温度控制系统设计

1、温度控制系统温度控制系统设计目录第一章系统方案论证31.1 总体方案设计31.2 温度传感系统31.3 温度控制系统及系统电源 41.4 单片机处理系统（包括数字部分）及温控箱设计 41.5 pid算法原理5第二章重要电路设计72.1 温度采集72.2 温度控制7第三章软件流程83.1 基本控制83.2 pid 控制93.3 时间最优的pid控制流程图10第四章 系统功能及使用方法 114.1 温度控制系统的功能 114.2 温度控制系统的使用方法 11第五章系统测试及结果分析 115.1 硬件测试115.2 软件调试12第六章进一步讨论12参考文献13致谢错误！未定义书签。摘要：本文介绍了以

2、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pid控制 单片机abstract: this paper introduces a temperature control system that is based on the single-chip microcomputer.the hard ware composition and software design are descried indetail combined with the project comtrol system of temperatur

3、e.keywords: control system of temperature pid controlsingle-chip microcomputer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pid数字控制算法，显示采用led静态显示。该系统设计结构简单， 按要求有以下功能：(1)温度控制范围为2040 c;(2)有加热和制冷两种功能(3)指标要求：超调量小于2 c;过渡时间小于5min；静差小于0.5c ；

4、温5f5精度0.2c(4)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1.1 总体方案设计薄膜铝电阻将温度转换成电压，经温度采集电路放大、滤波后，送 a/d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 pid算法得到温度控制数据；控制数据经d/a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1 1系统总体框图1.2 温度传感系统换能部分采用了电压电路，这主要考虑了电压信号不容易受干扰、 容易与后 续电路接口的优势；经过铝电阻特性分析，在要求的温

5、度范围内铝电阻的线性较 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。1.3 温度控制系统及系统电源1.3.1 温度控制系统温度控制系统需要完成的功能为：d/a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。d/a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

6、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lm33稳压芯片，可承受高输出电流，且 vout端输出电 压与vadj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vadj端，输出信号的电压范围和功率放大至合适的大小。具体 设计为d/a输出的控制信号，经上述处理，在 vout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。1.3.2 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 +5v供电，单片机处理 系统的数字电路部分需要+ 5v的电源，而实验室的5v

7、电源会有纹波，故采用 稳压芯片lm317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r1是起到分压得作用，避免在lm317上的压降过大，否则lm317 发热，会使电压不稳。+ 15v1.4 单片机处理系统及温控箱设计1.4.1 单片机系统单片机系统结构如下： 模数部分将传感信号量化为8位二进制数，并将其送入最小系统板; 控制层调用pid算法，计算出控制量，同时提供人机交互； 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 a/d、d/a、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pid算法的中断采用

8、的是内部定时器，可以简化外围电路。1.4.2 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，在其中相对的两个内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内表面，都贴有保温塑料层， 为加强密闭性，尽量减少控制箱腔内体积，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。1.5 pid算法

9、原理1、基本pid算法p(n)= kpe(n)-e(n-1) kie(n) kde(n) - 2e(n - 1) e(n - 2)其中 e(t)= v。-v(t)vo和v(t)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，v。和v(t)用8位表示显然是不够的。处理方法是在 v。和v(t)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 8位有效位。基本的pid算法，需要整定的系数是kp (比例系数)，ki (积分系数)，kd (微分系数)三个。这三个参数对系统性能的影响如下：(1)比例系数kp 对动态性能的影响 比例

10、系数kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快， kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当 kp太大时，系统会趋于不稳定， 若kp太小，又会使系统的动作缓慢； 对稳态性能的影响 加大比例系数kp,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 kp只是减少静差，不能完全消除。(2)积分系数ki 对动态性能的影响 积分系数ki通常使系统的稳定性下降。ki太大，系 统将不稳定；ki偏大，振荡次数较多；ki太小，对系统性能的影响减少；而当 ki合适时，过渡特性比较理想；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ki太小时，积分作用太弱，以致不能减小静差。(3)微

11、分系数kd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 kd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。(1)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。（2）加入积分环节。整定时首先置积分系数 ki 一个较小的值，并将第（1） 步中整定的比例系数略为缩小（例如缩小为原值的 0.8倍），然后增大ki,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

12、数与积分系数。（3）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 0,在第一步的基础上， 增大kd,同时相应地改变比例系数和积分时间。2、时间最优的控制算法采用上述pid控制算法存在一个问题：当设定值比当前值高很多时，在相 当一段时间内，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pid控制即开关控制（bang

13、-bang控制）与pid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。r(k)- c(k) = |e(k尸:bang-bang空制口 pid控制当前值与设定值相差在阈值a以内时，采用pid算法计算输出控制量；当 在a以外时，则直接输出最大值255作为控制量，不再调用pid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2.1温度采集图2 1温度采集电路vccparameters:及r8

14、鼠10k3率 1 -0d1lm385r2 r261k_ 0.1r19个一7“41km v7vcc7u43vout0op-)7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 op07运算放大器。电阻r29为薄膜铝电阻，与r28在电桥的两个臂上，将钻电阻的电阻转换为电 压信号u3的放大倍数定为 33倍，u4的作用是调节放大倍数，使输出电压为05v调节过程：1、把钳电阻定在18度的阻值106.6欧姆，调节r23,使输出为0。2、把钳电阻定在 40度的阻值114.8欧姆，调节r30,使输出为5v3、采用一阶滤波，目的是滤出高频得噪声干扰，所以f0定在几

15、十hz。2.2温度控制1.电压变换：电路图见图2 2图2 2电压变换电路说明：这部分电路先将d/a输出的电压控制信号control(-5 0v)用一个运放构成的反向放大器转移到电平 08v,然后通过小功率稳压芯片 lm385降压2.5v。这是因为经稳压芯片 lm385,电压至少会提高 2.5v （voutvadj=1.25v再经过扩展）。在调试过程中，调节 r3的阻值，便可调整反向放大器的增益， 从而调整输出电压的范围。2.控制电路：具体电路包括由两片lm338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 2-3所示。电路说明：（1） 单片机的串口p1.2的输出经过继电器的

16、驱动芯片uln2003a ,控制四刀继电器（relay）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。（2）控制电压信号经放大分压后输入 lm338的vadj端,r7和r8可用来 调整零点。（3）由于lm338的vin和vout端至少需要3v的压降，而半导体制冷器 件最多承受8v的电压，故两路输入电源输入采用+12v的大功率电源。图2 3功率输出电路u1control2 q-l 4t- 5- 0-6-1b2b3b4b1c2c3c4c1615comuln2003a3vinvoutc10.1ur23vinvoutc20.1u1kr51k+ 12vj d a5b6b7b5c6c7cu2

17、 lm338-黔r6 士 1k_lu3 lm338ls11412 事 13109q_x .1 11 -867relay 4pdtr41k1r31k第三章软件流程3.1基本控制一、中断：1、定时器中断：采集温度数据、调用 pid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；2、键盘中断：外部中断0,响应键盘输入；3、ad中断：外部中断1,是ad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 8001h (状态、命令口)，8000h (数据口) 占用外部中断线int0;ad芯片：占用地址空间0c000h,占用外部中断1da芯片：占用地址空间0a000hpid算法中的数据：采样

18、温度20h控制量21h控制量的方向 22.0设定的温度23h显示缓冲区54-5bmov 24h,#0ffh ;kp 24hmov 25h,#0dfh ;ki 25hmov 26h,#00fh ;kd 26h3.2 pid控制数字pid表达式为：tn tp(n)=kpe(n)e(j) de(n)-e(n-1)t j i其中 e(t)= v。-v(t)改写为增量形式：p(n) = kpe(n)-e(n-1) re(n) kde(n) - 2e(n - 1) e(n-2)具体流程图可见图31。图31数字pid增量型控制算法流程图3.3 时间最优的pid控制流程图图32时间最优的pid控制流程图求得e

19、(n)pid控制输出控制量p(n)第四章系统功能及使用方法4.1 温度控制系统的功能本系统的温度显示范围：18.0c42c,显示精度：0.1 c，可使控温箱体 内的温度恒定在18c40c范围内的任意温度上。4.2 温度控制系统的使用方法f1显示当前箱体内的温度值f2显示控制量的大小f3显示当前温度与设定温度之间的差值f4设定目标温度值第五章系统测试及结果分析5.1 硬件测试5.1.1 调试流程1 .稳压电源：调节稳压电源对应的变阻器，使输出为5v;2 .确定中断源工作正常；3,确定温度传感器数字电路工作正常；4 .温度传感器模拟电路：（1）调节电桥满足铝电阻额定电流1ma （2）在17摄 氏度

20、调节零点；（3）升温到一个较高温度，确定覆盖范围；（4）任意选定温 度，验证；5 .确定温度控制器数字电路工作正常；6 .温度控制器模拟电路：（1）设定温度控制量的模为 0,调节调零变阻使338 的电压为零；（2）设定温度控制量的模最大255,调节范围控制电阻，使338 输出的电压为所需的最大值 8v; （3）取任一中间量验证（4）改变温度控制 量方向，检验继电器动作；（5）验证有载工作。5.1.2 一些调试技巧硬件调试的时候，不能盲目的调试，应该首先分析一下原因，这一点可以通 过测试硬件中的关键点来得出，再去调试相应的部分；调试的主要方法是测试相 应部分电源特性和焊接联通性，若未解决再察看电路的完整性，再无问题则需要 检查设计原理。5.1.3 调试中遇到的问题及分析1.用扰：可以采用诸如模、数、功率分离，一点接地等方法来避免申扰；2. d/a输出经电平转换至但联调加入后向通道lm338时电平转换不起作用。解决方法：调试发现联结lm338后降低2.5v电平的lm385失效，判断是有电 流倒灌，经计算是由于lm338电路的电阻太小导致电流太大使 lm385的偏置失 效，改正后电路正常工作。5.2软件调试pid算法系数整定a.确定比例增益p确定比例增益p时，首先去掉pid的积分项和微分项，一般是令t