温度控制系统设计说明

温度控制系统设计

目录

第一章系统方案论证

总体方案设计

温度传感系统

温度控制系统及系统电源

单片机处理系统（包括数字部分）及温控箱设计

算法原理

第二章重要电路设计

温度采集

温度控制

第三章软件流程

基本控制

控制

时间最优的控制流程图

第四章系统功能及使用方法

温度控制系统的功能

温度控制系统的使用方法

第五章系统测试及结果分析

硬件测试

软件调试

第六章进一步讨论

参考文献

致

摘要：本文介绍了以单片机为核心的温度控制器的设计，文章结合课题《温度控制系统》，从硬件和软件设计两方面做了较为详尽的阐述。

关键词：温度控制系统控制单片机

: .

:

引言：

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文设计了以单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用改进的数字控制算法，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：

()温度控制围为°;

()有加热和制冷两种功能

()指标要求：

超调量小于°；过渡时间小于；静差小于℃；温控精度℃

()实时显示当前温度值，设定温度值，二者差值和控制量的值。

第一章系统方案论证

总体方案设计

薄膜铂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，量化后的数据送单片机做进一步处理；

当前温度数据和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，从而实现温度的闭环控制。

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；经过铂电阻特性分析，在要求的温度围铂电阻的线性较好，所以不必要增加非线性校正电路；采样电压再经过高精度电压放大电路和隔离电路之后输出；另外，由于高精度的需要，电路对电源要求较高，所以采用稳压电源电路的输出电压，并且需要高精度运放。

因为温度变化并不是很快，所以电路对滤波器的要求并不高，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的功能为：转换器输出的电压控制信号，经过电压放大，再通过功率单元提高输出功率后，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、功率输出两部分。

转换器输出的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。另外单片机还输出一个用来控制是加热还是制冷的控制信号。

功率放大电路采用稳压芯片，可承受高输出电流，且端输出电压与端的电压差保持不变的特点，可将控制信号利用运放方向放大后，输入至稳压芯片的端，输出信号的电压围和功率放大至合适的大小。具体设计为输出的控制信号，经上述处理，在端利用继电器，由单片机输出的加热制冷控制信号控制继电器的闭合方向，改变半导体器件的电流方向，从而控制加热或制冷。

系统电源

本设计需要供电的部分有温度采集部分须有基准电压供电，单片机处理系统的数字电路部分需要＋的电源，而实验室的电源会有纹波，故采用稳压芯片自行设计，电路如图，调节可变电阻，即可得到所需的电压。

其中可变电阻是起到分压得作用，避免在上的压降过大，否则发热，会使电压不稳。

U1

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：

①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；

②控制层调用算法，计算出控制量，同时提供人机交互；

③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）的通信参照了微机原理与接口实验中的实验箱电路的连接方法。调用算法的中断采用的是部定时器，可以简化外围电路。

温控箱设计

我们用实验室提供的材料自己设计制作了温度控制箱体。控温箱为正方体铝箱，在其中相对的两个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的其他表面，都贴有保温塑料层，为加强密闭性，尽量减少控制箱腔体积，又要露出全部的半导体制冷片，我们采用的是“工字形”方案，即：将填入铝箱的保温塑料层做成一个无接缝的整体，相对的半导体制冷片的两侧挖空，露出其全部面积，中间留有一个很小的腔体作为温度控制的空间（插入热敏电阻与标准表探头）。

我们采用将箱体放入冷水中的方法解决温控箱的散热问题。

算法原理

、基本算法

其中

和()都是八位二进制数，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。所以必须用最高位作为符号位，和()用位表示显然是不够的。处理方法是在和()前面补一个值为零的字节，以两字节来表示，运算的最终结果结果取位有效位。

基本的算法，需要整定的系数是（比例系数）（积分系数）（微分系数）三个。这三个参数对系统性能的影响如下：

（）比例系数

① 对动态性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当太大时，系统会趋于不稳定，若太小，又会使系统的动作缓慢；

② 对稳态性能的影响加大比例系数，在系统稳定的情况下，可以减小静差，提高控制精度，但是加大只是减少静差，不能完全消除。

（）积分系数

① 对动态性能的影响积分系数通常使系统的稳定性下降。太大，系统将不稳定；偏大，振荡次数较多；太小，对系统性能的影响减少；而当合适时，过渡特性比较理想；

② 对稳态性能的影响积分系数能消除系统的静差，提高控制系统的控制精度。但是若太小时，积分作用太弱，以致不能减小静差。

（）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，提高控制精度。但当偏大或偏小时，超调量较大，调节时间较长，只有合适的时候，才可以得到比较满意的过渡过程。

对系数实行“先比例，后积分，再微分”的整定步骤。

（）首先只整定比例部分。即将比例系数由小到大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应。

（）加入积分环节。整定时首先置积分系数一个较小的值，并将第（）步中整定的比例系数略为缩小（例如缩小为原值的倍），然后增大，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应的好坏反复改变比例系数与积分系数。

（）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，在第一步的基础上，增大，同时相应地改变比例系数和积分时间。

、时间最优的控制算法

采用上述控制算法存在一个问题：当设定值比当前值高很多时，在相当一段时间，控制增量都为正，而且在不断的积累增大；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；要用负的控制增量抵消以前积累的正控制量，需要的时间较长；这正是产生超调量的根本原因。当设定值低于当前值时情况类似。

为解决这个问题，采用了时间最优的控制算法。

时间最优的控制即开关控制（控制）与控制相结合的控制方式。其思想是：开关控制即指在当前值与设定值偏差较大的情况下，控制系统进入“开”或者“关”两种状态。具体到本系统，就是指当前温度和设定温度差别很大时，要么全功率（最大电压输出）的加热，要么就全功率的制冷。

当前值与设定值相差在阈值α以时，采用算法计算输出控制量；当在α以外时，则直接输出最大值作为控制量，不再调用算法,不做控制量的累加。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－温度采集电路

用电桥采集温敏电阻值的变化，考虑到是小信号的放大，所以选择仪表放大电路，并且选择高精度，低温漂的运算放大器。

电阻为薄膜铂电阻，与在电桥的两个臂上，将铂电阻的电阻转换为电压信号的放大倍数定为倍，的作用是调节放大倍数，使输出电压为

调节过程：

、把铂电阻定在度的阻值欧姆，调节，使输出为。

、把铂电阻定在度的阻值欧姆，调节，使输出为

、采用一阶滤波，目的是滤出高频得噪声干扰，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的电压控制信号(～) 用一个运放构成的反向放大器转移到电平～，然后通过小功率稳压芯片降压。这是因为经稳压芯片ＬＭ，电压至少会提高（－再经过扩展）。在调试过程中，调节的阻值，便可调整反向放大器的增益，从而调整输出电压的围。

. 控制电路：具体电路包括由两片构成的功率放大，以及由继电器构成的输出电流方向控制两部分，如图－所示。

电路说明：（）单片机的串口的输出经过继电器的驱动芯片，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的电流方向。

（）控制电压信号经放大分压后输入的端，和可用来调整零点。

（）由于的和端至少需要的压降，而半导体制冷器件最多承受的电压，故两路输入电源输入采用＋的大功率电源。

图－功率输出电路

U1

R31k

R41k

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，是完成的反馈信号。

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 算法中的数据： 采样温度 控制量

控制量的方向 设定的温度 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