温度智能控制系统.docx

精品文档毕 业 设 计学生姓名： 学 号： 学 院： 电气工程学院 专 业： 测控技术与仪器 题 目： 温度智能控制系统 指导教师： 评阅教师： 2016 年 06 月 44欢迎下载44欢迎下载44欢迎下载。毕业设计成绩评定表姓 名学 号成 绩专 业测控技术与仪器题 目温度智能控制系统指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。毕 业 设 计 中 文 摘 要人们的生活水平随着科技的进步不断的提高，因此我们所处的生活健康环境一天天的被重视，温度作为我们生活中常见的参数，温度测量的要求越来越高，方式变化也越来越大，现在很多技术工资比如苹果公司推出的智能手表Apple Watch，它就可以直接测量体温；在我们平时的生产生活中也有很多这样类似的人们直接参与的测温方式，但是实际上很多的情况人们并不能直接参与，如果是室外的温度测量呢？要是是有腐蚀性环境的温度测量呢？这些环境的温度测量有时候是经常性的，但是有时人无法到达，此时我们传统的温度测量方式传统的测量工具比如温度计、智能手表等就无法胜任这样的工作。因此我们要创新我们的测量工具和测量方式，WiFi现在被广泛用于生活和生产中，我们可以利用WiFi技术辅助于温度控制系统以实现温度的远程控制，比如用一些远距离的、工厂的一些高污染高腐蚀的环境的温度，我们就可以方便的测量这些难以触及到的环境的温度，并可以把它传输到电脑上进行显示，以便于我们进行更好的控制。本文的温度智能控制系统主要分为两大部分，硬件部分的设计和软件部分的设计，系统的硬件部分以STC89C52RC单片机为核心，由K型热电偶温度测量系统，IGBT电阻炉驱动控制系统，无线传送系统，温度显示系统等组成。文中将会对各硬件系统进行详细地介绍。软件部分主要包括单片机控制程序和计算机显示界面程序。本文中有对部分程序流程图和程序的简单讲解。最后硬件软件相结合就完整的完成了本次设计。关键词：单片机; 远程智能控制; WIFI;系统精品文档毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Temperature Intelligent Control System AbstractWith technological advances constantly improve peoples living standards, day by day the lives, health and environment in which we are seriously, temperature as the common parameter, temperature measurement requirements getting higher and higher, change is also growing, Now a lot of technology wages such as Apple Apples introduction of the smart watch Watch, it can directly measure body temperature; In our everyday life there are a lot of similar people directly involved in the temperature measurement methods, but in fact a lot of people not directly involved in, If the outdoor temperature measurement? If corrosive ambient temperature measurement is it? Sometimes, the ambient temperature measurement is ongoing, but sometimes people cannot be reached, our traditional ways of measuring temperature of measuring instruments such as thermometers, smart watches will not be able to handle the job. Therefore we must innovate our way of measurement tools and measurements, WiFi is now widely used in life and production, we can use WiFi technology to temperature control system to achieve the temperature of a remote control, such as distance, plant some corrosion of high pollution and high environmental temperature, we can easily measure to which those of reach the temperature of the environment. Intelligent temperature control system of this paper is divided into two parts, hardware design and software design, system hardware with STC89C52RC as the core, by k-type thermocouple temperature measurement system, IGBT driving control system for resistance furnace, wireless transmission system, temperature display, system, etc. This paper will detail the hardware system. Software consists of a single chip computer control program, and computer display interface. This article has some program flowchart and process briefly. Finally a combination of hardware and software complete design was completed.Key Words: SCM; intelligent remote control; WIFI; system66欢迎下载66欢迎下载66欢迎下载。目录1 绪论11.1 国内外研究现状11.2 本课题研究的背景和意义32 温度智能控制系统方案设计52.1 系统结构框图52.2 系统硬件原理框图53 温度智能控制系统的控制算法73.1 被控对象的数学模型73.2 模糊自适应PID控制算法设计74 温度智能控制系统的硬件设计134.1 系统硬件原理图134.2 单片机的选型134.3 温度检测电路的设计154.4 驱动电路的设计184.5 无线通信设计214.6 本章小结285 温度智能控制系统的软件设计295.1 软件总体结构图295.2 上位机界面设计295.3 上位机程序设计305.4 下位机程序设计315.5 本章小结336 总结和展望34参考文献35致谢37附录A38附录B441 绪论1.1 国内外研究现状这次课程设计的核心是采用单片机对温度进行控制，那么什么是单片机？单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器(RAM、ROM)、并行I/O口、串行I/O口、计时器定时器、中断系统、系统时钟电路、以及系统总线的微型计算机，如此拥有计算机属性的集成电路芯片，就称为单片机。单片机的出现是一个很重要的发展，它对计算机科技的进步起到了极大的推动作用，它使计算机分为了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两各部分。单片机的兴起与壮大经历了四个阶段，在第一个阶段，当时单片机的生产工艺较为粗浅，那时候的单片机都是双片方式，其功能相对单一。1974年，由仙童公司生产的F8单片机是8位的，实际上只包括了8位CPU、64BRAM和2个并行口；第二个阶段的单片机功能也相对简单，1976年，Intel公司生产的MCS-48单片机，它的问世对单片机的改革和进步起到了极大的激励作用。之后单片机发展到高性能阶段，1978年，Zilog公司退出了Z8单片机，Intel公司在MCS-48单片机的基础上推出了MCS-51系列，这些产品使单片机的性能及应用跃上了一个新的台阶，在此阶段单片机具有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内RAM/ROM容量加大，且寻址范围可达64KB，甚至有的内置了A/D转化功能。这个阶段的单片机性价比高受到了众多用户的推崇，因此它的使用现在也是比较普遍的。第四个阶段就是我们的现在，从8位到16位，再到32位单片机的性能有了长足的进步。集成电路和计算机技术的出现和快速发展促使了单片机的兴起与高速发展。单片机由于有个头小、性价比高、使用便利、工作稳定，使得单片机的兴起与进步为工业工程的技术变革和发展带来了巨大的影响，那么单片机为什么能有有如此影响力？主要是因为以单片机为核心构成的应用系统具有以下几个优点：（1）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。(2)简单方便，易于普及。（3）发展迅速，前景广阔。（4）嵌入容易，用途广泛。18世纪前后自动控制理论开始兴起，自动控制理论发展到19世纪末的时候，经典时域分析法有了长足的发展并得到了较好的总结，自动控制理论的兴起于进步主要经历了三个阶段，我们熟知的经典控制理论是第一阶段，经典控制理论到现在发展的比较成熟，往往在线性定常系统中使用，解决的也都是一些较为简单的问题，比如一些单输入单输出的问题，解决问题的方法是应用以频率特性、传递函数、根轨迹为基础的频率分析法，在工业过程控制领域有着较为多的使用，并有较好的发展前景 1。在自动控制理论的第二个阶段，我们习惯管它叫做现代控制阶段，控制理论在此阶段得到了较为迅速地进步，这样的进步与计算机技术的快速发展有着很大的关系，这样可采用状态空间描述生产的动态过程，可解决多输入与多输出问题，这个理论不但可以解决线性定常系统，还可用于一些非线性时变及一些随动系统。科学技术在不断地的快速的发展，控制理论更被人所熟知和深入的研究，控制的智能化快速兴起，这个阶段称为自动控制理论的第三个阶段，在这个阶段人们对人类的大脑有了更好的研究，更好的掌握了人类大脑的活动情况，进而了解到人们是怎么去进行信息的传送，人们就是因为对这两者研究的相结合，才研制有模仿人脑的控制方法和处理信息的系统 2。我们所说的控制理论其实就是指的经典控制理论和现代控制理论的总和，控制理论的一般特点是对模型进行控制。然而现在随着科学技术的发展被控对象也不像原先那么简单，现在的被控对象的特点主要表现为非线性更强、突变性更强、高噪声干扰、信息数据结构越来越复杂、时间尺度多等，由于被控对象有了这样复杂的特点使得它在用数学模型的描述上越来越困难。但是，对于日益增长的复杂的控制对象，对这样复杂的系统的控制也变得很不容易，如此的话，传统的控制就对复杂的控制对象的控制就显得比较吃力 3。面对着对复杂的控制对象的的控制，可以在控制系统中加入人工智能的理论，控制理论具有较强的理论分析能力的特点，人工智能具有框架结构活泛的特点，如果将两者结合起来，这样必将在对控制对象的控制方面取得长足的进步。随着科学技术的发展，以及今年许多科研成果可以看出，如果将控制理论中的反馈控制与人工智能的研究成果联合起来，我们就可以解决较为复杂的控制问题4。PID控制是我们大家接触控制的人都所熟知的。用这种控制方式去控制对象是一种比较传统的方式，它的控制对象一般比较简单，所处环境也比较单一。在我们熟知的工业工程生产控制当中，PID控制将偏差的比例、积分、微分通过线形组合构成控制量，对控制对象进行控制5。在我们熟知的PID控制中,P、I、D的参数一般是工人们经过多年的生产经验积累而修改的。PID控制是控制理论中的鼻祖理论，较其他控制理论来说，更加的易学易懂，尤其对于初学者来说很容易上手，并且比较稳定，因此PID控制在现在的工业生产中广为应用。但是实际情况并不是我们想象的那么理想，在现实中控制对象一般并不是线性的，也不是一成不变的，通常比较复杂。不可能那么容易地构建数学模型，这样常规PID控制器并完成不了自己想要的功能，而在现实的生产中，参数的调整比较繁杂 6。因此我们要做出改善，如果PID的参数能够自己修改完善就可以解决上述的问题。但是随着科学技术的发展，人们对控制理论更为深入的了解，尤其是微型计算机的出现及快速发展， PID控制器也出现了很多改进型，像基于神经控制的PID控制等，它们的控制效果远远好于传统的PID控制 7。1.2 本课题研究的背景和意义温度是我们平时最常见的一个物理量，它不仅出现在我们日常的生活学习当中，更是出现在工业生产当中，可以说遍及各领域，所以我们更应该精确的掌握我们身边的温度，并能很好的控制它。电热炉使用于各个方面，为我们的生活带来了很大的便利，尤其是在工业生产中的应用，产品的合格与否与温度有着很大的关系，这样温度的检测与控制系统的好坏就显得很重要8。测温涉及到生活中的方方面面，今天气温如何，我们的体温如何，洗澡的水温如何，这些都与温度有关；不仅在生活方面，在工业方面也更是如此，存储仓库的温度应该是多少，锅炉温度该达到多少，孵化场小鸡孵化温度该是多少，这些也都跟温度有关。这样对温度的测量就显得格外的重要。最开始没有温度计只能通过接近热源去感觉温度，这样的测量是相当粗燥的，后来温度计的出现大大改善了测温精度，但是仍有滞后大，不够精确的缺点，直到传感器的出现，温度的测量不再需要人的参与，并且可以实现自动测量跟控制9。之前，总是采用模拟调节器对温度实现控制，然而这种控制有精度低，带滞后等缺点，之后单片机的兴起、快速的发展以及广发的应用，使得对温度的控制效果和控制精度有了很大的提升。对温度的测量传统的工作方式要求测量设备要与控制设备保持较近的距离，或者采用较长的通信线把两者连接起来，总之两者不能分开10。这次温度控制系统的控制对象是电阻炉，以单片机为核心器件；单片机上的数据通过WIFI模块和计算机进行交换，实现了远程温度显示以及远程控制的要求；温度检测电路主要包括温度测量传感器、放大信号、线性化等电路组成；对加热设备的控制采用的是IGBT，IGBT具有开关频率高，工作电流大等优点，IGBT的驱动电路参考M57962L芯片设计11。上边大概的了解了本课题的硬件部分，本课题设计的软件部分，这样的设计不仅能用于这次设计，有时候别的设计也可以使用到应用到了模块化的思想，这样设计就可以使我们设计的软件应用的面更大。本课题使用的控制算法是PID控制算法，它有超调量小，控制精度高，有较强的抗干扰能力，运行起来可靠等优点12。这次设计的控制系统在各个领域都有应用，有很好的通用性，在许多恶劣的工业现场、还有现在流行的智能家居领域有广泛的领域能够实现现场无人操作，这样是远程的检测的，以及远程的控制，进而完美完成了远程控制。在工业生产中，温度的测量环境往往比较恶劣，人们无法接近直接测量以及读取测量结果，为满足上述温度测量需要，设计了一个基于Wi -Fi的温度测量控制系统13，这样的远程控制系统可以实现对室外温度环境、有腐蚀性气体、污染比较高的环境以及人们无法触及的环境的温度并在计算机上显示该环境的温度，并根据设定温度进行智能控制达到要求的温度。但是伴随着无线网络通信技术的发展，让两者分开也并不是不可能，完全可以以无线网络WiFi通信传输温度数据和控制信号，进而实现对被控温度对象的无线温度测量和控制14。2 温度智能控制系统方案设计2.1 系统结构框图这次设计的温度智能控制系统是对大功率的电阻炉进行远程的温度控制，系统的工作原理是通过温度传感器测量出电阻炉的实际温度，将测量到的温度与设定好的温度值取偏差，将偏差值送系统控制器进行处理，最后输出控制信号以对电阻炉进行控制，进而实现了电阻炉的温度控制。系统结构框图如图2.1所示。 2.2 系统硬件原理框图本系统是由STC90C58AD单片机、温度检测电路、温度控制电路、USR-WIFI232-T串口转Wi-Fi模块、微型计算机等部分组成。系统的工作流程是利用K型热电偶测得电阻炉实际温度并把温度信号传输给单片机，计算机通过USR-WIFI232-T直接与单片机相连再通过设定相应的参数就可以实现温度数据的串口传输, 温度信息在计算机上进行处理后再给单片机发送控制命令以实现对温度的PID控制，这样就实现了对温度控制的目的。鉴于本次设计控制对象为1000W的电阻炉，因此温度检测电路选用K型热电偶并配有相应的冷端补偿等电路，对电阻炉的驱动采用IGBT，因为IGBT适用于高频率的开关开断，对于单片机和微型计算机之间的数据传输，通过无线通信模块将单片机的串口数据转化成WiFi信号再通过无线路由器供微型计算机接收15。系统硬件原理框图如图2.2所示。图2.2 系统硬件方框图3 温度智能控制系统的控制算法3.1 被控对象的数学模型这次设计的被控对象是电阻炉。设计目的是要对它的温度进行控制，达到调节时问短、超调量小且稳态误差在士10C内的技术要求。在工业生产过程中，控制对象各种各样。理论分析和实验结果表明:电加热装置是一个具有白平衡能力的对象，可用式3.1所示的一阶惯性和滞后环节来描述。通过拉斯变换得出烘干炉的数学模型用式3.2表示。 （3.1）式中：X烘干炉内温升(指炉内温度与室温温差)K放大系数纯滞后时间t加热时间T时间系数V控制电压 （3.2）式中K被控对象的静态增益 T被控对象的时间常数被控对象的纯滞后时间3.2 模糊自适应PID控制算法设计由PID控制和模糊控制优缺点可知:（1）PID控制和模糊控制都是适应性强的控制方法，可以适应大多数被控对象的控制; (2) PID控制稳态性能好，但动态特性不太理想;而模糊控制动态响应品质优良，但存在稳态性能差的问题; (3)在不知道精确的被控对象的数学模型时，PID控制参数整定困难;而模糊控制使用自然语言方法，控制方法易于掌握，不需要精确的被控对象的数学模型; (4) PID控制不具有白适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳，当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定;而模糊控制鲁棒性好，能够较大范围的适应参数变化。因此，本文是结合PID控制和模糊控制的优点，研究了模糊自适应PID控制器，解决PID控制动态特性不太理想的问题。3.2.1 模糊整定PID控制器原理由于操作者经验不易描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况(即专家系统的输入条件)，运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应PID控制。模糊自适应PID控制器目前有多种结构形式，但其工作原理基本一致。PID自适应模糊控制器的结构图如图3.1所示。图3.1 模糊自适应PID控制器结构模糊自适应PID控制就是在PID控制系统的基础上引入模糊推理机，以系统偏差以及偏差变化率作为模糊推理机的输入，并将PID控制器的三个参数的修正值为输出，实时的根据系统的响应调节PID控制器，以达到较高的控制效果。3.2.2 模糊整定PID控制器设计一般情况下，一维模糊控制器用于一般被控对象，由于这种控制器输入变量只选一个误差，它的动态性能较差。目前被广泛采用的为二维模糊控制器，这种控制器以误差和误差变化为输入变量，以控制量的变化为输出变量。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制精度越高。但是维数越高，模糊控制规则就变得过于复杂，控制算法就难以实现。这或许是目前人们广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在。本系统采用的是二维模糊控制器。1、确定系统的输入输出变量根据模糊PID控制器结构图可知，PID参数的校正部分实质是一个模糊控制器。系统的输入量是设定的温度值，所以这里选择模糊控制器的输入量为温度的偏差e和偏差变化率ec,输出量为PID参数的修正量KP、KI、Kd。它们的语言变量、基本论域、模糊了集、模糊论域和量化因了可见表3-1所示。表3-1各变量模糊化表选择各变量的隶属度函数为均匀三角函数，这根据表3-1作出各个变量的隶属度函数如图3.2所示。图3.2 E、EC、KP、KI、Kd隶属度函数曲线根据上面E、EC、KP、KI、Kd隶属度函数，可以近似的得出各个语言变量的赋值表如下表3-2所示: 变量语言变量-6-5-4-3-2-10123456PBOO0000000000.51PMOO00000000.510.51PSOO000000.510.5000ZOOO0000.510.500000NSOO00.510.50000000NMOO.510.5000000000NB10.500000000000表3-2 语言变量的赋值表2、PID参数模糊调整规则参数模糊自调整PID控制器就是找出在不同时刻PID三个参数与e和ec之问的模糊关系，在运行中不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同的e和ec对控制参数的不同的要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。从传统的稳定性、响应速度、超调量和稳定精度等各方来来考虑KP、KI、Kd的作用如下:根据上节所讲的模糊控制器的结构特点，本文对模糊控制器的输入和输出用“正大(PB)”，“正中(PM)”，“正小(PS)”，“零(ZO)”，“负小(NS )”，“负中(NM)，和“负大(NB)”这七个语启一变量来描述，取隶属度函数为三角形函数，其模糊子集如下: （3.3）PID参数的整定必须考虑到不同时刻三个参数的作用以及相互之间的联系。模糊PID控制设计的核心就是总结技术人员的知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表。根据PID参数作用以及在不同的偏差及偏差变化下对PID参数的要求。 从实际操作过程的角度出发，在调节过程的初期和中期KP适当的增大一些，以提高响应速度。在调节过程的后期，则把KP适当的置小一些，以提高系统的稳定性。由此构成KP参数模糊校正控制表，如表表3-3所示。为了避免产生积分饱和，在控制初期KI应小一些，在调节过程中期，为避免影响系统的稳定性，积分作用应适中。而在调节过程后期，应增强积分作用，以减少静差。由此，构造出KI参数模糊校正表，如表3-4所示。Kd值的选取对调节动态特性的影响很大。实际经验表明，在调节过程初期，加大微分作用，可减小甚至避免超调。在调节中期，过程对Kd敏感，Kd应置小一些。调节过程后期，为了抑制扰动，Kd也应减小。由此，构造出Kd参数模糊校正表，如表3-5所示。下面分别给出了KP、KI、Kd三个参数自整定的模糊控制规则表。KP、KI、Kd参数调整算式如下: (3.4)式中KP、KI、Kd为PID控制器参数，、为PID控制器参数的初始值，根据经验获得，、是通过微机在线运行时根据实时计算的偏差和偏差变化率，通过查询上述规则表得到。表3-3 模糊控制规则表NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表3-4 模糊控制规则表NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3-5 模糊控制规则表NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB 4 温度智能控制系统的硬件设计4.1 系统硬件原理图系统硬件原理图包含了系统的各子系统的硬件。温度检测子系统由K型热电偶温度传感器、放大电路、滤波电路、电压跟随器等组成；IGBT驱动电路由高速光耦电路、正常驱动电路、过流保护电路等组成；无线信号发送电路由STC90C58AD单片机、USR-WIFI232-T Wi-Fi无线模块、路由器等器件组成；无线信号接收电路有路由器、带有WiFi模块的微型计算机等电路组成。系统的工作流程是利用K型热电偶测得电热炉实际温度并把温度信号传输给单片机，计算机通过USR-WIFI232-T接收单片机发送的温度数据, 数据在计算机上进行处理后再给单片机发送控制命令以实现对温度的PID控制，这样就实现了对温度控制的目的18。系统硬件原理图如图4.1所示。4.2 单片机的选型对于这次设计的温度智能控制系统来说，系统中的检测温度、显示温度、控制温度、传输数据等方方面面都要用到单片机，所以单片机是这个系统的核心所在，因此单片机的选型显得也尤为重要。这次温度智能控制系统所用的单片机基于设计的要求选用STC公司出品的STC90C58AD单片机19，选用这款单片机有以下原因：STC90C58AD单片机属增强型8051单片机，它完全具备传统8051的功能，并且STC90C58AD单片机的程序代码与传统8051单片机的兼容。在设计中温度检测电路检测到的温度信号是模拟信号，传统单片机不能识别，需要外置A/D转化设备，为了简化系统硬件的设计，选用的STC90C58AD单片机内置A/D转化电路。STC90C58AD单片机有EEPROM功能，这样就可以片内存储程序，并且可重复擦写；EEPROM的大小为29K，能够装下本次设计的软件程序。温度的测量往往要用到一些干扰性强等恶劣的工业场所，STC90C58AD单片机就具有超强的抗干扰性能。STC90C58AD单片机无需外置复位电路，它内部置有专门的复位电路MAX810，这样在一般的设计中，只需在复位引脚外加上电阻和电容即可，简化了硬件电路的设计。4.3 温度检测电路的设计温度检测电路主要是对温度的检测，并把测量到的温度信号通过一系列的数据处理整定并将其输送给单片机，进而单片机可以对温度数据进行处理并实现控制，因此，温度检测电路在整个电路中占有相当重要的地位。4.3.1 温度传感器的选择在温度测量中，我们经常会用到热电偶，它具有加工简单、结构单一、检测范围大、性价比高等许多优点。另外，由于热电偶是内置电源，不需要格外的加电源，使用简单，因此经常用来测量生产炉、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。常用热电偶可测温度范围为-501600，若用特殊材料，其测温范围可扩大为-1802800。热电偶的型号众多，本设计中发热元件是1000W的电热炉，因此本文选用镍铬镍硅（K型）热电偶。热电偶回路如图4.2所示。 图4.2 热电偶回路热电偶的测温原理：热电偶的温度测量是应用的热电效应。如图4.2所示，将两个相异的导体，或半导体材料A,B连接成闭合回路，将它们的两边端点分别置于温度为T和T0（设TT0）的热源中，则在该回路内就会产生热电势，可用表示，这种现象称为热点效应。可以把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为热端，温度低的称为冷端。热电偶回路中产生的热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。接触电势，大小可表示为： （4.1）式中-导体A、B的接点在温度T时形成的接触电势， -电子电荷，e=1.610-19C; -玻尔兹曼常数； -导体A、B的自由电子密度。温差电势的大小可表示为： (4.2)式中 -导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势；-汤姆逊系数。对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度TT0，nAnB时，回路总热电势: (4.3)在金属导体中自由电子数目众多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度。所以，在同一金属导体内，温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路起决定作用的是接触电势。故回路总的热电势可以近似表示为： (4.4)可以看出，当热电偶回路的一个端点保持温度不变，则热电势只随另一个端点的温度变化而变化。两个端点的温差越大，回路中的总热电势也就越大，这样回路总热电势就可以看成温度T的单值函数，给温度的检测带来了极大的方便20。4.3.2 热电偶的冷端温度补偿很多工业生产过程中既没有长期保持0的条件，也没有长期维持参比端恒温的条件，热电偶参比端温度T0 往往是随时间和所处的环境而变化。这种情况下可以采用冷端补偿器自动补偿T0。冷端补偿器是一个不平衡电桥，桥臂电阻R17=R18=R19=1，其电阻温度系数趋于零。桥臂R16用铜丝无感绕制，其电阻温度系数约为，但温度为0时，R4=1。Rg为限流电阻，为调整补偿器供电电流之用。桥路供电电压位直流4V。当热电偶参比端和补偿器的温度T0=0时，补偿器桥路四臂电阻均为1，电桥处于平衡状态，桥路输出电压U24=0，指示仪表测得的总电势为 （4.5）当T0随环境温度升高时，R16增大，则4点点位降低，使U24增加，同时由于T0温度增高E(T,T0)将减少。通过合理设计计算桥路的限流电阻Rg,使U24的增量恰等于E(T,0)-E(T,TO),那么，所测得的总电势将不随T0而变21。 （4.6）4.3.3 温度检测电路设计在本设计中，温度检测采用的是K型热电偶测温，K型热电偶测温时需要注意一些问题：一方面检测到的模拟信号往往比较微弱，因此需要放大电路进行放大；再有热电偶输出的热电势并不是冷端保持在0下的电势差值，因此热电偶需要冷端补偿；由于本次设计选用的STC90C58AD系列单片机内部集成了A/D转化模块，因此测量得到的温度模拟信号无需经A/D转化再传送给单片机，这样就简化了电路的设计。温度检测电路图如图4.3所示。图4.3 温度检测电路设计温度检测电路原理：电路由低噪声放大器A1、电压跟随器A2、基准电压源、冷端补偿电路等组成，具有对微弱热电偶信号放大滤波、冷端补偿的功能，其内部结构图如图4.3所示。K型热电偶的测量端进行温度测量，放大器A1, A2将热电偶输出的热电势经进行放大和滤波处理，然后补偿热电偶的冷端温度。二极管电压和放大后的热电偶电势送至单片机中由单片机内部ADC进行转换，即可获得测量端的真实的温度。1、 传感器电路：由于测量的温度较高，温度传感器采用的是K型热电偶，它的电压变化率是41V/，线性化通过查表获得，电压的线性化公式来近似热电偶的特性： （4.7）上式中，是热电偶输出电压，为测量点的温度，为周围温度，并且2、放大电路：放大器的输入信号: (4.8)根据电路图可求得： (4.9) (4.10) (4.11)联立方程得： (4.12)3、电压跟随器： （4.13）4、噪声补偿： 电源耦合噪声对测量电路测量温度的精度有较大的影响。在测量电路的电源旁边加一个电容C3（=0.1F）以降低电源噪声对温度电路测量温度精度的影响。5、滤波电路：截止频率的计算公式 （4.14）即： （4.15）所以选取：4.4 驱动电路的设计对电阻炉温度的控制主要手段是对电阻炉的开关进行控制，在日常中开关器件有很多种，基于电阻炉的工作功率为1000W，属于大电流线路，可以采用常用的继电器，但是继电器的缺点是随着控制信号继电器需要频繁的开断，这样继电器的寿命会严重下降，因此，综合各种因素，本次设计对电阻炉的控制选用IGBT（绝缘栅双极晶体管），IGBT是一种新型的半导体的开关器件，IGBT在各种领域中有着相当流行的应用。主要是IGBT具有控制电路功率消耗低，电路结构设计较为简单，可以承受较大的电压与电流，输入阻抗高等特性。并且随着生产工艺的不断发展，各生产商不断优化它的性能，现在推出的IGBT具有超高速的特点，能够跟随着控制信号进行超快速的关断，把关断时间缩短到2000ns以下。4.4.1 IGBT的驱动要求 IGBT的静态和动态特性与其驱动要求有很大的关系。栅极的正向偏置电压+VGE、负向偏置电压-VGE和栅极电阻RG的大小，对IGBT的承受短路能力、开关损耗、开关时间、dVCE/dt以及通态电压等参数都有不同程度的干扰。1、正向偏置电压+VGE的影响当VGE增加时，IGBT的开通能量损耗会随着通态电压的下降而下降；然而VGS不可以任意增大，因为当VGE增大到某个值后，IGBT的负载短路能力会受其负面作用。所以，在使用中，IGBT的正向偏置电压不能过大也不能过小，必须适当，一般多会选在+15V。2、负向偏置电压-VGE的影响IGBT的负向偏置电压同样是IGBT驱动的重要条件，它直接作用于IGBT运行的可靠性。尽管-VGE不明显影响IGBT的关断功耗，然而漏极浪涌电流会随着负向偏置电压的增大而显著降低，这样IGBT就会出现失控的问题。3、栅极电阻RG的影响在电路中往往会串联栅极电阻RG，它可以减缓集电极电流的提高，对栅极控制脉冲的前后沿陡度有影响，但是它的大小也必须有所控制，如果太大，IGBT的打开和关闭所消耗的能量会增多；如果太小，IGBT善作用也许会产生错误导通的问题。所以必须根据实际情况IGBT的电压和电流的大小选择合适的RG，它的大小经常取在十几欧到几百欧。综上所述，想要安全可靠地驱动IGBT，必须要满足以下几个条件：（1）IGBT的中的正向偏置电压要控制在+12V+15V之间，负向偏置电压要控制在-2V-10V之间。（2）要求隔离控制电路和驱动电路。（3）驱动电路应该具有过电流保护功能，电路要简单实用。4.4.2 IGBT的过流保护过流现象是指IGBT集电极电流突然增大，这样如果不及时关断IGBT，IGBT就有可能烧毁。IGBT的过流保护就是指流过IGBT集电极的电流突然增大时，能在IGBT烧毁前把IGBT进行关断。IGBT过流可通过C、E两端电压的大小来判断，当发生过流现象后，也不能突然将IGBT进行关断，因为这样电容会产生很高的反向电动势，这样同样会损坏IGBT，因此应该采取适当地措施是让IGBT在允许的过流时间内缓慢关断。IGBT驱动电路（具有过载保护功能）如图4.4所示。 图4.4 带有过载保护作用的IGBT驱动电路本驱动电路的特点：（1）本电路单电源（24V）供电，可以满足IGBT开断的电压要求，即可提供+15V和5V的驱动电压。（2）驱动电路与控制电路之间采用光电隔离以实现电气隔离。PC817A-C高速光耦是现在市场上和用户使用中比较常用的一种四引脚的光电耦合。选用PC817A-C高速光耦主要是因为它具有很好的线性特性，尤其是在小信号时它的性能能够得到更好的发挥，它的隔离效果具有线性特点。（3）本驱动电路的过载保护采用的是慢关断，这样可以更好的保护IGBT的损坏。4.4.3 IGBT驱动电路的工作过程1、正常工作状态在正常工作时需要IGBT正常导通，高速光耦收到单片机发送的驱动信号（高电平）而截至，24V电压经过有一个压降使集电极电压大于基极电压，这样集电极正向导通，发射极反向导通， 导通，基极电压24V电压经有一个压降，导通原理与相同，进而导通，、的钳位作用使IGBT得G-E两端电压到+15V，此时IGBT正常导通。IGBT需要关断时，单片机提供低电平的驱动信号，此时高速光耦就会导通，这时截至，导通，、的钳位作用使IGBT使G-E两端电压到-5V，此时IGBT快速关断。2、过流状态当电路发生过载现象时，IGBT C-E两端的电压就会增大，电容就会充电，因此它两端的电压就会升高，当电压升高到一定程度之后，就会导通，进而就会导通，这样截止就会导通，又由于有一个慢放电的过程，因此IGBT就会是一个慢关断的过程，从而起到保护IGBT的作用。4.5 无线通信设计4.5.1 USR-WiFi232-T模块在本设计中，K型热电偶检测到的温度数据是通过单片机进而传达到微型计算机，微型计算机发出的控制信号也需要传达给单片机，两者之间如何实现通讯呢？单片机一般通过P3.1口(TxD)发送信号的，通过P3.0口（RxD）接收信号的，但是单片机和微型计算机之间并不能直接传送数据，这就USR-WiFi232-T模块在中间起桥梁作用了。WiFi模块是实现远程控制的关键所在，WiFi模块的功能是发送单片机接收到的温度信号给带有无线模块的计算机，然后再接收计算机的发送的控制信号。本次温度智能控制系统选用的WiFi模块采用的是有人物联网推出的一款经典的WIFI模块USR-WIFI232-T Wi-Fi模块。USR-WIFI232-T无线模块具有以下优点：价格优惠，成本特别低。功率消耗特别低，它的使用功率就为 12mA3.3V，采用常用干电池就可以完成供电。尺寸小巧，适用于嵌入式开发系统，尺寸大小仅为。它有三种工作模式，支持AP/STA/AP+STA共存工作模式。USR-W