温度监控系统设计

温度监控系统设计ThismanuscriptwasrevisedbytheofficeonDecember10,2020.一种基于单片机的温度监控系统设计摘要：对现场参量准确的测量是高性能温度控制的基础。以单片机AT89C51作为温度监控核心部件，采用热电偶温度传感嚣、运算放大嚣、A/D转换器等构成温度采集模块，通过对采集到的温度数据值进行比例积分微分运算处理，并采用RS485与上住机进行通信，实现一种温度监控系统的设讣。实验表明该系统具有转换速度快、精度高、控制能力强等特点。关键词：单片机；温度传感器；比例积分微分控制；数据釆集DesignofTemperatureMonitoringControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputerAbstract：Theexactmeasurementoffieldparameterlaythefoundationforobtainingexcellenttemperaturecontrolperformance・Atemperaturemonitoringcontrolsystemisdesigned,whichisbasedonMCUAT89C52・Thetemperatureacquisitionmoduleismadeupofthermocoupletemperaturesensor,operationamplifiers,A/Dconvertersetc・ThesampledataisProcessedwithProportional—Integral一Derivativecontroller（PIDcontroller）andRS485isusedtocommunicatewiththeuppercomputer・Themeasuredresultsindicatethatthesystemhasmeritsoffastconvertedresponse,higherprecision,excellentabilityintemperaturecontro1・Keywords：singlechipmicrocomputer；temperaturesensor：PIDcontro1；dataacquisition1绪论1.1温度控制的意义随着社会的发展，时代的进步，在人们的生活中对于温度的要求也越来越多，而温度控制器它就可以解决人们对于这方面的要求，他可以把温度控制在人们所需要的温度范用内。比如用在对冷部位（如空调室、冷冻水、库温等）的温度机器波动范围进行控制的电开关。根据制冷、制热装置方式的不同，温度控制器电路的电控对象也不同。温度控制器可以根据舍得温度直接控制电机或者开关的停开，使温度到达所预定的温度值。温度控制器在实际中应用很广泛，也很实用。温度的输岀值也比较准确。随着技术的发展，温度控制器的应用更加广泛，所应用的场合也越来越多，效率与稳定也会不断的提高，在以后的发展中会跟放假的完善和实用。1・2温度控制的必要性现代信息技术的三大基础是信息采集控制（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。以温度作为被控制量的反馈控制系统。在化工、石油、冶金等生产过程中的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。1.3温度控制的现状分析温度控制在我国电子、冶金，机械等工业领域应用非常广泛，由于具有其工矿复杂，参数多变，运行惯性大，控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。H前，仍有相当部分工业企业在用窑、炉，烘干生产线存在着控制精度不髙，炉内温度均匀性差等问题，达不到工艺要求，造成装备运行成本费过髙，产岀品品质差，严重影响企业经济效益，继续进行技术改造。1.4温度控制的认识严格说，多数温度控制系统中被控对象在进行热交换时的温度变化过程，既是一个时间过程，也是沿空间的一个传播过程，需要用偏微分方程来描述个点温度变化的规律。因此温度控制系统本质上是一个分布参数系统。分布参数系统的分析和设计理论还不成熟，，而且往往过于复杂而难于在工程实际问题中应用。解决的途径有二：意识吧温度控制系统作为时滞系统来考虑。时滞较大时采用时滞补偿调节，以保证系统的稳定性。具有时滞是多数温度控制系统的特点之一。另一途径是采用分散控制方式，把分布参数的被控过程在空间商分段化，每一段过程可作为集中参数系统来控制，构成空间上分布的多站控制系统。采用分散控制常可获得较好的控制精度。1.5温度控制的发展近年来，国内外对温度控制调节器进行了广泛，深入的研究们特别是随着计算机的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化温度调节器。自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化，自适应，参数自整定等方面取得成果。在这方面，国外的技术比国内的技术领先，门斗生产了一批商品化的，性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用，温度控制器具有控制精度高，抗干扰力强，鲁棒性好响应快、动态偏差小的特点，□前，国内外的温度控制系统以及仪器仪表正朝着高精度，智能化，小型化等方面快速发展。2温度自动监控系统的组成以及原理温度自动监控系统分为三个大的部分，分别是温度的采集与检测部分、温度的控制部分和温度的显示部分2.1温度检测部分温度检测是温控系统的最关键部分，它只接影响整个系统的测量、控制精度。例如热电偶温度传感器LI前在工业生产和科学研究中已得到了广泛的应用，它是将温度信号转化成电动势。LI前热电偶温度传感器已形成系列化和标准化，主要优点是：它属于自发电型传感器，测量温度时可以不需要外加电源；结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制；测量温度范围广，高温热电偶测温高达1800°C以上，低温热电偶可测-260°C以下，LI前主要用在高温测量工业生产现场中。热电阻温度传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特性来测量温度的，LI前应用较为广泛的热材料是铜和钮。在铜电阻和釦电阻中，釦电阻性能最好，非常适合测量-200、+960°C范围内的温度。国内统一设计的工业用釦电阻常用的分度号有Pt25、Pt100等，PtlOO即表示该电阻的阻值在0°C时为100Q。随着半导体集成电路技术的迅速发展，各种类型的集成温度传感器应用越来越多。集成温度传感器的工作原理是利用P\结的温度特性制成的，同热电偶、热电阻等传统的温度传感器相比，集成温度传感器主要特点有：灵墩度高；线性度好，一般不需要线性补偿；测量重复性好；响应速度快。但不足之处是测量温度较窄，通常为-55「50°Co根据本课题设计的要求，可选用集成温度传感器。山于温度传感器的直接输出信号一般都非常微弱，为了更好的测量和显示，需要放大器、滤波器等电路对信号进一步处理。对放大器的要求是精度要高，输入失调电压和输入失调电流要小，同时要求抑制共模干扰信号的能力要强。2.2温度控制部分实现对温度控制的方法很多，有米用模拟电路实现的，也有米用计•算机构成的智能控制。模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。开关式控制是将检测的温度信号和设定的温度值通过比较器比较后，驱动一开关器件（一般是继电器）控制加热器的通断。如当测量的温度低于设定的温度值时，驱动电路使继电器接通加热器的电源，使温度上升；当温度高于设定的温度时，驱动电路使继电器断开加热器的电源，停止对加热器的加热，温度将下降。这样继电器反复动作，温度将被控制在设定值附近。开关式温度控制方法的优点是电路简单，缺点是控制精度较低，并且在设定温度附近，频繁启动继电器，影响继电器的使用寿命。比例式控制是选择一个固定的时间T作为控制周期，选择控制周期的长短一般根据加热的热容量选取，热容量大的可选择控制周期长一些，一般选择T二10.15秒。当温度低于设定的温度较多时，在一个控制周期T内接通加热器电源的时间就比较长（假设为t）,随着温度的升高，加热时间t逐渐减少；当温度高于设定的温度时，加热时间t等于零，温度逐渐下降，最后使温度接近稳定。该方法控制温度精度将大大提高。连续控制是根据测量温度的大小自动连续调节加热器电流的大小，当温度大于设定的温度时，可自动的控制减