基于单片机的双路温度测控系统设计

前言温度测控在工业领域具有广泛的应用。随着传感器技术、微电子技术、单片机技术的不断发展，为智能温度测控系统测控功能的完善，测控精度的提高和抗干扰实力的增加等供应了条件。由于单片机具有集成度高、功能强、体积小、抗干扰实力等优与一般cpu的优点。因此，在要求高限制精度和较低成本的测控条件系统中，往往采纳单片机作为数字限制取代模拟限制器.而作为“感觉器官”传感器用各种各样信息的感知获得和检测，并将其转换为工作系统能进行处理的信息。目前，传感器正沿着分立式→集成化→智能化→单片机系统网络化的方向快速发展，自能传感器系统是在智能传感器的基础上发展而来的。自不待言，传感器在现代科学技术领域中占有极其重要的地位。采纳传感器技术的非电量电测方法，就是目前最广泛的测量技术。随着科学技术的发展，现在也出现了光通量等作为可测量的传感器。本设计正对温度限制设计了以单片机为主机的主动限制系统，系统的结构图由单片机52为主机，A/D转换器，两个测温点路，限制电机正反转，电源电路，键盘和显示电路。温度测控系统是一个闭环限制系统，用温度传感器将监测到的温度A/D转化后送入计算机中。本设计在指导老师吴文涛、王璇、冯智磊的指导和相关文件的综合而完成的。摘要在现代工业印花技术中，单片机温度测控是核心设计一个基于单片机的双路温度测控系统设计。其能够采集探头和工作台上两路信号，范围分别是0~300和0~99精度为正负1，这两路温度信号通过放大器输入单片机，单片机结合由键盘输入的设定值输出限制电机正反转吩咐、并用LED实时显示所测得的两路温度值。关键词：单片机、温度测控系统、工业印花技术AbstractInthemodernindustrialprintingtechnology,SCMisthecoretemperaturecontrollingdesignabasedonsinglechipmicrocomputertemperaturemeasurementandcontrolsystemofdoubleroaddesign.Theprobeandthecollectiontotwochannelssignal,Rangeis0~300respectivelyand0~99precisionofplusorminus1,thetworoadtemperaturesignalthroughtheamplifiersingle-chipmicrocomputer,SCMbycombininginputkeyboardinputvalueoutputcontrolmotorpositive&negativecommand,andLEDreal-timedisplaymeasuredwaytwotemperature.Keywords:SCM,temperaturemeasurementandcontrolsystems,industrialprintingtechnology单回路温度限制器一个单回路温度限制器是一种手段，须要从一个传感器的信号，把它比作一个设定点信号，并调整输出到加热设备维护，尽可能接近，与测量温度和设定温度平衡。这里的关键词是“尽可能接近”。有很多用于实现这种限制方法的几个类型。我们将试图简洁介绍一下最常见的。开关限制该应用程序的正确的温度限制器选择取决于应用程序所需的限制程度。最简洁的应用程序可能只须要什么是所谓的“开关”限制。开关限制操作的，就像对我们的家庭供暖系统温控器相同的方式。换句话说，该限制器的输出可以是100％或100％实惠。对敏感性的开关限制（有时称为“滞后”或“死区”）是进入点之间的限制作用，此时，限制输出开关由“关”“开”时设计的。在延时开关设计，这可以防止太快速从小康到输出。假如设置滞后过于“狭窄”，快速切换将发生，往往会造成所谓的输出“格格”之称。这种“抖动”可以导致输出继电器和加热元件寿命差。因此，应设置滞后，这样是有关系的“开”和“关”的输出模式有足够的时间延迟。由于在通断限制器输出所需的滞后，总是会有肯定的“冲”和“超调”中的调整作用。就依据拍摄和超调量在整个特定应用的热系统的特点而定。图（A）时间配比的进程，须要比开关限制通常须要什么是所谓的配料多一点时间的精确限制。一时间比例限制操作作为一个开关限制大致相同的方式，而这一过程的温度是所谓的比例带之外。比例带设定点是，围绕在配料限制，届时须要的地方区域。当进程进入温度之间的时间比例带（接近设定值）的周期时间和休息时间起先发生变更。在比例带的低端，在时间比更大的关闭时间。由于工艺越接近设定值，在时间削减，而关断时间增加。这变更了有效的权力，热负荷，并导致“节流回”中，在该过程温度上升的速度。这一行动接着进行，直到一个稳定的须要某处低于设定值的地方。在这一点上，限制的实现。在限制点的差异和实际设定值被称为“下垂”。图（B）积分或“复位行动假如“下垂”的限制时间比例形式不能耐受的过程中，限制整体功能必需加入。整体功能“自动复位”限制器发觉运用数学算法来计算下垂数额，然后调整输出到“复位”设定值的限制效果。这通常是通过自动转换带的比例略微弥补下垂。自动复位内实行行动只能比例带的地方。应自动复位比例带外应用，其结果将是一个极端的设定值超调状态。消退了比例带被称为“反重置饱和”自动复位外过程是典型的限制，包括自动复位或“整合”功能的标准功能。在很多控件没有供应“自动”复位。此功能是通过手工完成的电位变更调整，手动比例带。（图14A与14B条）衍生金融工具（自动速率）当温度超调的过程，在其骑自行车，超过设定值。过冲可以小和微乎其微或大到足以导致这一进程的重大问题。在全部的探讨至今控件类型，发生过冲。过冲可能会造成损害，在很多流程，因此必需加以避开。衍生功能（也称为“自动率”）可用于限制系统，以防止过冲。衍生功能预料多快的速度将达到设定值。它这个测量过程的温度变更速率，然后通过强制成比例以更快的行动，从而减慢过程的温度变更率率的限制。这一行动使工艺温度的“滑翔”到设定值，从而防止过冲很大程度在启动时系统的变更，如大负荷的变更或开门一炉，等发生。通常，最精确的过程限制应用都须要有比例限制，自动复位，自动速率功能。这种类型的限制为PID知道（比例，积分，微分）。（图14C的）限制系统调整开关限制：优化一个开关限制系统通常由一个简洁的手动调整完成。这种调整，基本上通过调整限制点的限制开启和关闭开关滞后。比例（P），比例加积分（PI）和比例加积分加微分（PID）。是有对P，PI和PID限制适当调整的几种方法。大多数方法须要大量的试验和错误以与大量具有很大的耐性给予技师！下面是其中的方法之一。第一步是调整比例带。假如限制器包含积分和微分的调整，调整到零之前，他们调整比例带。调整比例带选择的响应速度（有时称为增益）成比例限制器须要实现该系统的稳定性。比例带，必需更广泛地较系统的正常振荡的学历，但不要太宽，以抑制系统的响应。起先时为比例带最窄的设置。假如有振荡，渐渐增加比例带小的增量，使系统解决了几分钟后，每次出来，直到在该点的偏移量起先增加下垂步调整。在这一点上，过程变量应在平衡状态下的一些设定点。接下来的步骤是调整积分或复位动作。假如该限制器具有手动复位调整，只需调整复位，直到进程下垂被淘汰。与手动复位调整的问题是，一旦设定值更改为一个值比原来的外，下垂可能会回来和复位将再次须要进行调整。假如限制具有自动复位，复位自动复位调整，调整时间常数（每分钟重复）。最初的设置应在每分钟重复的最低数字，以便在系统的平衡。换句话说，小步调整的自动复位，使系统解决之后的每一步，直到起先出现稍微的振荡。然后回到小康就在那里的振荡停止，调整，重新建立平衡点。该系统将自动调整偏移误差（下垂）。最终一个限制参数，调整为速率或衍生功能。随时调整这个函数的最终一个。恒久！我之所以这样强调的是在这一点上，假如利率调整是在复位前作出调整转向，复位将被拉出来的时候调整利率调整已打开。然后你只须要启动调整过程结束了！其速率调整功能，是尽可能削减任何过冲。房价调整是基于调整中，调谐到与整个系统的响应分钟的时间来计算时间。最初的利率调整应尽可能最低的分钟数。增加在特别小的增量调整。每次调整后，让它解决了几分钟。然后增加一个中等量设定值。观看的限制作用达到设定值。假如出现超调，提高利率调整另一个少量重复该过程直到冲被淘汰。有时系统会变成“疲软”，绝不达到设定值的。假如发生这种状况，削减利率调整过程，直到达到设定值。可能仍有稍微的超调，但是这是一个取舍的状况。自动调谐-调整限制参数是不好玩！谢天谢地，现代技术和“自动调谐的独创”。今日的限制器制造商大多供应单回路的自动参数调整选项，它消退了手动调谐的温度限制器不少苦工。有几种方法的自动调整。大多数的系统上运行的限制器，即“看”，从起先时的初始启动上升周期的时间进程到达设定值。然后从第一个周期的响应特性学习它调整到最佳调谐自己在第一循环创建了历史的参数。自动调谐功能接着“学习”，直到随后的周期，并重新调整的PID达到最佳设置参数。由于并非全部制造商的自动调整限制器的功能相同，最好询问，然后再尝试第一次运用自动调谐功能的运用说明书。SingleLoopTemperatureControllersAsinglelooptemperaturecontrollerisaninstrumentthattakesthesignalfromasensor,comparesittoasetpointsignal,andadjuststheoutputtotheheatingdevicetomaintain,ascloseaspossible,equilibriumbetweenthemeasuredtemperatureandthesetpointtemperature.Thekeyphrasehereis"ascloseaspossible".Thereareseveraltypesofcontrolmethodsusedtoaccomplishthis.Wewillattempttobrieflyexplainthemostcommon.On-OffControl Selectionoftherighttemperaturecontrollerfortheapplicationdependsonthedegreeofcontrolrequiredbytheapplication.Thesimplestofapplicationsmayonlyrequirewhatiscalled"On-Off"control.On-Offcontroloperatesmuchinthesamemannerasthethermostatonourhomeheatingsystems.Inotherwords,theoutputofthecontrolleriseither100%onor100%off.ThesensitivityoftheOn-Offcontrol(sometimescalled"hysteresis"or"dead-band")isdesignedintothecontrolactionbetweenthepointsatwhichthecontroloutputswitchesfrom"off"to"on".Thisdesignedinhysteresispreventstheoutputfromswitchingfromofftoontoorapidly.Ifthehysteresisissettoo"narrow",rapidswitchingwilloccurandoftenresultinwhatisknownasoutput"chattering".This"chattering"canresultinpoorlifetimeofoutputrelaysandheatingcomponents.Therefore,thehysteresisshouldbesetsothatthereissufficienttimedelaybetweenthe"on"and"off"modesoftheoutputs.Duetothehysteresisneededintheoutputoftheon-offcontroller,therewillalwaysbeacertain"undershoot"and"overshoot"inthecontrolaction.Theamountofundershootandovershootisdependentuponthecharacteristicsoftheentirethermalsystemofaparticularapplication.(Figure13A..)TimeProportioningProcessesrequiringalittlemoreprecisecontrolthanOn-OffcontrolusuallyrequirewhatiscalledTimeProportioning.Atimeproportioningcontroloperatesmuchthesamewayasanon-offcontrolwhiletheprocesstemperatureisoutsideofwhatiscalledtheproportionalband.Theproportionalbandisthatareaaroundthesetpointinwhichtimeproportioningcontroltakesplaces.Whentheprocesstemperatureenterstheproportionalband(approachingsetpoint)thecycletimebetweentimeonandtimeoffbeginstovary.Atthelowendoftheproportionalband,theontimeismuchgreaterthantheofftime.Astheprocessgetsclosertothesetpoint,theontimedecreasesandtheofftimeincreases.Thischangestheeffectivepowertotheheatingloadandcausesa"throttlingback"inthespeedatwhichthetemperatureoftheprocessisincreased.Thisactioncontinuesuntilastabilizationtakesplacesomewherebelowthesetpoint.Atthispoint,controlisachieved.Thedifferenceinthecontrolpointandtheactualsetpointiscalled"droop".(Figure13B.)Aslongasthereisnochangeintheprocessload,thisconditionwillremainconstant.Integralor"ResetAction"Ifthe"droop"inthetimeproportioningformofcontrolcannotbetoleratedintheprocess,theIntegralfunctionofcontrolmustbeadded.Theintegralfunctionfoundin"automaticreset"controllersusesamathematicalalgorithmtocalculatetheamountofdroopandthenadjuststheoutputto"reset"thecontrolresulttosetpoint.Thisisusuallydonebyautomaticallyshiftingtheproportionbandslightlytocompensateforthedroop.Automaticresetactioncanonlytakeplacewithintheproportionalband.Shouldautomaticresetbeappliedoutsidetheproportionalband,theresultwouldbeaconditionofextremeovershootofthesetpoint.Theprocessofeliminatingtheautomaticresetoutsideoftheproportionalbandiscalled"anti-resetwindup"andistypicallyastandardfeatureofcontrolsthatincludetheautomaticresetor"integrating"function.Onmanycontrolsthatdonotoffer"automatic"reset.Thisfunctionisaccomplishedmanuallybyapotentiometeradjustmentthatmanuallyshiftstheproportionalband.(Figure14Aand14B)Derivative(AutomaticRate)Temperatureovershootiswhentheprocess,duringitscycling,exceedssetpoint.Overshootcanbesmallandinsignificantorlargeenoughtocausemajorproblemswiththeprocess.Inallthetypesofcontroldiscussedsofar,overshootoccurs.Overshootcanbedamaginginmanyprocessesandthereforemustbeavoided.Thederivativefunction(alsocalled"automaticrate")canbeusedincontrolsystemstopreventovershoot.Thederivativefunctionanticipateshowquicklythesetpointwillbereached.Itdoesthisbymeasuringtherateofchangeofprocesstemperatureandthenbyforcingthecontrolintoaproportioningactionatafasterratetherebyslowingdowntherateofprocesstemperaturechange.Thisactionallowstheprocesstemperatureto"glide"intothesetpointandtherebypreventalargedegreeofovershootonstart-upandwhensystemchangessuchaslargeloadchangesortheopeningofafurnacedoor,etc.takesplace.Typically,themostpreciseofprocesscontrolapplicationswillrequireacontrolthathasproportional,automaticreset,andautomaticratefunctions.ThistypeofcontrolisknowasPID(Proportional,Integral,Derivative).(Figure14C)ControlSystemTuningOn-OffControl:TuninganOn-Offcontrolsystemisusuallyaccomplishedbyonesimplemanualadjustment.Thisadjustmentbasicallycontrolstheswitchinghysteresisbyadjustingthepointsatwhichthecontrolturnsonandturnsoff.Proportional(P),ProportionalplusIntegral(PI),andProportionalplusIntegralplusDerivative(PID).ThereareseveralmethodsforthepropertuningofP,PI,andPIDcontrols.Mostmethodsrequireaconsiderableamountoftrialanderroraswellasatechnicianendowedwithalotofpatience!Thefollowingisoneofthosemethods.Thefirststepisthetuningoftheproportionalband.IfthecontrollercontainsIntegralandDerivativeadjustments,tunethemtozerobeforeadjustingtheproportionalband.Theproportionalbandadjustmentselectstheresponsespeed(sometimescalledgain)aproportionalcontrollerrequirestoachievestabilityinthesystem.Theproportionalbandmustbewiderindegreesthanthenormaloscillationsofthesystembutnottoowidesoastodampenthesystemresponse.Startoutwiththenarrowestsettingfortheproportionalband.Ifthereareoscillations,slowlyincreasetheproportionalbandinsmallincrementsallowingthesystemtosettleoutforafewminutesaftereachstepadjustmentuntilthepointatwhichtheoffsetdroopbeginstoincrease.Atthispointtheprocessvariableshouldbeinastateofequilibriumatsomepointunderthesetpoint.ThenextstepistotunetheIntegralorresetaction.Ifthecontrollerhasamanualresetadjustment,simplyadjusttheresetuntiltheprocessdroopiseliminated.Theproblemwithmanualresetadjustmentsisthatoncethesetpointischangedtoavalueotherthantheoriginal,thedroopwillprobablyreturnandtheresetwillonceagainneedtobeadjusted.Ifthecontrolhasautomaticreset,theresetadjustmentadjuststheautoresettimeconstant(repeatsperminute).Theinitialsettingshouldbeatthelowestnumberofrepeatsperminutestoallowforequilibriuminthesystem.Inotherwords,adjusttheautoresetinsmallsteps,allowingthesystemtosettleaftereachstep,untilminoroscillationsbegintooccur.Thenbackoffontheadjustmenttothepointatwheretheoscillationsstopandtheequilibriumisreestablished.Thesystemwillthenautomaticallyadjustforoffseterrors(droop).ThelastcontrolparametertoadjustistheRateorDerivativefunction.Alwaysadjustthisfunctionlast.Always!ThereasonIamsoemphaticonthispointisthatiftherateadjustmentisturnedonbeforetheresetadjustmentismade,theresetwillbepulledoutofadjustmentwhentherateadjustmentisturnedon.Thenyoujusthavetostartyourtuningprocedureover!Thefunctionoftherateadjustmentistoreduceasmuchaspossibleanyovershoot.Therateadjustmentisatimebasedadjustmentmeasuredinminuteswhichistunedtoworkwiththeoverallsystemresponsetime.Theinitialrateadjustmentshouldbetheminimumnumberofminutespossible.Increasetheadjustmentinverysmallincrements.Aftereachadjustmentletitsettleoutafewminutes.Thenincreasethesetpointamoderateamount.Watchthecontrolactionasthesetpointisreached.Ifanovershootoccurs,increasetherateadjustmentanothersmallamountandrepeattheprocedureuntiltheovershootiseliminated.Sometimesthesystemwillbecome"sluggish"andneverreachsetpointatall.Ifthisoccurs,decreasetherateadjustmentuntiltheprocessreachessetpoint.Theremaystillbeaslightovershootbutthisisatrade-offsituation.Autotune-Tuningcontrolparametersisnofun!Thankgoodnessformoderntechnologyandtheinventionof"Autotune".Mostoftoday'scontrollermanufacturersoffersinglelooptemperaturecontrollerswiththeoptionofautomaticparametertuningwhicheliminatesalotofthedrudgeryofmanualtuning.Thereareseveralmethodsofautotuning.Mostoperateonasystemwherebythecontroller"looks"attheinitialstart-upcyclefromstarttothetimetheprocessreachessetpoint.Thenbylearningfromtheresponsecharacteristicsofthefirstcycleitadjustsitselftooptimumtuningparametersbasedonthehistorycreatedinthefirstcycles.Theauto-tunefunctioncontinuesto"learn"fromsubsequentcyclesandreadjustsparametersuntiltheoptimumsettingsforPIDarereached.Sincenotallmanufacturer'sauto-tunecontrollersfunctionthesame,itisadvisabletoconsulttheinstructionmanualbeforeattemptingtousetheauto-tunefeatureforthefirsttime.了解PID限制器TuffeONSiliconDiffusedElectronicMeasurementSystemtheory&practicePID温度限制器是可用的最精密的限制器。具有比例、积分和微分三级限制，功能强大而且价格特别低廉。但PID原委是什么呢?本文将帮助你了解它!菲尔.约翰逊,McShane公司温度本文将简要地介绍一种相对新型的温度限制器——“PID”限制器。正如大家所知,很多设备的特性和表现会随着温度的变更而变更，这使得它们难以在特定的操作中运用。温度的变更是由环境的变更引起的。为了使特性在变更的环境中保持不变，我们必需通过供热或制冷来补偿环境温度的变更。这是由温度限制器来完成的。大多数温度限制器的设备都能供热,或者制冷(chill),使温度保持在某一个略高于或低于环境温度的点。电子温度限制器常用于当受控温度高于环境温度时，通过电阻加热器来变更电流供应。通过限制流过热转换器的冷冻剂的流量，被控装置或材料就能稳定在某一低于环境温度的值。另一种低温限制系统(calledbuckandboost)通过冷却使温度低于期望设定值，然后经限制器加热获得精确的设定温度值。当期望设定值接近环境温度时就须要这种类型的操作。在志向状况下,一旦我们设定了某一区域或设备的温度,在任何时间段内该温度都应当保持不变。不幸地是，我们并不是生活在志向状况下。因此,我们须要温度限制器。假如你视察一段时间中一个受控对象的温度，你将发觉它并不总是在那个精确的目标(设定值)温度。大部分时间中温度会在设定值上下波动。因此，我们就关切它的波动量。一种更新的温度限制器设计用一种精密的方法来削减这种波动。这就是所谓的PID限制器。PID限制器的定义为了了解PID(比例－积分－微分)限制器的操作我们应当回顾一下几个基本的定义。导数-是描述变更率的值。例如,位移的导数是速度。加速度-是速度关于时间的导数。积分－是导数的相反面。加速度的积分是速度而速度的积分是位移。比例-是指某一值相对另一值的变更。比例限制器的输出值是被控温度和设定值之间的差值(或一个关于差值的函数)。当温度远远低于设定值(或期望的温度)时限制器将充分打开。当高于设定值时则充分关闭。限制器的带宽是最高充分打开点与最低充分关闭点在度数上的差值。它就是温度带,或温度的范围,在此范围内限制器的输出值就是比例。带的宽度和中点温度值能通过限制器的调整装置变更。PID操作基于温度的功率输出曲线图是一条位于满输出水平的从四周温度到比例限制带起先值（即限制器输出的低于充分打开时的温度值）的水平曲线，然后倾斜向下(在右边,在一张典型的图中)通过设定值，然后接着向下直到充分关闭时的温度值。当被控温度上升时，它会保留充分关闭时的值(现在,一条在垂直平面上零输出的水平线)。在这个范围内,除非冷却转入否则它将不受限制。在狭窄的带宽内,当带宽被减小时输出曲线在带宽温度范围内会变得更加陡峭。这种陡峭是因为限制器内的放大器被增加了一个更高的增量或是安置了更大倍数的放大器。在这种高增益的状况下，最轻量的误差或者被控温度与设定值之间的差值，都会使限制器的输出曲线发生一个较大幅度的变更。在这种状况下,它是特别敏感的,因此会导致一个被严格限制的温度。由于它更加敏感，它也可能造胜利率输出的更快的变动……如此它可能超过设定值然后再次经过设定值回下来。假如带宽被设置得太窄,温度可能在设定值旁边猛烈地波动，导致限制器的输出中发生不希望的变更。在带宽调整的另一端,带宽是很宽的。这就是说限制器充分打开时的温度和充分关闭时的温度相差很远。此时曲线变更，限制器的功率输出倾斜在比例范围内变更不是很猛烈。这时，限制器的放大器的增益是被设低了的。它引起了信号的一个大的变更导致输出变更。这样温度就缓慢地变更，因此很少或没有机会超调，从而温度是相当稳定的。但是虽然温度相对稳定，它依旧会因为增益不够大而使温度跟不上被控对象四周环境温度的变更以致温度低于设定值。当一股不被期望出现的冷空气扫过被控区域时，这种状况就会发生。因此,必需依据被控温度区域与其四周的状况还有其它热动力学问题例如缺少绝热和热传导性等会导致热量以确定速度丢失的状况调整带宽。在一个绝热良好的区域，热量损失很少，带宽也可以设得比较宽。在可能会有比较严峻的热损失的状况下，带宽可以设得更窄一点。我们须要将限制器调整到稳定和响应时间之间的志向点……在保持稳定的温度和做快速的更正之间。现在我们了解了比例限制。我们也了解了增益和稳定。还有一个更须要了解的是保持在设定温度值的实力。作为一个指定的固定功率设备,通过绝热材料损失的热量使得实际温度会稍微低于良好绝热状况下的温度。这其中的差别就来自于PID中的“I”。它能够通过变更比例带中点(叫做垂距)的位置来手动调整，这样就可以得到你想要的温度。问题是假如热耗设备(绝缘材料)变更和系统起先更快地损失热量时,垂距会发生变更并且你或许当时并不在那里手工调整它。为了补偿这个损失,我们通过观看传感器的温度变更来监控那个温度点的变更。然后我们对变更求导数(得到一个温度的变更率的值——PID中的“D”)加到积分值来生成一个自动调整。在大多数应用处理进程中，温度传感器是插入在热电偶或爱护管中的。这爱护传感器免受环境的影响和更便于撤除和替换。这些设备一般包括头部,联合管和热电偶。智能工业温差电偶和RT标准和电阻温度系数下运用。D都可在现实中任何UnderstandingaPIDControllerThePIDtemperaturecontrolleristhemostsophisticatedcontrolleravailable.Threelevelsoftuning-Proportional,Integral,andDerivative-provideexceptionalperformanceatasurprisinglylowprice.Butwhatisit,really?Hereisanarticlethatwillhelpyouunderstandit!ByPhilJohnson,McShane,Inc.TEMPERATURE

Arelativelynewtypeoftemperaturecontrolleriscalleda"PID"controllerwhichthisarticlewillattempttodescribeinlayman’slanguage.

Asweknow,characteristicsandperformanceofmanydeviceschangewithachangeintemperaturemakingthemdifficulttouseinaparticularoperation.Thechangeintemperatureiscausedbyachangeinenvironment.Toholdcharacteristicsconstantinachangingenvironmentwemustsupplyorremoveheattocompensateforvariationsinambienttemperature.Thisisaccomplishedwithtemperaturecontrollers.

Mostinstallationsoftemperaturecontrollerssupplyheat,orremoveheat(chill),toholdthetemperatureataconstantpointsomewhataboveorbelowtheambienttemperature.Electronictemperaturecontrollersaremostoftenusedtovarythesupplyofanelectriccurrentthrougharesistanceheatertoaccomplishthiswhenthecontrolledtemperatureistobeaboveambient.

Thecontrolleddeviceormaterialcanalsobestabilizedatsometemperaturebelowenvironmentbycontrollingtheflowofarefrigerantthroughaheatexchanger.Yetanothertypeoflowtemperaturecontrolsystem(calledbuckandboost)suppliescoolingtodropthetemperaturebelowthedesiredsetpointandthencontrolsthetemperaturebysupplyingheatviaacontrollertogettheexacttemperaturesetting.Thistypeofoperationisneededwhenthedesiredsetpointisclosetotheambienttemperature.

Inanidealworld,oncewesetthetemperatureofanareaordevice,thetemperaturewouldremainthesameoveranylengthoftime.Unfortunatelywedonotliveinanidealworld.Thus,theneedfortemperaturecontrollers.

Ifoneweretoobservethetemperatureofacontrolleditemoveraperiodoftimeitwouldberaretoalwaysfindthatitemattheexacttarget(setpoint)temperature.Temperaturewouldvaryaboveandbelowthesetpointmostofthetime.Whatweareconcernedabout,therefore,istheamountofvariation.Oneofthenewertemperaturecontrollerdesignsusesasophisticatedmeansofreducingthisvariation.ThiscontrollerisknownasaPIDcontroller.

PIDCONTROLLERDEFINITIONS

InordertounderstandtheoperationofaPID(Proportional-Integral-Differential)controllerweshouldreviewafewbasicdefinitions.

Derivative-isavaluewhichexpressestherateofchangeofanothervalue.Forinstance,thederivativeofdistanceisspeed.

Acceleration-isthederivativeofvelocitywithrespecttotime.

Integral-istheoppositeofaderivative.Theintegralofaccelerationisvelocityandtheintegralofvelocityisdistance.

Proportional-meansavaluevaryingrelativetoanothervalue.Theoutputofaproportionalcontrollerisrelativeto(orafunctionof)thedifferencebetweenthetemperaturebeingcontrolledandthesetpoint.Thecontrollerwillbefullonatsometemperaturewhichiswellbelowthesetpoint(ordesiredtemperature).Itwillbefulloffatsomepointabovethesetpoint.

Bandwidthofacontrolleristhedifferenceindegreesbetweenthehighestfull-onpointandthelowestfull-offpoint.Itisthebandoftemperature,orrangeoftemperature,overwhichtheoutputofthecontrollerisproportional.Thewidthandcenterpointtemperatureofthisbandcanbevariedusingadjustmentsonthecontroller.

PIDOPERATION

Agraphoftheoutputpowerversustemperaturewouldbealevellineatthefulloutputlevelfromambientuptothebeginningoftheproportionalcontrolband(whichisthetemperaturewherethecontrollerbeginstoprovidelessthanfull-onpower).Thegraphofcurrentoutputversustemperaturethenslopesdownward(totheright,inatypicalchart)throughthesetpointandondownwardtothefullofftemperature.Itwouldthenremainfull-off(alevelline,now,atzerooutputontheverticalscale)asthecontrolledtemperatureincreases.Inthisrange,itisoutofcontrolunlesscoolingisswitchedin.

Inanarrowbandwidth,theslopeofthelineinthebandwidthtemperaturerangegetssteeperasthebandwidthisdecreased.Itissteepbecausetheamplifierinthecontrollerhasbeencrankeduptoahighergainorhigheramplificationsetting.Inthishighgaincondition,theslightestamountoferror,ordeviationbetweenthecontrolledtemperatureandthesetpoint,causesalargechangeintheoutputofthecontroller.Inthiscondition,itisverysensitiveandwillthereforeresultinaverycloselyregulatedtemperature.Becauseitismoresensitive,itcanalsoresultinfasterchangesofpoweroutput...somuchsothatitcanovershootthemarkandthenovershootthemarkagaingoingbackdown.Ifthebandwidthissettoonarrow,thetemperaturecanviolentlyoscillatearoundthesetpointcausingundesiredvariationsinthecontrolleroutput.

Attheotherendofthebandwidthadjustment,thebandwidthisquitewide.Thatistosaythetemperaturepointsatwhichthecontrollerturnsfullonandthetemperatureatwhichitturnsfulloffarequitefarapart.Thegraphnowchangessothattheslopeofthepoweroutputofthecontrollerintheproportionalrangeisnotsteep.Atthispoint,thegainofthecontrolleramplifierissetlow.Ittakesquiteachangeinthesignaltoresultinachangeoftheoutput.Thisresultsinslowcorrectionsoftemperature.Thereislittleornochanceofovershootingandthereforethetemperatureisquitestable.Butalthoughthetemperatureisrelativelystableitmaybeoffofthesetpointbecauseofthegainnotbeinghighenoughtokeepupwithchangesintheenvironmentaroundthecontrolledtemperaturearea.Thissituationmayoccurwhenanunexpectedblastofcoldairsweepsacrossthecontrolledarea.

Thebandwidth,therefore,mustbeadjustedaccordingtoconditionsinandaroundthecontrolledtemperatureareaandotherthermaldynamicssuchaslackofinsulationandthermalconductivitywhichresultsinlossofheatatacertainrate.Inawellinsulatedarea,heatlossislowandthebandwidthcanbesetwide.Inaconditionwheretheremaybeconsiderableheatloss,thebandwidthcanbesetnarrower.Whatyouwanttoadjustthecontrollerforisanoptimumpointbetweenstabilityandresponsetime...betweenholdingastabletemperatureandmakingfastcorrections.

Nowweknowaboutproportionalcontrol.Wealsoknowaboutgainandstability.Thereisonemoreconsiderationandthatistheabilitytoholdagiventemperaturesetpoint.

Foragivenconstantpowercondition,heatlossthroughinsulationwillcausetheactualtemperaturetobeslightlylessthanitwouldbeinawellinsulatedheatedarea.Thisdifferenceisthe"I"inPID.Itcanbemanuallycorrectedbychangingthepositionoftheproportionalbandcenterpoint(calledoffset)sotheresultisthetemperatureyouwanttohold.Theproblemisthatiftheheatlossconditions(insulation)changeandthesystembeginstoloseheatfaster,thenthatchangestheoffsetandyoumaynotbetheretomanuallycorrectit.Tocompensateforthis,wemonitorthechangeofthattemperaturepointbywatchingthechangeintemperatureofthesensor.Wethentakethederivativeofthatchange(getavaluefortherateofchangeintemperature-the"D"inPID)whichisthenaddedtotheIntegralvaluetomakeanautomaticcorrection.Inmostprocessapplicationsthetemperaturesensorisinsertedintoathermowellorprotectiontube.Thisprotectsthesensorfromitsenvironmentandfacilitateseasyremovalandreplacement.Theseassembliesgenerallyconsistofahead,nipple-union-nippleandthermowell.SmartindustrialthermocouplesandRTDsareavailableinvirtuallyanycalibrationandresistancetemperaturecoefficient.书目前言第一章硬件电路设计................................................1一、测温电路...............................................1.1热电偶传感器.....................................................热电偶传感器的测温原理.........................................热电偶的种类和结构形式.........................................1.2集成温度传感器..................................................二、放大电路..........................................................2.1集成运算放大器的主要技术指标.....................................集成运算放大器的选用...........................................三、A/D转换器........................................................3.1ADC0809内部结构..................................................总体方案设计图1基于单片机单双路温度测控系统以单片机MCS—51为限制核心、主要由采集模块、显示模块、键盘输入模块组成一个能实现对温度的采样、显示与限制的系统。测温电路采纳热电偶测温柔集成温度传感器，放大电路所用的是集成运算放大器，单片机结合由键盘输入的设定值输出限制电机正反转吩咐，并用LED显示所测的双路温度值。硬件电路设计一、测温电路测温电路主要有电路1和电路2，采纳了热电偶测温柔集成温度传感器。1.1热电偶传感器热电偶在温度的测量中应用特别广泛、它结构简洁。运用便利，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定度。热电偶传感器的测温原理热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该电路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。图中两个接点，一个称测量端，或称热端；另一个称参考端，或称冷端。热电偶就是利用了上述的热电效应来测量温度的。热电偶的种类和结构形式1.热电偶的结构形式为了保证热电偶能够牢靠、稳定的工作，对其结构有以下要求：⑴组成热电偶的两个热电极的焊接必需坚固；⑵两个热电极彼此之间应很好的绝缘，以防短路；⑶补偿导线与热电偶自由端的连接要便利牢靠；⑷爱护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。2.热电偶的种类常用的热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用的标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系，允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套显示仪表可供选用，非标准化热电偶在运用范围或数量级上均不与标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主主要用于某些特别场合的测量标准化热电偶。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。下面是K型分度表：分度/℃测量端温度0102030405060708090-0-0.000-0.392-0.777-1.156-1.527-1.889-2.243-2.586-2.920-3.242+00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68631.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.21743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.398---------温度传感器的选用PT100，又叫铂电阻，热电阻，是一种温度传感器，铂电阻温度系数为0.0039×／℃，0℃时电阻值为100Ω，电阻变更率为0.3851Ω/℃采纳不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，特别经济好用。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～400℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。WRET—02型镍铬—铜镍热电偶（分度号E）是一种袒露式热电偶，适用于测量0~400℃温度范围内各