反馈式工业温度控制系统的设计与实现

第7 卷第2 3 期2 0 0 7 年1 2 月 1 6 7 1 1 8 1 9 2 0 0 7 2 3 6 0 8 0 0 4 科学技术与工程 S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n g V 0 1 7N o 2 3D e c 2 0 0 7 2 0 0 7S e i T e c h E n g n g 化工技术 反馈式工业温度控制系统的设计与实现 杨述斌 武汉工程大学电气信息学院 武汉4 3 0 0 7 3 摘要反馈式温度控制系统以单片机作为控制核心 通过软硬件设计控制现场温度与要求的温度曲线同步 以满足工业现 场对于温度的要求 通过实际测试表明 设计的温控系统响应时间短 9 要求的温度曲线吻合 是一种成本低 实现容易 便 于应用于实际工业生产的系统 关键词温度控制反馈单片机 文献标识码T Q 0 5 6 1 1 文献标识码A 温度作为工业中的一个重要参量 是工业生产 和科学实验中的重要参数 在电子 化工 冶金 医 药 航空等领域里 温度在产品的测量 制备 分析 等很多方面起着很重要的作用 它的高低直接影响 到许多产品的质量及使用寿命 同时 没有有效办 法控制的温度会给工业样品的环境带来不确定性 给样品的分析带来困难 因而研究和设计高性能的 温度控制系统具有非常重要的意义 而温度因其 天生的迟滞性 受外界干扰很大等特性给温度的控 制带来了很大的困难 目前 单片机已普遍地应 用于生产过程的自动控制领域中 单片机以其体 积小 价格低廉 可用其构成微机控制系统中的智 能控制单元和可靠性高等特点 受到广大工程技术 人员的重视 本文的温度控制系统就是以单片机 作为控制核心进行设计心 3J 设计硬件电路来实现 温控的硬件平台 通过软件控制温度的变化与要求 的温度曲线同步 以满足工业上对于温度的要求 通过实际实验测试表明 本文设计的温控系统响应 时间短 与要求的温度曲线吻合 经济性高 适宜用 于实际工业生产进行温度控制 2 0 0 7 年8 月9 日收到湖北省教育厅重点科技项目 I 2 0 0 7 1 5 0 0 3 资助 作者简介 杨述斌 男 1 9 7 1 一 副教授 硕士 研究方向 信息处 理与自动控制 E m a i l y s h u b i n 1 6 3 c o r n 1 硬软件设计与实现 本设计主要用于工业上的温度控制 以工业实 际所需的温度为依据 设计的温控系统控制调节工 业现场的温度 使其尽可能好地吻合实际所需的温 度 本文要求控制精度为1o C 响应时间尽可能短 由此设计要求设计的整体框图如图1 所示 系统的 温度输入模块把外界设定所需的温度要求输人给 单片机 温度采集模块完成外界现场控制区域的温 度采集与转换 温度控制模块则在对比输入的所需 温度与外界实际采集的温度基础上 进行相应的控 制操作 完成对现场温控区域的实际温度控制 显 示模块显示以上的各类数据信息 各个模块通过 单片机统一控制实现温控 具体各模块设计如下 单 片 机 图1 系统框图 1 1 单片机 本设计选用W 7 8 E 5 8 B 单片机 4 1 W 8 E 5 8 B 是全 静态设计 带有I S P 功能的F l a s hE P R O M 4 0 个管脚 万方数据 2 3 期杨述斌 反馈式工业温度控制系统的设计与实现 6 0 8 1 的8 位C M O S 微处理器 I S P 功能的F l a s hE P R O M 可用于固件升级 它的指令集同标准8 0 5 2 指令集完 全兼容 W 7 8 E 5 8 B 包含3 2K 字节的主R O M 4K 字 节的辅助R O M 位于4K 字节辅助R O M 中的装载 程序 可以让用户更新位于3 2K 主R O M 中的程序内 容 5 1 2 字节片内R A M 4 个8 位双向 可寻址的I O 口 一个附加的4 位I O 口P 4 3 个1 6 位定时 计数 器及一个串行口 这些外围设备由8 个中断源和2 级中断能力的中断系统支持 同时 为了方便用户进 行编程和验证 W 7 8 E 5 8 B 内含的R O M 允许电编程和 电读写 一旦代码确定后 用户就可以对代码进行保 护 W 7 8 E 5 8 B 有两种节电模式 空闲模式和掉电模 式 两种模式均可由软件来控制选择 空闲模式下 处理器时钟被关闭 但外设仍继续工作 在掉电模式 下晶体振荡器停止工作 功耗降至最低 外部时钟可 以在任何时间及状态下被关闭 而不影响处理器运 行 它的各个管脚描述见文献 4 1 2 温度输入模块 在整个设计过程中 键盘的作用是至关重要的 首 先键盘要控制显示屏不同界面的切换 其次设定所需 的温度变化曲线也是通过键盘实现的 键盘的初始状 态是高电平 当单片机I O 送低电平 按键开始工作 采用4 个键对整个键盘进行控制 它们的工作流程 是 整个硬件电路接通电源后 显示屏显示第一屏 按 键K 1 进入第二屏 此时键K l 的作用是清零 进行温 度的设定 假如温度设置不当 可按此键修正 I 2 是 递增键 硒是递减键 每设定一个温度值 按键K 4 温 度设置为三个时段 所以K 4 键需按7 下 然后进入第 三屏 温度在变化时 此时按键无效 键盘在具体操 作过程中 按键在按下和释放之间会出现一个抖动现 象晗 去抖动时间是接受第二次按键之前必须经过的 时间间隔 消除按键抖动的影响可通过硬件电路或软 件加 个延时即可口 在本设计中 采用软件延时实 现 在判断有键按下后 用软件延时的方法 至少延时 1 0 脚 再判断键盘状态 如果仍为有键按下状态 则 认为有 个确定的键按下 否则作按键抖动处理 1 3 显示模块 显示电路采用的是由大连东显电子有限公司生产 的E D M l 2 8 6 4 2 1 液晶显示器 5J 它是一个1 2 8W 6 4h 全点阵 8 位串行数据输人接口 模块由L C D 显示 屏 控制器 列驱动器组成 控制电路主要由指令寄存 器 I R 数据寄存器 D R 忙标志 B F 显示控制触 发器 D F F X Y 地址计数器组成 W 7 8 F 5 8 B 单片机 P 0 数据口直接与液晶显示模块的数据口连接 W 7 8 E 5 8 B 的P 2 2 一P 2 7 直接相连到E D M l 2 8 6 4 的4 5 6 1 5 1 6 1 7 脚 功能为液晶显示模块的复位 使能信 号 读 写控制信号 左半屏和右半屏 1 4 温度采集模块 该部分主要完成对温度信号的采集和转换工 作 由单线数字温度传感器D S l 8 8 2 0 6 及其与单 片机的接口部分组成旧J D S l 8 8 2 0 是由美国D a l l a s 公司推出的单线数字温度传感器 具有与A D 5 9 0 相 当的测量范围和精度 D S l 8 8 2 0 提供9 位 二进 制 温度读数 指示测量的温度 信息经过单线接 口送人D S l 8 8 2 0 或从D S l 8 8 2 0 送出 因此从主机 C P U 到D S l 8 8 2 0 仅需一条数据线 D S l 8 8 2 0 所需 的电源可以由数据线同时提供 因为每一个 D S l 8 8 2 0 在出厂时已经给定了唯一的序号 因此任 意多个D S l 8 8 2 0 可以存放在同一条单总线上 这允 许在许多不同的地方放置温度敏感器件 正因为 采用D S l 8 8 2 0 芯片 温度测量电路变得非常简单 D S l 8 8 2 0 就像三极管一样 有一根地线 一根信号 线D Q 和一根电源线 通过D Q 线与单片机的一根 I O 线相连 就能实现单片机对D S l 8 8 2 0 模式控制 温度值读取等操作 需要特别说明的是 D S l 8 8 2 0 是在严格的时序控制下正常操作的 所以通过软件 在简单的硬件接口上实现 具体的温度采集转换 流程如图2 所示 1 5 反馈控制模块 反馈控制模块的工作原理是 首先设定所要求温 度的变化曲线 设定曲线时要注意先设定升温 然后才 能设定制冷或恒温 温度传感器D S l 8 8 2 0 每隔18 对 加热棒进行温度采集和转换 将测量结果五送给单片 机 单片机将输人的温度值和内部指定单元的给定温 度值死进行比较 若T l T o 则单片机送P 1 5 P 1 6 为低电平 光电耦合器T L P 5 2 1 l 导通 如图3 所示 万方数据 科学技术与工程7 卷 图2 温度转换流程图 图3 直流控制电路 驱动器U L N 2 0 Y 3 驱动继电器工作 加热棒的电源被接 通 加热棒启动 进入加热阶段 开始升温直到五 r o 或当计数时间间隔达到加热时问时 单片机送P 1 5 P 1 6 为高电平 光电耦合T L P 5 2 1 1 截止 加热棒停止 工作 至此 完成了一个加热阶段 如果温度传感器 D S l 8 8 2 0 采集到的温度值正大于瓦 首先停止加热棒 的工作 单片机送P 1 7 为低电平 风扇启动 开始降温 直到现场温度与设定温度相同或计数时间间隔达到降 温时间时 单片机送P 1 7 为高电平 风扇停止工作 停 止制冷 至此 完成了 个制冷阶段 若瓦 7 0 加热 棒和风扇都不启动 在该过程D S l 8 8 2 0 不停的对加热 棒进行温度采集和转换 直到计数时间间隔达到恒温 阶段 这样就完成了恒温阶段 工作中发光二极管是 标志加热棒和风扇的工作状态 当它们工作的时候 发 光二极管发亮 反之发光二极管不发光 加热棒用绿 二极管表示工作状态 风扇用红色二极管表示工作状 态 具体控制流程如图4 所示 图4 反馈控制流程图 万方数据 2 3 期杨述斌 反馈式工业温度控制系统的设计与实现 3 实验结果与分析 经过现场测试得到图5 所示的曲线图 由图5 可见 控温系统启动后 能比较稳定地控制温度随 要求曲线变化 控温开始后 控制温度有个最大幅 度的变化 与要求曲线最大偏差达到3 这是由于 所选控制初值稍微大 温度又有滞后性引起的 随 后控温曲线与要求温度曲线的偏差较小 一般在 1o C 以内 所以控制初值的选取 影响到控制开始时 的稳定性 控制初值选取得好 可以使控温开始时 温度滞后性的影响小 因而 程序设计中把控制初 值作为一个可调参数来进行 以便于实际应用 另 外温度传感器首先感应到是现场温度 如果要求曲 线的温度初始值很高 由于温度的迟滞性 会影响 实际温控效果 此时控制时间就应设置的长一些 一般要求升温曲线斜率为4 以上 这样现场的温度 才能跟得上要求温度的变化 斜率相对于所需要求 升温曲线斜率越大 就有足够的时间跟上要求温度 的变化 温度迟滞性对现场要求的影响就越小 本文创新点是采用W 7 8 E 5 8 B 单片机 D S l 8 8 2 0 单线数字温度传感器及E D M l 2 8 6 4 2 1 液晶显示器 等设计构成反馈式温控系统 其技术含量高 成本 低 在温控要求精度高的情况下也能满足要求 不 管从经济还是技术上看都是优等的选择 极易应用 于工业实际 要求温度曲线 馈控制的温度曲线 051 01 52 0 时间 s 图5 实测控温曲线与要求温度曲线的关系 参考文献 1 何希才 传感器及其应用实例 北京 电子工业出版社 2 0 0 1 2 何立民 单片机高级教程应用与设计 北京 北京航空航天大学 出版社 2 0 0 0 3 李军 5 1 系列单片机高级案例开发指南 北京 北京航空航天 大学出版社 2 0 0 4 4 h t t p w w w h e n g s e n c n d a t a c l V w 7 8 e 5 8 一c h p d f 2 0 0 4 5 大连东显电子有限公司 E D M l 2 8 6 4 2 1 用户说明书 2 0 0 3 6D a l l a sC o r p D S l 8 8 2 0P I D 印皿n I a b l eR e s o l u t i o n1 一W i r eD i s i t a l T h e r m o m e t e r 2 0 0 2 7 北京长英科技有限公司 D S l 8 8 2 0 用户手册 2 0 0 3 8 单大鹏 数字温度传感器D S l 8 8 2 0 在变电站测温的应用 微计算 机信息 2 0 0 7 2 3 7 2 0 0 2 J 0 l D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fF e e d b a c kI n d u s t r y T e m p e r a t u r eC o n t r o lS y s t e m Y A N GS h u b i n S c h o o lo fE l e c t r i c a la n dI n f o r m a t i o nS c i e n c e E n g W r r W u h a n4 3 0 0 7 3 P R C h i n a A b s t r a c t Af e a d b a c kt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i n g l e c h i p w h i c hc a nc o n t r o lt h el o c a l et e m p e r a t u r e a l o n gw i t ht h ed e m a n dt e m p e r a t u r et h r o u g hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i sd e s i g n e d T h es y s t e mc a l lc o n t e n tt h er e q u e s t o fi n d u s t r yl o c a l et e m p e r a t u r e T h ep r a c t i c et e s ts h o w e dt h a tt h ep r o p o s e ds y s t e mr e s p o n s e sf a s ta n dt a l l i e sw i t hd e m a n dt e m p e r a t u r e I ti sal o wc o s ts y s t e mw h i c hi si m p l e m e n t e de a s i l ya n da p p l i e dc o n v e n i e n t l yi ni n d u s t r y K e yw o r d s t e m p e r a t u r ec o n t r o l f e e d b a c k s i n g l e c h i p 鲐 们 筋 p 瑙赠 万方数据 反馈式工业温度控制系统的设计与实现反馈式工业温度控制系统的设计与实现 作者 杨述斌 YANG Shu bin 作者单位 武汉工程大学电气信息学院 武汉 430073 刊名 科学技术与工程 英文刊名 SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING 年 卷 期 2007 7 23 引用次数 1次 参考文献 8条 参考文献 8条 1 何希才 传感器及其应用实例 2001 2 何立民 单片机高级教程应用与设计 2000 3 李军 51系列单片机高级案例开发指南 2004 4 查看详情 2004 5 大连东显电子有限公司 EDM12864 21用户说明书 2003 6 Dallas Corp DS18B2O Programmable Resolution 1 Wire Digital Thermometer 2002 7 北京长英科技有限公司 DS18B20用户手册 2003 8 单大鹏 数字温度传感器DS18B20在变电站测温的应用 期刊论文 微计算机信息 2007 19 相似文献 10条 相似文献 10条 1 学位论文 王小红 基于免疫反馈机理的MOCVD系统温度自动控制研究 2004 论文课题来源于国防科工委 该文具体研究了MOVCD系统温度控制系统部分 在理论上 参考国内外时滞系统研究成果 结合实际系统具体情况 对温度 控制系统部分进行设计 对免疫 人工免疫 免疫反馈机理进行了重点研究 提出了一种基于免疫反馈机理的温度控制思想 设计了一种基于免疫反馈机理 的温度控制器 在实际操作上 首先实现系统温度的闭环控制 然后针对实际系统 进一步得到系统温度与设定电压的近似关系曲线图 和系统延时大致的传 递函数模型 接着 设计具体的误差参考函数进行衡量 寻求最优控制参数 最后 具体实现该控制算法 并将系统温度控制部分完善为完全手控 完全自控 手控自控相互平滑切换等三种控制模式 实际应用于生产 以供设备操作人员选用 仿真和应用实际表明 这种完善后的控制算法的控制性能优于传统的 PI控制算法 在实际生产中得到好评 2 学位论文 谭薇薇 人工免疫控制在电加热器测试装置中的应用研究 2005 家用直接作用式房间电加热器性能测试装置 是监测电加热器性能的标准装置 它的监测过程是放置在标准的人工气候室中进行的 而且在测试 过程中要求气候室中的温度稳定 因此气候室温度控制的稳定性和快速性是测试装置的关键性指标 气候室的温度控制系统具有大滞后 负荷变化大和 非线性等特性 以及在控制系统的运行过程中出现的环境变化等问题 使得采用固定参数的PID控制器无法实现控制目标 课题中参考国内外时滞 系统研究成果 对免疫 免疫反馈 免疫记忆机理进行了重点研究 免疫系统对于各种抗原的适度免疫响应是维持生物体内环境稳定的关键 主要靠T细 胞和B细胞的调节作用 保证免疫系统获得较快的响应速度和足够的稳定性 同时 B细胞不仅与抗原相互作用 在初次免疫应答后能够分化成生命期较 长的记忆细胞 形成免疫记忆 在二次免疫应答时 产生比原始细胞的抗体具有更高亲和力的抗体 在免疫记忆的基础上更迅速地应答 借鉴免 疫机理结合人工气候室的特点对温度控制系统部分进行设计 设计了一种新型的免疫控制器 免疫控制器包括一个基本的P型免疫反馈控制器和一记忆模 块 通过免疫系统和控制系统的类比 在温度系统调节的各个阶段充分体现免疫调节机制 使得温度控制系统具有较小的超调和较快的响应速度 并形 成自我调节 在免疫控制器参数整定过程中 首先实现系统温度的闭环控制 然后针对实际系统 进一步得到系统温度与各设定值的近似关系曲 线图 接着 寻求最优控制参数 最后 具体实现该控制算法 并将系统温度控制部分完善为完全自动控制模式 应用于实际测试装置 以供设备操作 人员使用 实际应用表明 这种完善后的控制算法的控制性能优于改进的PI控制算法 在实际生产中得到好评 3 期刊论文 过润秋 王小红 基于免疫反馈机理的温度自动控制研究 西安电子科技大学学报 自然科学版 2003 30 6 基于生物免疫系统的反馈机理 提出了一种用免疫控制器与传统PI控制器相结合的复合控制方法 即将传统PI控制器与免疫控制器相 串联 在传统 PI控制器参数已经优化的情况下 用免疫控制器对其输出进行 再处理 并针对实际系统提出了一种限制超调量的误差参数函数 介绍了控制系统参数整定 的方法 仿真和实验表明 这种复合控制的方法能有效地改善金属有机化合物化学气相淀积系统温度的控制性能 4 期刊论文 杨国诗 孙德敏 Yang Guoshi Sun Demin 无氧铜杆炉温前馈 反馈模糊控制 自动化仪表2000 21 12 以无氧铜杆炉温度控制为例 介绍利用前馈 反馈模糊控制器代替一般控制器 即设计一种复合功能模糊控制器方法 其反馈部分是二输入单输出模糊 控制器 前馈部分是以电网电压变化为前馈输入 通过模糊控制算法得到前馈控制量 该方法改善了控制性能 5 期刊论文 马良柱 霍佃恒 半导体DFB激光器的自动温度控制 信息与电子工程2009 7 5 阐述了半导体热电制冷器 TEC 的工作原理 分析了线性驱动和脉冲宽度调制 PWM 驱动TEC的原理以及各自的特点 对Linear公司的热电制冷器控制芯 片LTC1923作了介绍 讨论了基于LTC1923的半导体分布反馈式 DFB 激光器自动温度控制电路 并对实验和实际应用的结果进行了分析 给出了实测数据和 波形 实验结果表明激光器中心波长变化范围为 5 pm 对应管芯温度变化 0 05 说明温控电路可以有效地对激光器的工作温度进行控制 6 期刊论文 张冈 刘东波 陈幼平 撒继铭 ZHANG Gang LIU Dong bo CHEN You pin SA JI ming 光纤传感器中光源 的驱动与控制 仪表技术与传感器2006 5 基于分布反馈式半导体激光二极管 DFB LD 中的注入电流 有源区温度与输出光功率 输出光波长等特性关系的分析 设计出了一整套高精度 高性 能的光纤传感器光源驱动技术方案 该方案通过采用恒流源 有源区温度控制以及波长锁定等技术方法来实现DFB LD的稳频驱动及控制 试验表明 该方案 可使得激光器的注入电流控制精度优于0 05 温度控制精度达0 01 输出光谱线宽度 0 2 nm 此方案可广泛应用于光纤传感及通信等相关场合 7 期刊论文 李伟 基于BP网络的反馈控制器设计 黑龙江科技学院学报2004 14