温度检测与控制系统设计.docx

1、温度检测与控制系统设计1 引言1.1 课题研究的背景温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统

2、外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。1.2 温度控制技术的发展与现状近年来，温度的检测在理论上发展

3、比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的

4、温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度即稳态误差不能超过某允

5、许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1.2.1 定值开关温控法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置或冷却装置进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由

6、于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.2.2 PID线性温控法这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现调节功能。前者称为模拟控制器，后者

7、称为数字控制器。其中数字控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个参数比例值、积分值、微分值。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.2.3智能温度控制法 为了克服线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整参数的方法，如参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理

8、论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不

9、稳定。1.3课题的研究方案温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式： （1-1）1 方案一图1-1 方案一的图此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高

10、并且调节动作频繁，系统静态差大、不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。2 方案二图1-2 方案二的图此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定。3 方案三图1-3 方案三的图 此方案采用DS18B20单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值，能用键盘输入设定值。本方案选用了DS18B20芯片

11、，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。 结论：前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。而方案三是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。所以，经过对三种方案的比较，本次毕业设计采用了方案三。2 硬件电路的设计2.1 系统性能要求本论文所讨论的基于单片机的温度控制系统是某型号气相色谱仪的温度控制子系统，其目的是对两个温控箱的温度进行恒值温度控制。温控箱的温度控制范围在室温到摄氏度之间，温度控制的精度要求为

12、士1。下面讨论系统的总体设计方案，包括系统的性能要求以及系统的软、硬件方案分析。2.1.1系统性能要求系统性能要求：1、可以人为地通过控制面板设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制；2、能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的液晶面板显示出来;3、具有加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温控箱温度值超过了系统规定的安全温度，保护电路就会做出反应，从而对温控箱实现超温保护;4、模块化设计，安装拆卸简单，维修方便;5、系统可靠性高，不易出故障;6、尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零件进

13、行替换。2.1.2系统硬件方案分析目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路和单片机两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单

14、元、随机存取存储器、只读存储器、定时计数器以及输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种芯片应用到先进的控制仪表中。芯片通常含有一个微处理器核，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器和（RAM和ROM），并且这种片上系统一般具有用户自定义接口

15、模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上的价格还比较昂贵，并且的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。2.2 系统硬件总体结构本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路、电源电路等。硬件总体结构框图如图2.1所示。由结构框图可见，温度控制系统以单片机为核心，并扩展外部存

16、储器构成主控模块。被测对象的温度由DS18B20温度传感器检测外界温度并转化为数字信号。 图2.1 系统结构框图此数字信号送给单片机处理，一方面将被测对象的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过控制继电器（即控制温控箱加热平均功率的大小），进而达到对被测物体温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过或低于系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应同时报警电路报警提示，从而保护被测物体。单片机快速、准确的进行温度采集、数据处理、显示和控制主要是时钟电路提供的时钟频率，使单片机正常的协调处理各项任务。各

17、个器件工作的电源电压主要有电源电路提供。则温度的设定范围就通过矩阵键盘进行设定，使被测物体在正常的温度范围下工作。2.3 硬件电路设计设计硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分；从功能模块上来分有：主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、电源电路、控制执行电路以及掉电保护电路。各个模块电路通过主机电路控制，协调一致的进行工作。完成对被测物体的温度控制。硬件结构框图如图2.2所示： 图2.2 系统硬件结构框图2.3.1主机电路的设计主机选用INTEL公司的MCS-51系列单片机89C51来实现，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的89C

18、51芯片时时钟可达12MHZ，运算速度快，控制功能完善。其内部具有128字节RAM，而且内部含有4KB的EPROM不需要外扩展存储器，也有数据通信接口，通过TXD、RXD与PC机连接，可以进行人机操作，使得操作更加简单、方便。具有五个中断源，两个中断优先级，两个外部中断、两个定时中断还用一个通信中断，可以对温度检测进行实时处理和分时操作，这样就可以对被测物体温度监测更加准确、延时性更小，同时也可使系统整体结构更为简单实用。如图2.3所示：单片机和时钟电路、复位电路以及电源电路构成了单片机的最小系统，即温度控制系统的主机电路。用来处理温度采集的数字信息并控制各部分的正常工作。其中单片机的I/O口

19、，即P0、P1、P2和P3用来接相应的显示设备，键盘输入以及继电器等。图2.3 主机电路示意图2.3.2 I/O通道的硬件电路的设计就本系统来说，需要实时温度传感器DS18B20采集水温数据，送入单片机中的特定单元，然后一部分送去显示；另一部分与设定值进行比较，通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电炉加热或制冷器降温。（1）数据采集电路的设计数据采集电路主要由数字温度传感器DS18B20采集水温的温度。温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的 IO连接，P3.7是单片机的高位地址线。P3端口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO，每个端口都有第二功能，其输出缓冲级可驱动(吸收或

20、 输出电流)4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。如图2.4所示：温度传感器DS18B20与单片机只有一根线连接即单总线或one_wire总线。温度传感器DS18B20只有三个端口，电路连接很简单，一根电源线接电源，一根接地，一根数据时钟线接单片机的I/O,数据时钟线必须接一个上拉电阻，防止数据、时钟高阻悬挂，就得不到准确的温度数字信号。 图2.4 温度传感器硬件电路示意图（2）温度控制控制执行电路的设计 由输出来控制加热器或制冷器，加热器可以近似建立为具有滞后性的一

21、阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：G(s)=K/（Ts+1）e-ts 制冷器可以认为是线形环节实现对水温的控制。为了实现强电和弱电的隔离，要选择光电耦合器，使输出信号要对继电器进行通断控制，以便使电炉或风扇电路导通，此外，当实际温度不在设定的范围内，报警电路将实时报警并作出相相应的处理如（报警信号传到单片机或人，单片机或人就会执行相应的操作），当实际温度低于设定的温度时相应黄色发光二极管点亮并且加热器启动升温；高于设定的温度时对应红色二极管亮并且制冷器启动降温。如图2.5所示：继电器的通断通过单片机的I/O的输出控制，从而控制加热器、制冷器的启停，来控制被测物体的温度。图2.5 温度控制电

22、路图如图2.6所示：报警电路也是由单片机的I/O控制，当实际温度不在设定的范围单片机就会执行相应的指令，进行实时报警，提示温度超过或低于设定的温度，以便及时作出处理。图2.6 报警电路图2.3.3 键盘设计键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它具有最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合建的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。键盘还分为矩阵键盘和独立键盘，使用矩阵键盘能大量的节约单片机的I/O资源，方便快捷。独立键盘虽然占用了I/O资源，但是运用灵活，很适用键盘少的电路。

23、其按键的功能如下表所示： 表2-1 键盘功能表 按键键名功能KEY1复位键使系统复位KEY2 KEY3功能切换键切换当前温度和设定温度的显示界面矩阵键盘设定温度键盘设定温度的允许范围如图2.7所示：矩阵键盘与单片机的P1口连接，采用软件查询的方式，用来设定温度的允许范围，也可以用来做状态显示切换功能键等，实现简单的人机对话，键盘的输入值被单片机读入并通过中央处理器处理，送到显示模块进行显示。图2.7 键盘电路图如图2.8所示按键KEY10、KEY11分别与P3.2（INTO）、P3.3（INT1）相连，采用外部中断方式，对温度设定实时处理。图2.8 独立键盘电路图2.3.4 显示电路设计显示电

24、路采用了LCD_1602和数码管的混合显示，设定的温度值范围显示在数码管上，一看就是知道被测物体正常时的温度范围是多少，同时当前温度显示在液晶上，因此知道被测物体的当前值是多少。(1)液晶的介绍 1602型液晶接口信号说明 1602 型液晶接口信号说明如表 2-2 所示 编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据口2VDD电源正极10D2数据口2V0液晶显示器对比度调解端11D4数据口4RS数据命令选择端12D5数据口5R/W读写选择端（H/L）12D6数据口6E使能信号14D7数据口7D0数据口15BLA背光电源正极8D1数据口16BKL背光电源负极 基本操作时序 读状态 输入

25、：RS=L, R/W=H,E=H 输出：D0D7=状态字读数据 输入：RS=H, R/W=H,E=H 输出：无写指令 输入：RS=L, R/W=L,D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写数据 输入：RS=H, R/W=L, ,D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无。 写操作时序 通过 RS 确定是写数据还是写命令。读/写控制端设置为写模式，即低电平。 将数据或命令送达数据线上，给 E 一个高脉冲将数据送入液晶控制器，完成写操作。写操作时序如下图所示：图 2-9 1602 液晶写操作时序图（2）液晶的电路设计 如图2-10所示：液晶的数据线接P0口，而RS、RW、E分别接单片机的P2

26、.5、P2.6、P2.7口，通过单片机的控制显示设定的温度值或实际温度值。图 2-10 1602 液晶电路显示电路图（2）数码管LED简介单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD。前者价廉，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示，但接口复杂，成本较高。结合本设计的特点，在这里系统的显示采用发光二极管作为显示器件。 图2.11 数码管单片机中使用7段LED构成字形“8”，另外，还与一个小数点发光二极管用以显示数字、符号及小数点。这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图2.15所示。发光二极管的阳极连在一起称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极

27、显示器。一位显示器由八个发光二极管组成，其中，7个发光二极管构成字形“8”的各个笔划（段）a-g,另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压是，该段笔划即点亮；不加电压则该段二极管不亮。为了保护各段LED不被损坏，需要外加限流电阻.如果要显示某个字形，则应使此字形的相应段点亮，也即送一个不同的电平组合代表的数据来控制LED的显示字形，此数据称为字符的段码。数据字位数与LED段码的关系如表所示。表2-3 数码管各段与输出口各位的对应关系输出口各位D7D6D5D4D3D2D1D0数码管各段dpgfedcba如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；

28、如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（3FH）。依次类推，可求得数码管字型编码如表2-4所示。表2-4字型共阳极共阴极dpgfedcba字型码dpgfedcba字型码011000000C0H001111113FH111111001F9H0000011006H210100100A4H010110115BH310110000B0H010011114FH续表 2-341001100199H0110011066H51001001092H0110110

29、16DH61000001082H011111017DH711111000F8H0000011107H81000000080H011111117FH91001000090H011011116FHA1000100088H0111011177HB1000001183H011111007CHC11000110C6H0011100139HD10100001A1H010111105EHE1000011086H0111100179HF100011108EH0111000171H灭11111111FFH0000000000H（4）数码管的电路设计数码管用的是八位共阳的发光二极管组成，只要赋予低电平对应的发光二极管就点亮，八段发光二极管的亮暗组合就能组成0F十六数字，利用数码管的动态扫面就能清晰稳定的显示温度的设定值，考虑到I/O不够用，采用了74ls138译码器和74ls37