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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41.5PID 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83.2PID 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。温度控制系统摘要：本文介绍了以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 Temperature.Keywords:Control system of temperature PID control Single-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2040C;(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 0.5；温控精度 0.2温度控制系统(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总体方案设计薄膜铂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 系统总体框图保温箱半导体致冷片传感器温 度 传A/D 转换感半导体致冷片单 片 机电 压 放控 温 电 路D/A 转换大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； 经过铂电阻特性分析， 在要求的温度范围内铂电阻的线性较好，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，这里采用了一温度控制系统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 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。R1U1LM317+15V32+5V3kVINVOUTJDA1R3240C1R2C21u3k100u1.4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）的温度控制系统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。1.5PID 算法原理1、基本PID算法P( n)K pe(n)e(n1)K i e(n)K d e( n)2e(n1)e(n2)其中 e(t )VoV (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，Vo 和 V(t) 用 8 位表示显然是不够的。处理方法是在Vo 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温度控制系统应，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-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。控制r (k) c(k) e(k)Bang-BangPID 控制当前值与设定值相差在阈值以内时，采用 PID 算法计算输出控制量；当在以外时，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。温度控制系统第二章重要电路设计2.1温度采集图 2 1 温度采集电路Vc cPA RAM ETE RS:R8010k7Vc cVc c23U1+87+V OS2R20U4D16R253+8+LM385OU T330k1kV OS23241Vc cC16VoutR51k-OS17R19OU T- Vdd0.1uOP-07R17U3241V03+80-OS1+VOS21k-OP-0710k60VVddR18OU T214R2610k-OS1R30Vc cOP-07-1k7U2VVdd3+819. 2kC3+V OS2OU T6330k R210.1u21C2Vc cVdd-4OS1R28Vc cR29OP-07- VddVdd1081u115.5V15Vdc-15Vdc000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 为薄膜铂电阻，与R28 在电桥的两个臂上，将铂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、把铂电阻定在18 度的阻值106.6 欧姆，调节R23，使输出为0。2、把铂电阻定在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 定在几十HZ 。2.2温度控制1. 电压变换 ：电路图见图 22图 2 2 电压变换电路20kR4R55k12C1Iout11nR14-152V-1OS1-Vout10k6OUT3OS28+7U1V+15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pcontrol+12V温度控制系统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 385，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 23 所示。电路说明： （ 1 ） 单片机的串口 P1.2 的输出经过继电器的驱动芯片 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U111B1C162152B2C3143B3C4134B4C5125B5C6116B6C7107B7C9COMLS1ULN2003A2U21LM338142VOUT312VIN13R4J101kD9C1A110.1u1R28R7671k3004R331kR61k5U3RELAY 4PDTLM3382VOUT3VINJC2D0.1uA1R8R11k300R51k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。温度控制系统二、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 1 DA芯片：占用地址空间 0a000h PID 算法中的数据：采样温度 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 26H3.2PID 控制数字 PID 表达式为：P( n)K p e(n)Tne( j )Td e( n)e(n1)Tij0T其中 e(t )VoV (t )改写为增量形式 ：P (n)K p e( n)e(n1)K i e( n)K d e( n)2e( n1)e( n2)具体流程图可见图31。图 3 1 数字 PID 增量型控制算法流程图温度控制系统AD 结果赋给V(t)计算 e(t)=Vo(t)-V(t)求控制增量 P(n) P(n)与 P(n-1)相加求得 P(n)更新 P(n-1),e(n-1),e(n-2)输出控制量P(n)返回3.3 时间最优的PID 控制流程图图 3 2 时间最优的PID 控制流程图求得 e(n)N|e(n)|开关控制YPID 控制输出控制量P(n)温度控制系统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： 18.0 42，显示精度： 0.1 ，可使控温箱体内的温度恒定在 18 40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）调节电桥满足铂电阻额定电流 1mA；（2）在 17 摄氏度调节零点；（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串扰：温度控制系统可以采用诸如模、数、功率分离，一点接地等方法来避免串扰；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 Ti=0 、Td=0，使 PID 为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由 0 逐渐加大比例增益 P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P 逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定 PID 的比例增益P 为当前值的60%70%。比例增益 P 调试完成。b.确定积分时间常数Ti比例增益 P 确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti 的初值，然后逐渐减小 Ti，直至系统出现振荡， 之后在反过来， 逐渐加大 Ti，直至系统振荡消失。记录此时的 Ti，设定 PID 的积分时间常数 Ti 为当前值的 150%180%。积分时间常数 Ti 调试完成。c.确定积分时间常数Td积分时间常数 Td 一般不用设定，为0 即可。若要设定，与确定P 和 Ti 的方法相同，取不振荡时的30%。第六章进一步讨论(1) 针对被控对象的非线性，设计分段式变参数控制算法，对不同的温度段使用不同的参数。(2) 采样中断使用的是单片机的内部定时器，会占用较多的系统资源，可以考虑改用外部定时器，用中断口 1。(3)可以在程序中加入数字滤波的程序，使采集的信号更加平稳。(4)测温时将温度转换为频率 f,然后与系统版的时钟比较得到温度值。 前向通道则只需采用分压，压控振荡，甚至不需要 A/D.(5) 已经实现的人机界面主要是针对便于调试加入显示控制量和目标差；实际的友好界面应显示调节效果的参数 .温度控制系统参考文献1胡汉才 单片机原理及其接口技术北京 清华大学出版社1996 年 7 月2曹承志 微型计算机控制新技术北京 机械工业出版社2001 年 3 月3 数电实验讲义4 单片机实验讲义、5 何小艇 电子系统设计 浙江大学出版社6 陆坤等 电子设计技术 电子科技大学出版社