.采用单向晶闸管，这是一件大功率半导体器件，它既有单向导电的作用，又有可以控制开关的作用。

利用它可以用较小的功率控制较大的功率。

在交、直流电动机调速系统、调功系统、随动系统和无触点开关等方面获得了广泛的应用。

这种晶闸管与二极管不同的是，当其两端加上正向电压控制极不加电压时，晶闸管并不导通，其正向电流很小，处于正相阻断电流；当加上正向电压、且控制极上（与阴极间）也加上一正向电压时，晶闸管便处于导通状态，这事关压降很小（1V左右）。

这时即使电压消失，仍然保持导通状态，所以控制电压没有必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低出发功耗。

它不具有自动关断能力，要切断负载电流，只有使阳极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断。

若在交流回路中应用，当电流过零或进入到负半周时，自动关断，为了使其再次导通，必须重加控制信号。

方案2.采用光耦合可控硅驱动电路，这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，它由输入与输出两部分组成，输入部分是由一个砷化镓发光二极管，该二极管在5mA-15mA正向电流下发出足够强度的红外光，触发输出部分。

输出部分是一个硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向导通。

光电耦合也常用于较远距离的信号隔离传输。

一方面光耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。

另一方面，光耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的形式。

由于电流环是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，因此提高通讯系统的抗干扰能力。

常用于有噪音干扰的环境里传输信号。

方案选择：

选择方案2.理由：

达到同样的加热效果，开关量控制容易，驱动简单，通讯系统的抗干扰能力强。

2硬件电路设计与计算

本电路总体设计包括四部分：

主机控制部分（80C31BH）、前向通道（温度采样和转换电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示部分。

2.1微型计算机的选择

由于系统对控制精度不高，控制功能一般，故选择80C31BH作为控制CPU。

2.2温度采样和转换电路

系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器AD590、运算放大器OP-07及A/D转换电路ADC0809三部分组成。

2.2.1温度传感器

采用集成温度传感器AD590.AD590属于半导体集成温度传感器，测量范围为-55～+150℃，工作电源为直流+4～+30V。

它能把温度信号变为与绝对温度成比例的电流信号，稳定性高，线性度好。

2.2.2信号放大器

由于AD590本身产生的是电流信号，而作为A/D转换器的输入需为0~5V的电压信号，所以可在AD590的输出端加运算放大器，使其输出的电流信号转换为电压信号。

图中电阻R1、R2和电位器RP1、RP2的选择是使运放输出电压与被测温度有一个合适的对应关系。

OP07放大器

OP07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。

可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。

特点

1低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）

②极低的输入失调电压—10μV

③极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃

④具有长期的稳定性—0.2μV/MO

⑤低的输入偏置电流—±1nA

⑥高的共模抑制比—126dB

⑦宽的共模输入电压范围—±14V

⑧宽的电源电压范围—±3V～±22V

⑨可替代725、108A、741、AD510等电路

图2.1OP07的引脚图

2.2.3A/D转换器

无论是计算机，还是各种MCU、或者DSP等处理器都只能处理数字信号，即使经过处理的信号仍然只是模拟物理量，还不能直接和这些处理器通信，而A/D转换器就是实现从模拟量到数字量转换的关键功能器件。

模数转换技术是实现各种模拟信号通向数字世界的桥梁。

本系统中，温度通过传感器AD590采集并转换为电流量，而80C31BH无法对模拟量信号进行分析处理，所以在本系统加入了A/D转换电路。

本设计采用的A/D转换器为ADC0809,它能够分8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100uS。

部分管脚功能如下：

1.ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效；

2.START：

A/D转换启动信号，输入，高电平有效；

3.EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）；

4.OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；

5.CLK：

时钟脉冲输入