基于红外加热的恒温控制器的研制.doc

基于红外加热的恒温控制器的研制摘要：本文介绍了一种基于红外加热的恒温控制器，通过脉宽调制的方式改变加热器件的加热功率，采用数字PID控制算法，实现对加热室的温度控制。文中对恒温控制系统的硬件和软件设计进行说明，经过实验验证达到设计要求。 关键词：红外加热；恒温控制；脉宽调制；数字PID 0 引言温度是一个很重要的基本物理量，在很多领域都要涉及到，例如：冶金工业、化工生产、造纸行业、机械制造、电加热炉及家用电器等，都需要对其进行测量和控制3，使被控温度保持在预先设定的范围内（即恒温控制）。以水分测量仪为例，需要恒温加热以去除样品中含有的水分，在对样品烘干的过程中，每种样品只有在特定的温度下水分才能被烘干得最快并且不损坏样品，这样就需要恒温控制，因此要控制红外加热器的加热功率以保证被测样品的温度稳定在设定值。1 硬件电路设计及系统框图红外加热恒温控制的系统框图如图1所示。图1 红外加热恒温控制系统框图图中红外温度传感器的型号是IRt/c.01，它是一种高精度、非接触、无需电源、热电偶信号输出的红外温度传感器，温度测量范围：-45290；放大电路由高精度运算放大器OP07和相关的外围电路构成；ADC选用了美国德州仪器公司生产的10位串行A/D转换器TLC1549，它采用串行输出的方式，与单片机的通信只需要三根线，接口电路简单；加热元件选用红外陶瓷加热器，它是一种新型的微电热膜材料制成的直热式加热元件，具有耐温、耐湿、耐酸碱、不易老化等优点，具有远红外加热功能，远红外辐射率达90以上；系统通过按键设定目标温度，显示部分由128x64点阵式液晶和相关外围电路组成，用来显示设定目标温度、当前实际温度等其它信息，实现人机交互。2 系统的软件设计本文中温度控制部分是一个闭环反馈控制系统，用温度传感器将检测到的温度信号经放大、A/D转换后送入单片机中，与设定目标温度值进行比较，得到偏差，对此偏差按PID算法进行修正，返回对应情况下固态继电器的导通时间，调节红外加热器的有效加热功率，从而实现恒温控制的目的4。控制系统结构框图如图2所示。图2 控制系统结构框图2.1 数字PID控制介绍PID控制是一种技术成熟、应用广泛的控制方法，其结构简单，参数整定方便，而且对大多数过程均有较好的控制效果，因而本系统采用了PID控制算法控制加热室的温度。数字PID的输入和输出量均为数字量，由于红外加热器的恒温控制是利用对脉宽的调整来控制加热功率，输出控制量对应脉冲宽度，适合使用位置式控制算法，其表达式为：2.2 系统的恒温控制过程系统的控制过程如下：加热室的温度由红外温度传感器测量，其输出的电压信号经A/D转换送入单片机；然后测量出的当前温度和设定目标温度的差值经过数字PID算法处理后得出控制量，经PWM波输出控制固态继电器的通断，从而控制加热器的加热功率。PWM波的周期设定为2s，把每个周期分成M=100份，加热功率分辨率则为1/100，数字PID算法得出一个在0100整数形式的输出控制量，用定时器产生一个20ms的定时中断。一个周期开始时M=100，P0.5脚输出高电平，红外加热器停止加热，每20ms对M减1，当M小于等于由PID算法得出的控制量时，P0.5脚电平翻转输出低电平，这时加热器开始加热，直到M减为0，重新开始下一个控制周期。等到下一周期开始P0.5脚电平又被置为高电平，如此反复进行便产生温度控制的PWM波。另外需要说明：之所以用P0.5脚为高电平时红外加热器停止加热，是因为考虑到单片机在复位后引脚输出为高电平，这样加热器就不会加热，因此整个系统相对安全、平稳。2.3 PID参数的调整PID参数的设定决定了升温速度和系统的稳定性，面对不同的控制对象参数都不同，根据这些参数在整个PID控制过程中的作用，根据实验现象具体调节：1、温度很迅速就能达到目标值，但是过冲很大，出现这种现象的可能原因是：比例系数太大，致使在达到设定值之前温度上升比例过高；微分系数过小，致使对控制对象的反应不够灵敏。2、温度经常达不到目标值，小于目标值的时间较长，出现这种现象的可能原因是：比例系数过小，升温比例不够；积分系数过小，对恒定偏差补偿不足。3、基本上能够控制在目标温度上，但上下偏差很大经常波动，出现这种现象的可能原因是：微分系数过小，对即时变化反应不够迅速；积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；设定的基本控制周期过短，加热没来得及传到测温点上6。PID参数的调整步骤一般为先比例，后积分，再微分的整定步骤，编程时先设定他们的大概数值，然后通过反复实验调试，根据实验现象最终选定比较理想的参数值。2.4 软件设计系统任务主要有：键盘扫描、温度测量、温度显示、PID温度控制量计算和加热控制。程序每隔5ms扫描一次键盘，检测是否有按键按下，进行对目标温度进的设定、加热启动或停止的控制等操作。对于温度测量及显示和PID控制量计算这三个任务，当某任务的时间到时，在中断程序里把该任务标志位置为“1”，在主函数中收到这个标志为1时执行该任务，将标志位清“0”，加热控制在中断程序中执行，根据计算出的控制量改变继电器的控制端口状态从而控制加热功率，主函数流程图和中断函数流程图分别如图3、图4所示。图3 主函数流程图图4 T0定时中断子程序流程图2.5 实验结果设定目标温度为70，当加热室达到热平衡时，每隔2s记录一次数据，数据如表1所示。对数据进行处理，方差为0.3907，平均值为70.09，温度的控制精度在1以内，达到了水分测量仪对恒温控制的要求。表1 恒温控制实验数据序号测量温度（）序号测量温（）序号测量温（）序号测量温（）170.0970.31770.72570.7270.01070.01870.02670.3370.31169.71969.72769.7469.71270.02069.42869.7570.01370.72170.02970.7669.71470.32269.73070.0770.31569.72370.33170.3869.71670.32471.03 结束语文中设计的红外加热器的恒温控制系统能够根据设定的温度对加热室进行恒温控制，达到了满意的效果。采用数字PID控制算法具有一定的通用性，系统具有结构简单，抗干扰能力强等优点，目前已经在水分测量仪中应用，经过长时间的反复实验验证达到了恒温控制预定的要求。4 本文作者创新点 在软件设计方面，本文采用一种新的程序结构，它的特点是多任务分时处理。设系统有多个任务，每个任务分配一个控制位，在中断函数中用定时器分配任务的执行时间，当某一任务的执行时间到时，对应的控制位置1。主程序循环检测这些任务的控制位，当检测到某一任务控制位为1时该任务被执行。通过合理分配不同任务的执行时间，可使CPU循环执行这些任务，在较长的时间范围内这些任务可视为并行处理。使用这种结构可提高CPU利用率，既加快了程序执行速度，同时也方便了系统的管理。参考文献1 马忠梅，籍顺心，张凯，等单片机C语言应用程序设计M，第3版北京：航空航天大学出版社，2003.112 王昌明，孔德仁，何云峰传感与测试技术M北京：航空航天大学出版社，2005.6300-3043 张开声，郭国法MCS-51单片机温度控制系统的