赵阳1108110575研1113班采用电阻加热器的温度控制系统

1、控制科学与工程综合技术实验项目设计说明书项 目：采用电阻加热器的温度控制系统姓 名：赵 阳学 号： 1108110575西安理工大学信息与控制工程系2012年9月7日1、 概述在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数，温度控制是控制系统中极为重要而又普遍的热工参数之一，在普通家庭里热水器、电饭煲、电烤箱等依赖于温度控制技术的家电设备也是必不可少。可以说温度控制技术无处不在。因此呢，即使获得温度信息值并进行准确而又快速的控制是非常重要的。 基于以上背景设计了一套基于电阻加热器的温度控制系统，本文采用51系列单片机作为电路的控制核心，实现对温度的控制要

2、求，采用温度传感器AD590对电阻加热器的温度进行测量与转换，然后将测量转换结果输送到单片机，单片机将接收到的温度检测值与设定的温度值进行比较，根据比较结果，采用PI控制算法，对电阻加热器的温度进行控制，使温度控制在50150，控制精度为±1。该系统可手动给定温度，并显示实时温度，可人为启动和停止温控系统的运行。2、 总体设计2.1 系统功能及技术指标该系统主要以单片机为控制器对电阻加热器的温度进行控制的温度控制系统，要求： 1、温度控制范围：50150内可任意设定温度值 2、控制精度：±1 3、可使得电阻加热器达到设定的温度值，并保证控制精度基于以上要求，系统设计分为硬件

3、部分和软件部分，其功能划分如下：硬件设计：a. 温度测量电路：对电阻加热器的实时温度进行采集，将温度值转换为电压信号返回给单片机。b. 加热电路：使用电源对电阻加热器进行通电加热，回路中串联一开关管，通过使用PWM控制开关管的通断时间，来使电阻温度保持在给定温度。软件实现： a. 单片机软件实现：单片机主要完成温度采样值处理、PWM波的发生、控制算法及与上位机的通讯等功能。 b. 上位机监控实现：本系统的监控全部由上位机来完成，包括温度给定值的输入、温度值的实时显示、对整个温控系统的启动、停止控制等功能。2.2 系统构成 系统总体构成框图如下所示： 图1 温度控制系统结构框图2.3 主要设备及

4、元器件选型在设备选型的问题上，我们需要注意两个问题：一是要注意元器件的稳定性、可靠性以及精确性，即是系统设计时的要求；二是要注意该元件能否在市场上比较容易获得及其价格等。对本系统而言，设备的选型主要围绕着单片机与温度传感器来进行。c. 单片机选型：选用51系列性价比高的STC12C5A16S2单片机，44PIN封装，该单片机速度比普通8051快8-12倍，自带2KFlash烧写程序，2路PWM，36个I/O，并带有8路10位的高精度A/D模块，可基本实现温控系统的所有要求。d. 温度传感器选择：检测元件选用AD590，其可测温度在-55到150可精确测量；AD590温度传感器是一种已经IC化的

5、温度感测器,它会将温度转换为电流，其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准,每增加1,它会增加1A输出电流,因此在室温25时,其输出电流Iout=（273+25）=298A，采样电路简单，该电路易实现且误差较小，得到的电压信号可经放大器放大进入单片机的A/D接口；e. 电阻加热器选择：应选用加热效果随功率变化的器件，这样才可以用PWM控制来调节加热器的功率来达到温度控制的要求，本系统选用陶瓷电阻；f. 开关管选型：采用达林顿晶体管TIP122，可满足加热的电流及电压需求。2.4 系统核心处理策略典型的温度闭环控制系统的框图如下： 图2 控制系统的框图设计本系统的核心问题，就是控制问题也就是

6、控制器的设计问题：选择一个怎样的控制方法，能使系统有着较好的稳定性、较准确的精度、较快的响应速度。在这里，根据查阅相关资料与以往的经验，拟采用数字PID控制。PID控制算法，总的来说，结构较为简单，实现起来较为容易。对于本系统而言，如果采用这种方法，那就会用PWM输出控制加热器的温度，须要标定其加热的温度特性即PWM与温度的关系，而且PWM与温度的关系也会随着外界环境的干扰（例如，外界温度的变化或空气流速的变化等）变化很大，当然可以采用将加热器表面包起来的方法来避免周围环境温度的变化对它的影响，但同时也会影响其散热特性。另外，也需要根据实际情况对PID参数进行整定，这需要一些经验。 考虑到实际

7、情况，决定采用多模式的PID控制。由于有多模式的PID，对闭环控制时的响应速度要求不高，控制器可采用PI控制算法，这样实现起来更为容易一些。当然同样地也需要考虑惯性温度误差的影响 。程序主流程图如下图所示： 图3 温度控制系统主程序流程图2.5 系统软硬件功能划分硬件功能划分：g. STC12C5A16S2单片机最小系统为控制器，为实现控制算法、与上位机进行通信等提供硬件平台。h. 电阻加热器为实际被控对象。i. A/D采样电路：将温度信号AD590转换得到的电压值，进行跟随放大，进入单片机A/D口，为系统的测量变送单元，实时检测电阻加热器的温度。j. RS232通讯电路：与PC机通讯，实现人

8、机交互功能；软件功能：a. 实现单片机的功能配置：A/D模块配置、I/O口配置、PWM发生模块的配置；b. 各子模块的数据处理，主要包括以下数据：需要显示的数据、给定数据、A/D采样数据、PWM发生的控制数据、与PC机的通讯数据等；c. 上位机功能：实现温度的给定，及实时显示，实现控制指令的发送及温控过程的监控。2.6 其他 上位机界面用VB语言编写，实际电路中可能会根据需求的改变更改元件的选型，在确定元件时应明确其主要参数，如耐压、耐流、开通电压、开关频率等参数。3、 详细设计 3.1 硬件设计 3.1.1 输入与输出本电阻加热器温度闭环控制系统，控制对象为电阻加热器。系统的输入为：温度的设

9、定值；系统的输出为：陶瓷电阻加热器的实时温度值。整个控制系统以单片机为核心，其输入输出都以单片机为对象来说明。 输入：加热电阻的实时温度经AD590检测转变为电压信号，再经放大处理进入单片机的A/D口，作为单片机控制的输入信号。该系统中使用了1路A/D作为输入，输入温度为50-150，温度精度0.2。 输出：PWM信号经单片机的1路I/O输出，1K负载控制场效应管的开关，进而控制加热电阻两端的平均电压，以达到控制输出温度跟随给定温度。输出温度范围为50-150，跟随精度±1。3.1.2 功能划分本系统硬件主要由以下几部分构成：最小系统模块、电源模块、加热电路、温度测量电路、以及信号调

10、理电路等。3.1.3 最小系统最小系统是整个硬件电路的核心部分，是整个系统的控制器。 在CPU的选型上，选择性价比高的STC12C5A16S2单片机，它具有PWM输出，10位AD以及脉冲捕捉功能等，成本低，而且能够达到控制的要求3.1.4 电源模块 整个外部供电为±15V，用于加热（15V）、运算放大电路供电（±15V）。由电源模块产生一路5V电源：用于基准电压校正、温度测量电路等供电的5伏电源； 在这里，直接采用7805转换产生5V电源供电路使用。具体的电路图如下所示： 图4 电源模块电路3.1.5 温度采样及处理电路温度采样及处理电路。主要实现对电阻加热器的温度进行检测

11、。检测的精度决定了控制的精度，所以温度测量电路，是关系到整个控制精度的核心电路。在一般的温度检测电路中，采用恒流源或恒压源，也有的用比例法，其实质是采用恒流源或恒压源对温度传感器供电，只是在最后消除电压或电流的影响，本传感器采样电路如下所示： 图5 信号采样处理电路图5中，AD590感应加热电阻的温度值，并将其转换为电流值，其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，温度每增加1，它会增加1的输出电流，因此室温25时，其输出电流Io=(273+25)=298。在本设计中，其所接负载为R1=10K，则其转换的电压值Vin=Io×10K,以室温25而言，其输出值为Vin=10K

12、5;298注意事项=2.98V,但在AD590的应用电路中，其主要注意事项是：测量Vin时，不可分出任何电流，否则测量值会不准，影响我们的控制精度，因此在测量电路的设计中我们在Vin后面加一电压跟随器，保证不不分流，以此来确保测量准确度，由于设计要求中温度T的控制范围为50150，则Io的变化范围为：Io=(273+T)=323423，再由公式Vo=（ 323423）×10K可得Vout的变化范围是：Vo=3.23V4.23V为了提高A/D转换精度，我们在Vout输出端加一差分放大电路，调节电位器R6，使得Uref=3V，放大为4，得到最终输入给单片机的电压信号范围为：(Vout-U

13、ref) ×4=（3.23V4.23V）-3）×这样提高了A/D转换精度，以此来提高控制精度。图5中所用元件选型依据如下：运放选型：运放为放大电路必不可少的器件，本次设计选用通用放大器LM358，该芯片内部包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，既可以单电源供电，也适用于双电源工作方式。由于输出电压要求达到4.86V，而远方芯片的输出电压是在0（VCC-1.5V）之间，因此，芯片供电采用±15V双电源供电。3.1.6 电阻加热电路电阻加热电路包括前级的PWM输出处理电路和后级的电阻加热电路。整个电路图如图6所示：图6 电阻加热电路电路原理：单片机的PWM输

14、出高电平为5V，通过1K的限流负载驱动晶体管TIP122，当PWM为高时，晶体管导通，使TIP122的栅极和源极电压等于15V，晶体管开通，电阻开始加热；当PWM输出低时，晶体管断开，停止加热。通过控制PWM的占空比则可控制加热电阻两端的平均电压，进而控制温度。PWM的频率选择要视所用三极管的可选择频率，本系统所选频率为700HZ左右，因为频率过高时，晶体管不能正常开通关断，会导致加热不可控。主要器件选型依据如下： 开关管选型：要满足输出平均电压可控，选择合适的开关管显得尤为重要，为了使电阻温度的控制能满足快速性和稳定性，开关管的频率不能太低，使用晶体管缺点是，当负载电阻太小（小于100）时，

15、Ube端压降较大，且晶体管易发热，因此需要散热片，虽然有以上缺点，但可以满足本设计要求，且价格低廉。3.1.7 原器件清单整个系统原理图如上所述，元件清单如表1所示：元器件名称型号/规格数量温度传感器AD5901运算放大器LM3581基准电压芯片78051元器件名称型号/规格数量加热电阻510W1晶体管TIP1221电阻1K151K210K122K2电位器10K1接线插座40针1表1 系统元件清单3.1.8 系统硬件资源清单所用I/O口所选功能说明P1.3可调脉宽的PWM输出8位PWM输出P1.7A/D采样10位采样精度P4.4普通I/O输出 温差大于5.5时指示灯P4.5普通I/O输出温差在

16、05.5时指示灯P4.6普通I/O输出温差小于0时指示灯 表2 系统资源清单3.2 软件设计3.2.1 软件功能模块该温控系统软件实现功能如图7所示：图7.系统整体程序框图 本系统软件除过系统初始化，整体上可分为3个模块：1. A/D采样处理模块；2. PWM控制模块；3. 上位机通讯模块；各模块功能如下所述。3.2.2 A/D采样处理模块本次设计，A/D模块采样精度为10位，实现将A/D通道（P1.7口）上得到的电压转换为数字量，将转换结果进行平均值滤波，由数字量与模拟量的关系算出A/D输入的电压，再由公式：=(273+T)×0.01-3)×4得到实际的温度T=25

17、15;+27，计算得到输出温度值并显示，其流程图如图8所示： 图8. A/D处理流程图3.2.3 PWM控制模块 STC12C5A16S2单片机可生成1路可调占空比的PWM波，固定在P1.3口，通过正确的配置该模块，可非常方便的得到满足 需求的PWM波。对温度采用PI调节可以很好的控制，但因为温度是大滞后系统，所以需要提前关断开关管，此次设计选用了分段线性的调节方式，也能准确的控制温度，且编程难度低，容易实现，PWM的占空比输出调节流程图如图9所示：图9. PWM控制流程图3.2.4 上位机控制模块上位机模块用VB来实现，主要程序为数据接受程序和数据发送程序。其流程图如图10所示，该图中将发送

18、和接受同时描述，上位机接受（单片机发送）的流程图与之相反，在此不赘述。 图10.上位机数据发送（单片机数据接受）流程上位机界面如图11所示： 图11.上位机监控界面4、 调试与测试4.1 调试4.1.1 A/D采样调试起初设计，给AD590以5V供电，发现在常温下，10K电阻两端电压不为2.98V（2.98V时是25），查阅资料后把供电电压改为15V后，AD590可以正常工作，准确检测温度。4.1.2 PWM波输出及加热电路调试起初设计是打算用MOSFET来控制加热电路的通断，其导通电阻小，且是电压型控制，VDS和IDS都较大，能完全满足条件。但是在连接好元件调试的时候，发现MOSFET一直处

19、于截止状态，导致电阻加热器不能加热，于是换用了晶体管TIP122，虽然加热电阻只有20，会导致晶体管压降较大，加热慢，且易发热，但是完全可以满足本次设计的要求，因此，最终选择了晶体管来控制加热电路的通断。在调试PWM波之前，应先调试加热电路，在按图7方式连线之后，PWM处通15V电源以确保加热电路正常工作，之后再调试输出PWM波。PWM波由PCA模块0来产生，其工作模式为PWM占空比可调，通过配置CCAP0H来改变占空比，当CCAP0H=0时，输出为占空比为100%，而当CCAP0H=0XFF时，占空比为0，在实际产生中，当误差大于5.5时，将占空比赋值为100%，这样可以快速加热，当误差小于

20、0时，也即实际电阻加热器温度高于设定温度，我们将占空比设置为0，以便快速的降温，当温度误差在05.5时，设置占空比为一根据温度误差变化的值，以此来达到慢速调节电阻加热器加热慢慢逼近设置温度值。至于误差带05.5需要根据实际多次调试来调到一个适合于设计系统的温度误差带。4.1.3 上位机通讯调试上位机的调试主要是确保单片机给上位机发送的数据准确无误，并要实时更新，不能因中断而造成发送数据的混乱。本系统的温度显示精度为0.1，在发送和接受数据时，要先将小数部分转换为整型，该整型为16位，需要发送或接受两次。为了避免数据混乱，在发送或接受过程中，应屏蔽掉其他可能中断通讯的高优先级中断，两次发送之间应有一定的延迟。两次发送可分别设置不同的标志位，这样可以很好解决数据混乱问题，在本次设计中，所发数据都为整型，在