1、温度控制系统设计温度控制系统设计 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 Comt
2、rol 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2C；过
3、渡时间小于5min；静差小于0.5；温控精度0.2(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11 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；经过铂电
4、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
5、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
6、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。1.4 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算法的中断采用的是内部定时器，可以简化
7、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算法原理1、基本PID算法其中Vo和V
8、(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K
9、p，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
10、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、
11、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
12、输出）的加热，要么就全功率的制冷。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。 第二章 重要电路设计2.1 温度采集图21 温度采集电路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R
13、23，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22 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(-50V) 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
14、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23 功率输出电路 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
15、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：其中改写为增量形式
16、：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 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：18.042，显示精度：0.1 ，可使控温箱体内的温度恒定在1840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
17、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
18、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：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
19、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3
20、0%。 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. 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
