恒温箱温度控制系统的设计【采用STC12C5A60S2单片机-独家毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】
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第 I 页 摘 要 在此次设计中，主要是设计一套能够精确控制温度的恒温箱温度控制系统。该系统能够实时、自动、准确的测量恒温箱内的温度，然后通过加热和降温将温度控制在设定的误差范围内。 恒温箱在各个领域里都有很重要的意义，但其控制系统又较为复杂，基本上不可能用数学的方法建立准确的模型。当前是用经典控制和智能控制两种控制算法相结合的方式对温度进行高效的控制。 我们采用 片机作为核心控制器，温度测量采用数字温度传感器，使用 制，输出控制用量的调节用的是可控硅触发端的通断，从而实现对温度的控制。温度在一定范围内可以由人工调节，并能在环境温度降低时实现自动调整。这样将单片机结合使用，可以将整个控制系统的精度提高，将误差减小。 法是经典的控制算法，在实际的控制中有着很高的地位。 法相对简单，控制精度高。但是 节的参数无法适应系统很长时间，需要对参数不断的整定，以达到更好的控制效果。该算法最重要的是怎样合理有效的整定其参数，针对这种情况我们就要对 其进行仿真建模，通过 到更好的解决方法，以免浪费不必要的时间，有效的提高了设计效率，也使控制性能可以达到预期的效果。 关键词： 恒温箱；温度控制； 第 is to a of of is in in by a in to in it is to a is By an on is is as is by ID on of is by is be it of ID of is a It a in ID is of in to a ID a to in a is it a in we to In to a is 林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 目 录 摘 要 . I . 言 . 1 1 绪论 . 2 题背景，目的和意义 . 2 内外研究现状 . 2 展方向 . 3 章小结 . 3 2 恒温箱温度控制系统的总体设计 . 4 温箱温度控制系统设计的研究内容与基本要求 . 4 . 4 . 4 温箱温度控制系统的基本 工作原理 . 4 制方案的选择 . 5 P） . 5 . 6 . 6 . 7 . 8 . 8 . 8 章小结 . 9 3 恒温箱温度控制系统的硬件电路的设计 . 10 器件的选择 . 10 . 10 . 10 . 11 压器的选择 . 11 . 12 . 12 . 13 片机电路的设计 . 13 示电路的设计 . 14 键电路的设计 . 15 警电路的设计 . 16 压电路的设计 . 16 零检测电路 . 17 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 热器件驱动电路 . 18 . 18 控硅介绍 . 18 控硅驱动电路设计 . 19 电偶信号处理电 路 . 20 . 20 . 20 . 21 拟样机硬件的制作 . 22 . 22 4 温度控制系统的软件设计 . 23 测模块设计 . 23 . 23 . 24 制模块程序设计 . 24 示模块程序设计 . 25 . 26 统整体设计 . 26 拟样机的软件设计 . 27 章小结 . 27 5 恒温箱温度控制系统的建模与仿真 . 28 温箱温度控制系统的数学建模 . 28 制系统的仿真 . 28 . 28 . 29 . 29 章小结 . 31 6 总结 . 32 论 . 32 得体会 . 32 谢 辞 . 33 参考文献 . 34 附录一 模拟样机程序 . 35 附录二 元器件清单 . 38 附录三 模拟样机的温度控制系统的 . 39 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 38 页 引言 恒温箱的应用非常广泛。其工作就是保持温度的恒定，从琐碎的日常生活到精准的科学研究；从能源、化工到医用、军事；从工业生产到农牧业的需要。可见，恒温箱无处不在。 在当今社会，由于科技快速进步，国家经济水平的高速发展，以及大众对恒温箱的需求的增长，所以就对恒温箱提出了更高的要求。不仅要控制的精度越来越高，还要经济实惠，更希望恒温箱有一个温度控制的范围，可以让用户自己设置自己所需温度，以满足不同用户的不同需求。 一般的温度控制方法都是设定一个数值为温度的临界点，超过误差允许的范畴则要进行温度调控。本方法容易操作，价格适中，但结果不理想，控温精度不高，需要较长的时间才可以到达稳定点。因此，它只适用于对精度要求不高地方。 本次毕业设计中，该系统的作用就是实现对温度的控制与 监测。我们的核心控制器是单片机。用单片机进行 算，可以最大程度的展示软件的灵活性、且容易操作，可以让系统变得更稳定一些。 单片机是每个控制系统中不能缺少的重要组成部分，已广泛地应用于各个领域。能及时的处理数据，可以使系统在最佳状态下工作，并使控制精度整体提高。又因为单片机有功能强大，反应灵敏，尺寸小，能耗低，性价比高等优点，因此其市场占有率在日益增加。 制器原理相对容易一些，且适应性好，鲁棒性强。因为其 P、 I、 D 各自独立，研究工作者可以根据自己的需求来进行组合，整定 参数又相对简单。因此 在众多领域里都有广泛的应用。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 38 页 1 绪论 题背景，目的和意义 随着社会不断发展，科技快速进步，以及恒温箱在诸多领域的应用，智能控制与经典控制相结合的控制方式已然成为温度控制系统的主流方向。温度在诸多领域里都是极为重要的参数，但对其实现高精度的控制是有一定难度的，但温度又是一个和生活密不可分的实际问题。鉴于这是实际状况，所以设计恒温箱温度控制系统是有广阔的前景和实际意义。 在日常生活中，可以用来保存食物；在工业中，可以保存工业原料以及对一些产品的测试，其控制效果的好坏会对产品有直接的影响；在农牧业中，可以育苗，可以饲养生物；在科研机构可以培养细胞；在生物研究中，可以为无菌试验创造有利的条件；某些高端电子设备的正常运行需要一定的温度环境。这些都是恒温箱在各个领域里发挥的作用。由此可见，恒温箱有着举足轻重的地位。 在当今大环境下，市场与技术息息相关，同时技术在开发产品方面又起着决定性的作用。如今有关恒温箱温度控制的产品，成为大家研究开发的热点。随着科技的日益发展，单片机技术越来越 成熟，覆盖范围也越来越广。并且以单片机为核心的控制系统可以克服控制系统的容量滞后问题，这就让控制系统的精度得到了的改善。其良好的控制效果也对安全高效的生产、环保事业、经济的稳步发展起到了十分显著的作用。因为温度控制系统的普遍性，温度传感器的种类也在随着它的发展而不停的增加，以此来满足越来越多元化的需求。 本设计的内容是恒温箱温度控制系统，温度是控制目标。无论在生活中还是工业中，温度控制系统都被广阔采用，例如在发酵箱、工业产品检测、无菌实验环境都需要温度控制。所以本次毕业设计的目的是设计一种恒温箱温度控制系统 ，在价格较低的前提下，争取实现控制精度高，实时性好等功能。 内外研究现状 随着 科学技术 的 不断 发展， 恒温箱温度 控制 被广泛应用到各个领域 ， 获得了社会各界的认可 。在不同的 情况下 ，由于 被控对象的差异 、 期望效果 、 经济 等因素，需要 根据实际状况 设计系统 的 结构和功能， 使系统达到最优控制 。其中， 恒温箱温度控制系统 在工 、商业 中是一个重要 的 研究 对象 。 从上世纪 70 年代开始，国外就已经开始研究温度控制系统了。到了 80 年代后期 ，因为工业发展的需求，尤其是微电子、计算机技术的快速成熟，还有设计方法的发展等一系列因素的推动下， 国外的温度控制系统发展迅猛。智能化等在科技中也有较大的成桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 38 页 就。当下，一些技术成熟的大国已经实现了自动化，可以生产出性能良好的商品。 现如今，国外的温度控制系统正在向着全自动，无人化方面前进。我国开始研究温度控制系统是在上世纪 80年代。对于控制有难度的温度控制系统的技术，国内的技术水平还不是很成熟。尽管在国内的诸多行业中都普遍的应用温度控制系统，但是从技术层面来讲，整体发展水平有限，与技术先进的国家比较，我们依旧存在着很大的差距。国内温度控制系统的发展水平距实现工厂化还有很长的一段路要走。在我们实际生产的过程中 ，还存在着很多问题，这需要我们更加努力的去研究。 温度是一个大家被所熟知且十分重要的过程变量，很多的物理，化学过程都会受到它的直接影响。恒温箱温度控制系统被广泛的应用到各个行业中，因为参数多变，滞后等问题，所以对调节器的要求比较高。如果温度控制的效果不好也许就会引起生产安全，产品产量等很多的问题。由此可见，温度控制十分重要，但在这过程中会碰到一些意料之外的困难。这就要求我们全身心的投入其中，解决所有的问题。 展方向 现如今，温度控制系统正在以一匹黑马的姿态在全球范围内快速的发展，在这方面的研究中， 国外的技术已经相当成熟了。但是，我国也是近几年才出现了一些精度比较高的温度控制系统的产品，但是价格偏高。所以如何生产出可靠性高，控制精度高，生产成本低的恒温箱是我们要重点研究的。 章小结 该章节是论文的开篇概述，详细的描述了此题目的背景、目的及意义；介绍了恒温箱温度控制系统国内外的现状以及发展方向。阐述了恒温箱温度控制系统市场的需求，利用 制和单片机可以将恒温箱温度控制系统的性能有所提高。对下文做研究提供了一定的方法。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 38 页 2 恒温箱温度控制系统的总体设计 温箱温度控制系统设计的研究内容与基本要求 恒温箱在农牧业、医疗、科研和食品生产加工等领域有广泛的应用。这些领域对温度的稳定性要求很高。恒温箱温度控制系统的核心问题就是精准的控制温度。当下，测量装置普遍采用温度传感器采集温度，但是在一般的环境中，温度会被其他的外界因素影响，而且难以校准。由此可见，温度是一个很难准确测量的一个参数。用一般方法检测的话测量误差大、测量时滞长。目前，恒温箱温度的智能控制主要用单片机来实现。 设计恒温箱温度控制系统，规定一个误差所允许的范围，并能在环境温度下降时能够实现可以自动调整，以保持温度不变。具体要求如下： （ 1） 恒温箱 电热温度控制系统的输入电源为单相 220V，电加热额定功率 5 （ 2） 测温范围在室温至 200， 精度在 1以内。 （ 3） 恒温箱对加热电源电流的传递函数为 ，采用 节器设计恒温箱 电热温度控制系统；选择单片机作为控制器 。 温箱温度控制系统的基本工作原理 现对该系统的原理进行介绍，控制原理图如图 2示。 图 2统原理框图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 38 页 温度控制系统是一个过程控制系统。对于该系统来说，单片机是其核心。开始时，我们会通过按键设置我们想要的温度值，并将其传送到单片机中，然后会在 温度的规定值设置完成后，单片机就会启动输出控制模块，使加热模块开始工作，与此同时， 同步显示温度传感器采集到的温度，一旦温度传感器采集到的温度达到了我们设定的温度上限，这时，声光报警开始工作：即发出声音。同时，加热模块停止工作。不加热的时候，温度值一定会变小，当温度值下降到超过误差所允许的范围时，单片机将会再一次启动加热模块，让它 继续加热到我们最初的设定值。这样的循环往复，便达到了恒温箱温度控制的目的 制方案的选择 虽然不同形式的控制器，它的结构和工作原理不同，但按照经典控制理论，基本的控制规则有且只有 3 种： P 调节、 I 调节、 D 调节。这些控制规则可单独使用，但是更多的地方采用的是组合的形式。例如： 比例调节、比例积分调节和比例积分微分调节 1。 不同的控制规则适应不用的生产要求。要选用合适的控制规则，就应该先了解控制规则的特点和适用条件。根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才可以做出最正确的选择。 P） 比例控制独自作用于系统时也可称该控制为“有差控制”。这时，只要输入的被调量偏离其给定值，调节 器便会立即做出相应的控制作用，偏差的大小决定着输出信号的大小。 在实际生产中，应根据具体的情况来确定比例度的大小。如果比例度取得过大，则系统的抗干扰性能就会变弱，所以会导致控制作用不明显，甚至系微乎 其微。系统的余差过大，控制效果不好，也就谈不上控制作用了。相反，比例度过小，控制作用会变强，这样就会使得系统的超调量变大，从而使控制系统稳定性变差，易引发振荡。 若遇到的被控对象反应迅速，放大倍数比较大的，选用的比例度就要小一些，这样可以增加系统的稳定性，提高控制精度。反之，就要选择比例度较大的，这样的话，不仅可以增加系统的灵敏度，而且还可以使得系统的余差减小。 由于比例控制单独作用时，存在着一些弊端，比如：抗干扰能力差、波动范围过大等缺陷，所以它只适合运用在一些特定的对象上，比如在扰动小、滞后较小、负荷变 化不明显、允许被控对象在某个范围中变化的场合使用。这种控制规律被广泛的应用在工业中。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 38 页 如果某一系统单独使用比例调节时，只要系统有偏差出现，调节器便会立即做出反应，通过调节后使偏差减小。假如系统中不存在偏差，那么其的输出就为零。所以，如果只是用比例调节，就不可能实现无静差调节。 要消除静差，最好的方法就是采用积分控制器，因为它对偏差有积分作用 2。积分调节器的优势在于只要系统有偏差存在，其调节作用就不会间断，直到消除偏差为止。当偏差被消除后，由积分控制器的特点可知输出将会停留在新的位置，所以才能保持偏差为零。 虽然积分作用可以消除余差，但是其缺点是动作过于迟缓，因为它有着一定的积分时间，不能马上对被控量的细小变化做出反应。如果我们调节静态准确度，由于积分不能马上做出反应，就会让调节的动态品质变坏。所以一般情况下不会单独使用 积分调节，总是把它和比例结合在一起使用。这样就构成了比例 积分控制。这样二者兼容，取长补短，就可以把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来了。所以 制可以达到比较理想的控制效果。 比例 积分调节是当下应用范畴比较大的调节器。一般在液位、流量等系统中使用。因为积分作用可以消除静差，可以将比例控制的缺陷掩盖，达到良好的控制效果。但是在一些特定的情况下，积分作用可能会让系统的稳定性变差，就比如，如果某系统存在惯性滞后的现象，就尽可能的不要选择 制。 对于有时 间滞后控制系统来说，比例 积分控制也许无法达到预期的效果。对“时间滞后”作进一步的解释，也就是：当被控变量受到外界的干扰，被控变量没有马上做出反应，而是有一定的延时。例如容量滞后，此时的 制就表现的迟缓，不灵敏。由此，可以设想的是：能不能有一个按照偏差的变化走向，使其做出相对的控制动作呢 ?就好像经验丰富的工作人员，既可以按照偏差的大小来调整比例作用，又可以按照偏差变化的速度来估计可能会出现的状况，提前做控制工作。这就是微分控制的特点：即具有超前调节作用。输入误差的变化率决定了微分调节器输出的大小。 微分输出和偏差的变化速度是正比例关系，而且微分输出与偏差的其他因素均无关系。假如有一个固定不变的偏差，不管其数值的大小，只要没有变化，微分输出肯定为零。假如某系统中微分时间为零，则微分作用就没有存在的必要了。因此，我们要根据实际需要去选择微分时间。 除此之外，微分控制系统作为一种比较有效的控制，它有着自己一些优点：首先，微分控制执行的速度很快，比起其他的控制方法来，所花的时间都要少很多；其次，它桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 38 页 还具有超前的调节功能，所以，采用微分控制可以有效的改善被控制对象有比较大的时间延迟的作用。同时，微分控制也是有着自 己的局限性，比如，它不能有效的消除余差，而且更糟糕的是，它对于那种偏差是恒定的输入量来说，压根就没有控制作用。所以正是因为微分控制的这个致命的局限性，我们在选择控制方法的时候，不能单一的选择微分控制来使用。 正是因为微分控制有局限性，不能单一的运用，与之相比之下，比例控制和微分控制的结合，作用和效果就比较可观了。首先它们的运行速度是高速的，比之单独的比例或者微分作用都要快上很多，一般都能达到几倍以上，这样就可以使得系统执行的效率高上很多，特别是对于那些容量滞后的被控对象来说，就有着很大的改善作用，它可以很有 效的控制偏差，使之幅度减少，使得系统的实用性都得到很大的提高。同时，比例微分的结合，大大缩短了控制的时间，所以它更能精准快速的采集被控量的变化，以达到实时监控、精准控制的目的，使得控制系统的控制质量得到显著的提高。 比例积分微分控制是一种实用性很强、控制性能最为理想的控制规律。 制集合了比例、积分、微分控制这三者的优点，简单来说，就是 制既具备了比例控制的迅速和及时，还具有积分控制的消除余差的能力，又有微分控制的超前调节功能，是三者结合的产物，弥补了比例积分 控制、比例微分控制的短板，所以 制在现实生活应用中应用很广泛，在工程实际中也是备受青睐。 当输入的偏差量出现阶跃变化时，微分环节就会马上做出反应，目的是抑制这种偏差跃变。与此同时，比例环节也会对这种偏差进行抑制作用，以达到抑制偏差的目的，因为比例环节的快速反应，还能起到令系统更加稳定的作用；当微分环节和比例环节作用之后，会产生比较大的余差，这时候积分环节就会开始作用，将余差给克服掉。所以这三种控制规律的充分结合，会使控制效果达到最佳。 在控制系统的发展历程中， 产使用性最高 的控制规律。与我们工程实际密切相关，是工程设计中经常要用到的调节控制规律。当选择合适的作用参数，也就是要比例参数、积分参数和微分参数设计得当，就可以使三者的优点充分结合，使得系统的控制效果更加理想。 综上所述，可以看出 节器集三者之长于一身，所以本次设计要采用 节器。它的本质就是将输入的数据按照函数关系来计算。其结构如图 2示： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 38 页 其数学模型如式 2示： u(t) = e(t) + 1e(t)d(t)TD de(t) （ 2 其中 比例系数、 积分系数、 微分系数。 其传递函数的表达式如式 2示： )=+ 1 （ 2 在工程实际中，最为大家认可的就是 节，即比例 积分 微分控制。 制器以结构相对简单、可靠性强、易调节等特点在工业控制中有着十分重要的地位。尤其是被控对象的结构和参数不可以被完全掌控，或者不能建立精准的数学模型， 其他的技术控制理论 也 难以使用 ，控制器只能用经验和现场调试来解决时， 法是最简便的 3。 节器参数 的整定是整个控制系统的最为关键的内容。它是依照被控过程的性能特点来确认 节器的各项参数的大小。 节器的参数的整定总的来说可以分为两种： 一种是理论计算整定，它包括了： 图 2构图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 38 页 （ 1）稳定边界法 又被称为临界比例度法。当一个比例调节系统的被调量为等幅振荡时，根据经验可以求出该调节器的参数。这种方法在下面两种情况下不宜采用：一种是临界比例度过小，对生产工艺不利或不容许；另一种是工艺上要求的条件较为严苛时，等幅振荡将影响生产的安全。 （ 2）反应曲线法 用该方法整定调节器的参数应先测定对象的动态特性，即飞升特性。根据该特性曲线找出某几个可以有代表性的参数，之后就可以用这几个数据整定出调节器最佳参数。 （ 3）衰减曲线法 被调量偏离工作点不大，不需要把调节系统推进到稳定的边界，也可以求出比例度，因而比较安全，易操作。 但是这几种方法都要依靠数学模型，经过计算才可以准确的得出控制器的参数。即使计算出准确的参数，也还是有可能不可以直接用的，一定要经过工程实际来调整修改。 另一种是工程整定方法：它靠的是工程经验，可以在控制系统试验中直接进行。而且方法简便、易操作，广泛应用于各种实际工程中。 章小结 本章主要介绍了本次设计的内容，设计的主要要求。并且对控制整定方法进行了较为详细的分析和比较，选出最佳的控制方案，同时阐述了该
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