溫度控制系統(tǒng)設計

1、溫度控制系統(tǒng)設計目錄第一章系統(tǒng)方案論證錯誤!未指定書簽?？傮w方案設計錯誤!未指定書簽。溫度傳感系統(tǒng)錯誤!未指定書簽。溫度控制系統(tǒng)及系統(tǒng)電源錯誤!未指定書簽。單片機處理系統(tǒng)(包括數(shù)字部分)及溫控箱設計錯誤味指定書簽。算法原理錯誤!未指定書簽。第二章重要電路設計錯誤!未指定書簽。溫度采集錯誤!未指定書簽。溫度控制錯誤!未指定書簽。第三章軟件流程錯誤!未指定書簽。基本控制錯誤!未指定書簽?？刂棋e誤!未指定書簽。時間最優(yōu)得控制流程圖錯誤!未指定書簽。第四章系統(tǒng)功能及使用方法錯誤!未指定書簽。溫度控制系統(tǒng)得功能錯誤!未指定書簽。溫度控制系統(tǒng)得使用方法錯誤!未指定書簽。第五章系統(tǒng)測試及結果分析錯誤!未指定

2、書簽。硬件測試錯誤!未指定書簽。軟件調試錯誤!未指定書簽。第六章進一步討論錯誤!未指定書簽。參考文獻錯誤!未指定書簽。致謝錯誤!未指定書簽。摘要:本文介紹了以單片機為核心得溫度控制器得設計，文章結合課題溫度控制系統(tǒng)，從硬 件與軟件設計兩方而做了較為詳盡得闡述。關鍵詞：溫度控制系統(tǒng)控制 單片機引言：溫度控制就就是工業(yè)生產過程中經(jīng)常遇到得過程控制，有些工藝過程對英溫度得控制效果直 接影響著產品得質量，因而設訃一種較為理想得溫度控制系統(tǒng)就就是非常有價值得。本文設 計了以單片機為檢測控制中心得溫度控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進得數(shù)字控制算法，顯示采 用靜態(tài)顯示。該系統(tǒng)設計結構簡單，按要求有以下功能：O溫度

3、控制范圍為。；0有加熱與制冷兩種功能()指標要求：超調星小于。；過渡時間小于;靜差小于。C；溫控精度。C0實時顯示當前溫度值，設左溫度值，二者差值與控制量得值。第一章系統(tǒng)方案論證總體方案設計薄膜鉗電阻將溫度轉換成電壓，經(jīng)溫度采集電路放大、濾波后，送轉換器采樣、量化.量化后 得數(shù)據(jù)送單片機做進一步處理；當前溫度數(shù)據(jù)與設定溫度數(shù)據(jù)經(jīng)算法得到溫度控制數(shù)據(jù)；控制數(shù)據(jù)經(jīng)轉換器得到控制電壓,經(jīng)功率放大后供半導體致冷器加熱或制冷，從而實現(xiàn)溫度得 閉環(huán)控制。系統(tǒng)大致可以分為:傳感、單片機處理、控制及溫控箱。圖-系統(tǒng)總體框圖勢;經(jīng)過鉗電阻特性分析，在要求得溫度范國內鉗電阻得線性較好，所以不必要增加非線性校 正電

4、路：采樣電壓再經(jīng)過髙精度電壓放大電路與隔離電路之后輸岀；另外，由于髙精度得需 要，電路對電源要求較髙,所以采用穩(wěn)壓電源電路得輸岀電壓，并且需要髙精度運放。因為溫度變化并不就就是很快，所以電路對濾波器得要求并不髙，這里采用了一階濾波即可滿 足要求。溫度控制系統(tǒng)及系統(tǒng)電源溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)需要完成得功能為:轉換器輸出得電壓控制信號，經(jīng)過電壓放大，再通過功 率單元提髙輸出功率后,控制半導體制冷器件加熱或制冷。故此子系統(tǒng)可分為電壓放大、功 率輸岀兩部分。轉換器輸岀得電壓控制信號經(jīng)過電壓放大、功率放大后，給兩片半導體制冷器件供電。 期外單片機還輸出一個用來控制就就是加熱還就就是制冷得控制信號。功率

5、放大電路采用穩(wěn)壓芯片，可承受高輸出電流，且端輸出電壓與端得電壓差保持不變得 特點,可將控制信號利用運放方向放大后，輸入至穩(wěn)壓芯片得端,輸出信號得電壓范用與功率 放大至合適得大小。具體設汁為輸出得控制信號，經(jīng)上述處理，在端利用繼電器，由單片機輸出 得加熱制冷控制信號控制繼電器得閉合方向，改變半導體器件得電流方向，從而控制加熱或 制冷。系統(tǒng)電源本設訃需要供電得部分有溫度采集部分須有基準電壓供電，單片機處理系統(tǒng)得數(shù)字電路部分 需要+得電源，而實驗室得電源會有紋波，故采用穩(wěn)壓芯片自行設計，電路如圖，調肖可變電阻, 即可得到所需得電壓。其中可變電阻就就是起到分壓得作用,避免在上得壓降過大，否則發(fā)熱，會使

6、電壓不穩(wěn)。單片機處理系統(tǒng)及溫控箱設計單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)結構如下： 模數(shù)部分將傳感信號量化為位二進制數(shù)，并將其送入最小系統(tǒng)板： 控制層調用算法，計算出控制雖:，同時提供人機交互； 數(shù)模部分將控制量轉換為模擬電壓，送入溫度控制部分。最小系統(tǒng)板與外部數(shù)字電路部分（包括、外部中斷源信號等）得通信參照了微機原理與接口 實驗中得實驗箱電路得連接方法。調用算法得中斷采用得就就是內部左時器，可以簡化外由 電路。溫控箱設計我們用實驗室提供得材料自己設計制作了溫度控制箱體?？販叵錇檎襟w鋁箱，在其中相對 得兩個內側表面用導熱硅膠粘貼了半導體致冷材料而成。為提高箱體絕熱性能，在除了粘有 半導體材料之外得其她內表而

7、，都貼有保溫塑料層，為加強密閉性,盡量減少控制箱腔內體積, 又要露出全部得半導體制冷片.我們采用得就就是“工字形“方案，即:將填入鋁箱得保溫塑料 層做成一個無接縫得整體，相對得半導體制冷片得兩側挖空，露出英全部而積,中間留有一個 很小得腔體作為溫度控制得空間（插入熱敏電阻與標準表探頭）。我們采用將箱體放入冷水中得方法解決溫控箱得散熱問題。算法原理、基本算法其中與（）都就就是八位二進制數(shù)，用一個字節(jié)存儲。在上述公式中，存在差項，需要用補碼來表 示負數(shù)。所以必須用最髙位作為符號位，與（）用位表示顯然就就是不夠得。處理方法就就是 在與（）前面補一個值為零得字節(jié)，以兩字節(jié)來表示，運算得最終結果結果取位

8、有效位。基本得算法，需要整定得系數(shù)就就是（比例系數(shù)）（積分系數(shù)）（微分系數(shù)）三個。這三個參數(shù)對系 統(tǒng)性能得影響如下：（）比例系數(shù) 對動態(tài)性能得影響比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)得動作靈敏，速度加快,偏大，振蕩次數(shù)加多， 調節(jié)時間加長。當太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)泄，若太小，又會使系統(tǒng)得動作緩慢； 對穩(wěn)態(tài)性能得影響加大比例系數(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)圮得情況下，可以減小靜差，提髙控制精度, 但就就是加大只就就是減少靜差，不能完全消除。0 積分系數(shù) 對動態(tài)性能得彫響積分系數(shù)通常使系統(tǒng)得穩(wěn)左性下降。太大，系統(tǒng)將不穩(wěn)左：偏大，振 蕩次數(shù)較多;太小，對系統(tǒng)性能得影響減少;而當合適時,過渡特性比較理想； 對穩(wěn)態(tài)性能得彫響積分系數(shù)能消

9、除系統(tǒng)得靜差，提髙控制系統(tǒng)得控制精度。但就就是若 太小時，積分作用太弱,以致不能減小靜差。0微分系數(shù)微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調量減少，調節(jié)時間縮短，允許加大比例控制,使靜差減小, 提髙控制精度。但當偏大或偏小時，超調量較大，調巧時間較長，只有合適得時候，才可以得到 比較滿意得過渡過程。對系數(shù)實行“先比例，后積分，再微分“得整立步驟。0首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小到大，并觀察相應得系統(tǒng)響應，直到得到反應快, 超調小得響應。0加入積分環(huán)節(jié)。整泄時首先置積分系數(shù)一個較小得值,并將第（）步中整左得比例系數(shù)略為 縮小（例如縮小為原值得倍），然后增大，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能得情況下，靜差得

10、到消除。 在此過程中，可根據(jù)響應得好壞反復改變比例系數(shù)與積分系數(shù)。0若使用比例積分調節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調整仍不能滿意，則可加入微分 環(huán)節(jié)。在整定時，可先置微分系數(shù)為，在第一步得基礎上，增大，同時相應地改變比例系數(shù)與積分 時間。、時間最優(yōu)得控制算法采用上述控制算法存在一個問題:當設泄值比當前值髙很多時,在相當一段時間內，控制增量 都為正，而且在不斷得積累增大;只有當溫度上升到設定值以上時，控制增量才有可能變?yōu)樨?值;要用負得控制增量抵消以前積累得正控制量，需要得時間較長;這正就就是產生超調屋得 根本原因。當設泄值低于當前值時情況類似。為解決這個問題，采用了時間最優(yōu)得控制算法。時間最

11、優(yōu)得控制即開關控制（控制）與控制相結合得控制方式。英思想就就是：開關控制即指 在當前值與設左值偏差較大得情況下,控制系統(tǒng)進入“開或者“關”兩種狀態(tài)。具體到本系 統(tǒng)，就就就是指當前溫度與設左溫度差別很大時，要么全功率（最大電壓輸岀）得加熱，要么 就全功率得制冷。當前值與設定值相差在閾值a以內時，采用算法計算輸出控制量;當在a以外時，則直接輸出最 大值作為控制量，不再調用算法,不做控制屋得累加。這樣處理可以在很大程度上改善控制性 能。第二章重要電路設計溫度采集圖一溫度采集電路Di U43 &5:R5 Ik-:A26 ik:R站 1館:R2? 115.5PARAMETERS用電橋采集溫敏電阻值得變化

12、，考慮到就就是小信號得放大，所以選擇儀表放大電路.并且選 擇高精度，低溫漂得運算放大器。電阻為薄膜鉗電阻，與在電橋得兩個臂上，將鉗電阻得電阻轉換為電壓信號得放大倍數(shù)左為 倍，得作用就就是調節(jié)放大倍數(shù),使輸出電壓為調節(jié)過程：、把鉗電阻定在度得阻值歐姆，凋卩，使輸岀為。、把鉗電阻定在度得阻值歐姆，調肖,使輸出為、采用一階濾波，目得就就是濾出髙頻得噪聲干擾，所以定在幾十。 溫度控制、電壓變換:電路圖見圖-圖電壓變換電路說明：這部分電路先將輸出得電壓控制信號()用一個運放構成得反向放大器轉移到電平, 然后通過小功率穩(wěn)壓芯片降壓。這就就是因為經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM,電壓至少會提髙(-再經(jīng)過擴 展九在調試過程中，

13、調節(jié)得阻值，便可調整反向放大器得增益,從而調整輸岀電壓得范國。、控制電路:具體電路包括由兩片構成得功率放大，以及由繼電器構成得輸出電流方向控制兩部分，如圖一所示。電路說明:()單片機得串口得輸出經(jīng)過繼電器得驅動芯片，控制四刀繼電器()都與上端或下端 接通，從而改變輸入半導體制冷器件得電流方向。0控制電壓信號經(jīng)放大分壓后輸入得端,與可用來調整零點。0由于得與端至少需要得壓降，而半導體制冷器件最多承受得電壓，故兩路輸入電源輸入采 用+得大功率電源。圖功率輸出電路VINVOUIC2O.lu91C2C3C4C5C6C7C1B2B3B4B5B6B7BCCLSI12.T 1310R4 ikR3 ik12V

14、RELAY 4PDTRiWvR5 300IK第三章軟件流程 基本控制一、中斷：、定時器中斷:采集溫度數(shù)據(jù)、調用算法核生成溫度控制數(shù)據(jù)、發(fā)送溫度控制數(shù)據(jù)到溫度控 制系統(tǒng)；、鍵盤中斷:外部中斷，響應鍵盤輸入；、中斷:外部中斷，就就是完成得反饋信號。二、地址分配鍵盤顯示控制器:占用地址空間（狀態(tài)、命令口），（數(shù)據(jù)口）占用外部中斷線； 芯片:占用地址空間，占用外部中斷芯片：占用地址空間算法中得數(shù)據(jù)：采樣溫度控制量控制量得方向設泄得溫度顯示緩沖區(qū)控制數(shù)字表達式為：其中改寫為增量形式：具體流程圖可見圖圖-數(shù)字增量型控制算法流程圖時間最優(yōu)得控制流程圖圖一時間最優(yōu)得控制流程圖第四章系統(tǒng)功能及使用方法溫度控制系

15、統(tǒng)得功能本系統(tǒng)得溫度顯示范圍:CC,顯示精度：。C ，可使控溫箱體內得溫度恒疋在。cc范圉內 得任意溫度上。溫度控制系統(tǒng)得使用方法顯示當前箱體內得溫度值顯示控制量得大小顯示當前溫度與設立溫度之間得差值設定目標溫度值第五章系統(tǒng)測試及結果分析硬件測試調試流程穩(wěn)壓電源:調肖穩(wěn)壓電源對應得變阻器.使輸出為；確定中斷源工作正常；確定溫度傳感器數(shù)字電路工作正常；溫度傳感器模擬電路：（）調節(jié)電橋滿足鉗電阻額眾電流；（）在攝氏度調卩零點;（）升溫到一個較高溫度，確定覆蓋范圍：（）任意選定溫度，驗證；確定溫度控制器數(shù)字電路工作正常；溫度控制器模擬電路：（）設定溫度控制量得模為，調節(jié)調零變阻使得電壓為零；（）設左

16、溫度 控制戢得模最大，調肖范用控制電阻，使輸岀得電壓為所需得最大值;（）取任一中間量驗證（） 改變溫度控制量方向，檢驗繼電器動作；0驗證有載工作。一些調試技巧硬件調試得時候，不能盲目得調試，應該首先分析一下原因，這一點可以通過測試硬件中得關 鍵點來得岀，再去調試相應得部分；調試得主要方法就就是測試相應部分電源特性與焊接聯(lián) 通性，若未解決再察瞧電路得完整性，再無問題則需要檢查設計原理。調試中遇到得問題及分析串擾：可以采用諸如模、數(shù)、功率分離，一點接地等方法來避免串擾：、 輸岀經(jīng)電平轉換至但聯(lián)調加入后向通道時電平轉換不起作用。解決方法:調試發(fā)現(xiàn)聯(lián)結 后降低電平得失效，判斷就就是有電流倒灌,經(jīng)汁算就

17、就是由于電路得電阻太小導致電流太大 使得偏置失效，改正后電路正常工作。軟件調試算法系數(shù)整定、確泄比例增益A 確泄比例增益 時，首先去掉得積分項與微分項，一般就就是令、，使為 純比例調節(jié)。輸入設疋為系統(tǒng)允許得最大值得，由逐漸加大比例增益，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩;再 反過來，從此時得比例增益逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時得比例增益，設左得比例 增益為當前值得。比例增益調試完成。、確左積分時間常數(shù)4比例增益確左后，設左一個較大得積分時間常數(shù)得初值，然后逐漸減 小，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時得，設定得積分 時間常數(shù)為當前值得。積分時間常數(shù)調試完成。、確左積分時間常數(shù)A積分時間常數(shù)一般不用設左，為即可。若要設立,與確左與得方法相同，取不振蕩時得。第六章進一步討論0針對被控對象得非線性，設計分段式變參數(shù)控制算法，對不同得溫度段使用不同得參數(shù)。()采樣中斷使用得就就是單片機得內部龍時器，