温度控制系统设计

1、温度控制系统设计目录第一章系统方案论证错误!未指定书签。总体方案设计错误!未指定书签。温度传感系统错误!未指定书签。温度控制系统及系统电源错误!未指定书签。单片机处理系统(包括数字部分)及温控箱设计错误味指定书签。算法原理错误!未指定书签。第二章重要电路设计错误!未指定书签。温度采集错误!未指定书签。温度控制错误!未指定书签。第三章软件流程错误!未指定书签。基本控制错误!未指定书签。控制错误!未指定书签。时间最优得控制流程图错误!未指定书签。第四章系统功能及使用方法错误!未指定书签。温度控制系统得功能错误!未指定书签。温度控制系统得使用方法错误!未指定书签。第五章系统测试及结果分析错误!未指定

2、书签。硬件测试错误!未指定书签。软件调试错误!未指定书签。第六章进一步讨论错误!未指定书签。参考文献错误!未指定书签。致谢错误!未指定书签。摘要:本文介绍了以单片机为核心得温度控制器得设计，文章结合课题温度控制系统，从硬 件与软件设计两方而做了较为详尽得阐述。关键词：温度控制系统控制 单片机引言：温度控制就就是工业生产过程中经常遇到得过程控制，有些工艺过程对英温度得控制效果直 接影响着产品得质量，因而设讣一种较为理想得温度控制系统就就是非常有价值得。本文设 计了以单片机为检测控制中心得温度控制系统。温度控制采用改进得数字控制算法，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：O温度

3、控制范围为。；0有加热与制冷两种功能()指标要求：超调星小于。；过渡时间小于;静差小于。C；温控精度。C0实时显示当前温度值，设左温度值，二者差值与控制量得值。第一章系统方案论证总体方案设计薄膜钳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 得数据送单片机做进一步处理；当前温度数据与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，从而实现温度得 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-系统总体框图势;经过钳电阻特性分析，在要求得温度范国内钳电阻得线性较好，所以不必要增加非线性校 正电

4、路：采样电压再经过髙精度电压放大电路与隔离电路之后输岀；另外，由于髙精度得需 要，电路对电源要求较髙,所以采用稳压电源电路得输岀电压，并且需要髙精度运放。因为温度变化并不就就是很快，所以电路对滤波器得要求并不髙，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得功能为:转换器输出得电压控制信号，经过电压放大，再通过功 率单元提髙输出功率后,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 率输岀两部分。转换器输岀得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。 期外单片机还输出一个用来控制就就是加热还就就是制冷得控制信号。功率

5、放大电路采用稳压芯片，可承受高输出电流，且端输出电压与端得电压差保持不变得 特点,可将控制信号利用运放方向放大后，输入至稳压芯片得端,输出信号得电压范用与功率 放大至合适得大小。具体设汁为输出得控制信号，经上述处理，在端利用继电器，由单片机输出 得加热制冷控制信号控制继电器得闭合方向，改变半导体器件得电流方向，从而控制加热或 制冷。系统电源本设讣需要供电得部分有温度采集部分须有基准电压供电，单片机处理系统得数字电路部分 需要+得电源，而实验室得电源会有纹波，故采用稳压芯片自行设计，电路如图，调肖可变电阻, 即可得到所需得电压。其中可变电阻就就是起到分压得作用,避免在上得压降过大，否则发热，会使

6、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： 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： 控制层调用算法，计算出控制虽:，同时提供人机交互； 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）得通信参照了微机原理与接口 实验中得实验箱电路得连接方法。调用算法得中断采用得就就是内部左时器，可以简化外由 电路。温控箱设计我们用实验室提供得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 得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 半导体材料之外得其她内表而

7、，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, 又要露出全部得半导体制冷片.我们采用得就就是“工字形“方案，即:将填入铝箱得保温塑料 层做成一个无接缝得整体，相对得半导体制冷片得两侧挖空，露出英全部而积,中间留有一个 很小得腔体作为温度控制得空间（插入热敏电阻与标准表探头）。我们采用将箱体放入冷水中得方法解决温控箱得散热问题。算法原理、基本算法其中与（）都就就是八位二进制数，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。所以必须用最髙位作为符号位，与（）用位表示显然就就是不够得。处理方法就就是 在与（）前面补一个值为零得字节，以两字节来表示，运算得最终结果结果取位

8、有效位。基本得算法，需要整定得系数就就是（比例系数）（积分系数）（微分系数）三个。这三个参数对系 统性能得影响如下：（）比例系数 对动态性能得影响比例系数加大，使系统得动作灵敏，速度加快,偏大，振荡次数加多， 调节时间加长。当太大时，系统会趋于不稳泄，若太小，又会使系统得动作缓慢； 对稳态性能得影响加大比例系数，在系统稳圮得情况下，可以减小静差，提髙控制精度, 但就就是加大只就就是减少静差，不能完全消除。0 积分系数 对动态性能得彫响积分系数通常使系统得稳左性下降。太大，系统将不稳左：偏大，振 荡次数较多;太小，对系统性能得影响减少;而当合适时,过渡特性比较理想； 对稳态性能得彫响积分系数能消

9、除系统得静差，提髙控制系统得控制精度。但就就是若 太小时，积分作用太弱,以致不能减小静差。0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, 提髙控制精度。但当偏大或偏小时，超调量较大，调巧时间较长，只有合适得时候，才可以得到 比较满意得过渡过程。对系数实行“先比例，后积分，再微分“得整立步骤。0首先只整定比例部分。即将比例系数由小到大，并观察相应得系统响应，直到得到反应快, 超调小得响应。0加入积分环节。整泄时首先置积分系数一个较小得值,并将第（）步中整左得比例系数略为 缩小（例如缩小为原值得倍），然后增大，使在保持系统良好动态性能得情况下，静差得

10、到消除。 在此过程中，可根据响应得好坏反复改变比例系数与积分系数。0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，在第一步得基础上，增大，同时相应地改变比例系数与积分 时间。、时间最优得控制算法采用上述控制算法存在一个问题:当设泄值比当前值髙很多时,在相当一段时间内，控制增量 都为正，而且在不断得积累增大;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;要用负得控制增量抵消以前积累得正控制量，需要得时间较长;这正就就是产生超调屋得 根本原因。当设泄值低于当前值时情况类似。为解决这个问题，采用了时间最优得控制算法。时间最

11、优得控制即开关控制（控制）与控制相结合得控制方式。英思想就就是：开关控制即指 在当前值与设左值偏差较大得情况下,控制系统进入“开或者“关”两种状态。具体到本系 统，就就就是指当前温度与设左温度差别很大时，要么全功率（最大电压输岀）得加热，要么 就全功率得制冷。当前值与设定值相差在阈值a以内时，采用算法计算输出控制量;当在a以外时，则直接输出最 大值作为控制量，不再调用算法,不做控制屋得累加。这样处理可以在很大程度上改善控制性 能。第二章重要电路设计温度采集图一温度采集电路Di U43 &5:R5 Ik-:A26 ik:R站 1馆:R2? 115.5PARAMETERS用电桥采集温敏电阻值得变化

12、，考虑到就就是小信号得放大，所以选择仪表放大电路.并且选 择高精度，低温漂得运算放大器。电阻为薄膜钳电阻，与在电桥得两个臂上，将钳电阻得电阻转换为电压信号得放大倍数左为 倍，得作用就就是调节放大倍数,使输出电压为调节过程：、把钳电阻定在度得阻值欧姆，凋卩，使输岀为。、把钳电阻定在度得阻值欧姆，调肖,使输出为、采用一阶滤波，目得就就是滤出髙频得噪声干扰，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得电压控制信号()用一个运放构成得反向放大器转移到电平, 然后通过小功率稳压芯片降压。这就就是因为经稳压芯片LM,电压至少会提髙(-再经过扩 展九在调试过程中，

13、调节得阻值，便可调整反向放大器得增益,从而调整输岀电压得范国。、控制电路:具体电路包括由两片构成得功率放大，以及由继电器构成得输出电流方向控制两部分，如图一所示。电路说明:()单片机得串口得输出经过继电器得驱动芯片，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得电流方向。0控制电压信号经放大分压后输入得端,与可用来调整零点。0由于得与端至少需要得压降，而半导体制冷器件最多承受得电压，故两路输入电源输入采 用+得大功率电源。图功率输出电路VINVOUIC2O.lu91C2C3C4C5C6C7C1B2B3B4B5B6B7BCCLSI12.T 1310R4 ikR3 ik12V

14、RELAY 4PDTRiWvR5 300IK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，就就是完成得反馈信号。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得数据：采样温度控制量控制量得方向设泄得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时间最优得控制流程图图一时间最优得控制流程图第四章系统功能及使用方法温度控制系

15、统得功能本系统得温度显示范围:CC,显示精度：。C ，可使控温箱体内得温度恒疋在。cc范圉内 得任意温度上。温度控制系统得使用方法显示当前箱体内得温度值显示控制量得大小显示当前温度与设立温度之间得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:调肖稳压电源对应得变阻器.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：（）调节电桥满足钳电阻额眾电流；（）在摄氏度调卩零点;（）升温到一个较高温度，确定覆盖范围：（）任意选定温度，验证；确定温度控制器数字电路工作正常；温度控制器模拟电路：（）设定温度控制量得模为，调节调零变阻使得电压为零；（）设左

16、温度 控制戢得模最大，调肖范用控制电阻，使输岀得电压为所需得最大值;（）取任一中间量验证（） 改变温度控制量方向，检验继电器动作；0验证有载工作。一些调试技巧硬件调试得时候，不能盲目得调试，应该首先分析一下原因，这一点可以通过测试硬件中得关 键点来得岀，再去调试相应得部分；调试得主要方法就就是测试相应部分电源特性与焊接联 通性，若未解决再察瞧电路得完整性，再无问题则需要检查设计原理。调试中遇到得问题及分析串扰：可以采用诸如模、数、功率分离，一点接地等方法来避免串扰：、 输岀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 后降低电平得失效，判断就就是有电流倒灌,经汁算就

17、就是由于电路得电阻太小导致电流太大 使得偏置失效，改正后电路正常工作。软件调试算法系数整定、确泄比例增益A 确泄比例增益 时，首先去掉得积分项与微分项，一般就就是令、，使为 纯比例调节。输入设疋为系统允许得最大值得，由逐渐加大比例增益，直至系统出现振荡;再 反过来，从此时得比例增益逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时得比例增益，设左得比例 增益为当前值得。比例增益调试完成。、确左积分时间常数4比例增益确左后，设左一个较大得积分时间常数得初值，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。记录此时得，设定得积分 时间常数为当前值得。积分时间常数调试完成。、确左积分时间常数A积分时间常数一般不用设左，为即可。若要设立,与确左与得方法相同，取不振荡时得。第六章进一步讨论0针对被控对象得非线性，设计分段式变参数控制算法，对不同得温度段使用不同得参数。()采样中断使用得就就是单片机得内部龙时器，