溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2、書簽。硬件測(cè)試錯(cuò)誤!未指定書簽。軟件調(diào)試錯(cuò)誤!未指定書簽。第六章進(jìn)一步討論錯(cuò)誤!未指定書簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未指定書簽。致謝錯(cuò)誤!未指定書簽。摘要:本文介紹了以單片機(jī)為核心得溫度控制器得設(shè)計(jì)，文章結(jié)合課題溫度控制系統(tǒng)，從硬 件與軟件設(shè)計(jì)兩方而做了較為詳盡得闡述。關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng)控制 單片機(jī)引言：溫度控制就就是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到得過程控制，有些工藝過程對(duì)英溫度得控制效果直 接影響著產(chǎn)品得質(zhì)量，因而設(shè)訃一種較為理想得溫度控制系統(tǒng)就就是非常有價(jià)值得。本文設(shè) 計(jì)了以單片機(jī)為檢測(cè)控制中心得溫度控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)得數(shù)字控制算法，顯示采 用靜態(tài)顯示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(biāo)要求：超調(diào)星小于。；過渡時(shí)間小于;靜差小于。C；溫控精度。C0實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，設(shè)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(shè)計(jì)薄膜鉗電阻將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)溫度采集電路放大、濾波后，送轉(zhuǎn)換器采樣、量化.量化后 得數(shù)據(jù)送單片機(jī)做進(jìn)一步處理；當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)與設(shè)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(zhuǎn)換器得到控制電壓,經(jīng)功率放大后供半導(dǎo)體致冷器加熱或制冷，從而實(shí)現(xiàn)溫度得 閉環(huán)控制。系統(tǒng)大致可以分為:傳感、單片機(jī)處理、控制及溫控箱。圖-系統(tǒng)總體框圖勢(shì);經(jīng)過鉗電阻特性分析，在要求得溫度范國內(nèi)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(duì)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(yùn)放。因?yàn)闇囟茸兓⒉痪途褪呛芸?，所以電路?duì)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(zhuǎn)換器輸出得電壓控制信號(hào)，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(dǎo)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(zhuǎn)換器輸岀得電壓控制信號(hào)經(jīng)過電壓放大、功率放大后，給兩片半導(dǎo)體制冷器件供電。 期外單片機(jī)還輸出一個(gè)用來控制就就是加熱還就就是制冷得控制信號(hào)。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(diǎn),可將控制信號(hào)利用運(yùn)放方向放大后，輸入至穩(wěn)壓芯片得端,輸出信號(hào)得電壓范用與功率 放大至合適得大小。具體設(shè)汁為輸出得控制信號(hào)，經(jīng)上述處理，在端利用繼電器，由單片機(jī)輸出 得加熱制冷控制信號(hào)控制繼電器得閉合方向，改變半導(dǎo)體器件得電流方向，從而控制加熱或 制冷。系統(tǒng)電源本設(shè)訃需要供電得部分有溫度采集部分須有基準(zhǔn)電壓供電，單片機(jī)處理系統(tǒng)得數(shù)字電路部分 需要+得電源，而實(shí)驗(yàn)室得電源會(huì)有紋波，故采用穩(wěn)壓芯片自行設(shè)計(jì)，電路如圖，調(diào)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(huì)使

6、電壓不穩(wěn)。單片機(jī)處理系統(tǒng)及溫控箱設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下： 模數(shù)部分將傳感信號(hào)量化為位二進(jìn)制數(shù)，并將其送入最小系統(tǒng)板： 控制層調(diào)用算法，計(jì)算出控制雖:，同時(shí)提供人機(jī)交互； 數(shù)模部分將控制量轉(zhuǎn)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(hào)等）得通信參照了微機(jī)原理與接口 實(shí)驗(yàn)中得實(shí)驗(yàn)箱電路得連接方法。調(diào)用算法得中斷采用得就就是內(nèi)部左時(shí)器，可以簡化外由 電路。溫控箱設(shè)計(jì)我們用實(shí)驗(yàn)室提供得材料自己設(shè)計(jì)制作了溫度控制箱體。控溫箱為正方體鋁箱，在其中相對(duì) 得兩個(gè)內(nèi)側(cè)表面用導(dǎo)熱硅膠粘貼了半導(dǎo)體致冷材料而成。為提高箱體絕熱性能，在除了粘有 半導(dǎo)體材料之外得其她內(nèi)表而

7、，都貼有保溫塑料層，為加強(qiáng)密閉性,盡量減少控制箱腔內(nèi)體積, 又要露出全部得半導(dǎo)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(gè)無接縫得整體，相對(duì)得半導(dǎo)體制冷片得兩側(cè)挖空，露出英全部而積,中間留有一個(gè) 很小得腔體作為溫度控制得空間（插入熱敏電阻與標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)制數(shù)，用一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。在上述公式中，存在差項(xiàng)，需要用補(bǔ)碼來表 示負(fù)數(shù)。所以必須用最髙位作為符號(hào)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(bǔ)一個(gè)值為零得字節(jié)，以兩字節(jié)來表示，運(yùn)算得最終結(jié)果結(jié)果取位

8、有效位?；镜盟惴ǎ枰ǖ孟禂?shù)就就是（比例系數(shù)）（積分系數(shù)）（微分系數(shù)）三個(gè)。這三個(gè)參數(shù)對(duì)系 統(tǒng)性能得影響如下：（）比例系數(shù) 對(duì)動(dòng)態(tài)性能得影響比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)得動(dòng)作靈敏，速度加快,偏大，振蕩次數(shù)加多， 調(diào)節(jié)時(shí)間加長。當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)泄，若太小，又會(huì)使系統(tǒng)得動(dòng)作緩慢； 對(duì)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(duì)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)性能得影響減少;而當(dāng)合適時(shí),過渡特性比較理想； 對(duì)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(shí)，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(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制,使靜差減小, 提髙控制精度。但當(dāng)偏大或偏小時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)巧時(shí)間較長，只有合適得時(shí)候，才可以得到 比較滿意得過渡過程。對(duì)系數(shù)實(shí)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(yīng)得系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快, 超調(diào)小得響應(yīng)。0加入積分環(huán)節(jié)。整泄時(shí)首先置積分系數(shù)一個(gè)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(dòng)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(yīng)得好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分系數(shù)。0若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分 環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，可先置微分系數(shù)為，在第一步得基礎(chǔ)上，增大，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)與積分 時(shí)間。、時(shí)間最優(yōu)得控制算法采用上述控制算法存在一個(gè)問題:當(dāng)設(shè)泄值比當(dāng)前值髙很多時(shí),在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，控制增量 都為正，而且在不斷得積累增大;只有當(dāng)溫度上升到設(shè)定值以上時(shí)，控制增量才有可能變?yōu)樨?fù) 值;要用負(fù)得控制增量抵消以前積累得正控制量，需要得時(shí)間較長;這正就就是產(chǎn)生超調(diào)屋得 根本原因。當(dāng)設(shè)泄值低于當(dāng)前值時(shí)情況類似。為解決這個(gè)問題，采用了時(shí)間最優(yōu)得控制算法。時(shí)間最

11、優(yōu)得控制即開關(guān)控制（控制）與控制相結(jié)合得控制方式。英思想就就是：開關(guān)控制即指 在當(dāng)前值與設(shè)左值偏差較大得情況下,控制系統(tǒng)進(jìn)入“開或者“關(guān)”兩種狀態(tài)。具體到本系 統(tǒng)，就就就是指當(dāng)前溫度與設(shè)左溫度差別很大時(shí)，要么全功率（最大電壓輸岀）得加熱，要么 就全功率得制冷。當(dāng)前值與設(shè)定值相差在閾值a以內(nèi)時(shí)，采用算法計(jì)算輸出控制量;當(dāng)在a以外時(shí)，則直接輸出最 大值作為控制量，不再調(diào)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(shè)計(jì)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(hào)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(yùn)算放大器。電阻為薄膜鉗電阻，與在電橋得兩個(gè)臂上，將鉗電阻得電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)得放大倍數(shù)左為 倍，得作用就就是調(diào)節(jié)放大倍數(shù),使輸出電壓為調(diào)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(diào)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(hào)()用一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成得反向放大器轉(zhuǎn)移到電平, 然后通過小功率穩(wěn)壓芯片降壓。這就就是因?yàn)榻?jīng)穩(wěn)壓芯片LM,電壓至少會(huì)提髙(-再經(jīng)過擴(kuò) 展九在調(diào)試過程中，

13、調(diào)節(jié)得阻值，便可調(diào)整反向放大器得增益,從而調(diào)整輸岀電壓得范國。、控制電路:具體電路包括由兩片構(gòu)成得功率放大，以及由繼電器構(gòu)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(jī)得串口得輸出經(jīng)過繼電器得驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體制冷器件得電流方向。0控制電壓信號(hào)經(jīng)放大分壓后輸入得端,與可用來調(diào)整零點(diǎn)。0由于得與端至少需要得壓降，而半導(dǎo)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(shí)器中斷:采集溫度數(shù)據(jù)、調(diào)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(yīng)鍵盤輸入；、中斷:外部中斷，就就是完成得反饋信號(hào)。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(shè)泄得溫度顯示緩沖區(qū)控制數(shù)字表達(dá)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(shí)間最優(yōu)得控制流程圖圖一時(shí)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(nèi)得溫度恒疋在。cc范圉內(nèi) 得任意溫度上。溫度控制系統(tǒng)得使用方法顯示當(dāng)前箱體內(nèi)得溫度值顯示控制量得大小顯示當(dāng)前溫度與設(shè)立溫度之間得差值設(shè)定目標(biāo)溫度值第五章系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析硬件測(cè)試調(diào)試流程穩(wěn)壓電源:調(diào)肖穩(wěn)壓電源對(duì)應(yīng)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(diào)節(jié)電橋滿足鉗電阻額眾電流；（）在攝氏度調(diào)卩零點(diǎn);（）升溫到一個(gè)較高溫度，確定覆蓋范圍：（）任意選定溫度，驗(yàn)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(shè)定溫度控制量得模為，調(diào)節(jié)調(diào)零變阻使得電壓為零；（）設(shè)左

16、溫度 控制戢得模最大，調(diào)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(yàn)證（） 改變溫度控制量方向，檢驗(yàn)繼電器動(dòng)作；0驗(yàn)證有載工作。一些調(diào)試技巧硬件調(diào)試得時(shí)候，不能盲目得調(diào)試，應(yīng)該首先分析一下原因，這一點(diǎn)可以通過測(cè)試硬件中得關(guān) 鍵點(diǎn)來得岀，再去調(diào)試相應(yīng)得部分；調(diào)試得主要方法就就是測(cè)試相應(yīng)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(shè)計(jì)原理。調(diào)試中遇到得問題及分析串?dāng)_：可以采用諸如模、數(shù)、功率分離，一點(diǎn)接地等方法來避免串?dāng)_：、 輸岀經(jīng)電平轉(zhuǎn)換至但聯(lián)調(diào)加入后向通道時(shí)電平轉(zhuǎn)換不起作用。解決方法:調(diào)試發(fā)現(xiàn)聯(lián)結(jié) 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(dǎo)致電流太大 使得偏置失效，改正后電路正常工作。軟件調(diào)試算法系數(shù)整定、確泄比例增益A 確泄比例增益 時(shí)，首先去掉得積分項(xiàng)與微分項(xiàng)，一般就就是令、，使為 純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)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(shí)得比例增益逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)得比例增益，設(shè)左得比例 增益為當(dāng)前值得。比例增益調(diào)試完成。、確左積分時(shí)間常數(shù)4比例增益確左后，設(shè)左一個(gè)較大得積分時(shí)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(shí)得，設(shè)定得積分 時(shí)間常數(shù)為當(dāng)前值得。積分時(shí)間常數(shù)調(diào)試完成。、確左積分時(shí)間常數(shù)A積分時(shí)間常數(shù)一般不用設(shè)左，為即可。若要設(shè)立,與確左與得方法相同，取不振蕩時(shí)得。第六章進(jìn)一步討論0針對(duì)被控對(duì)象得非線性，設(shè)計(jì)分段式變參數(shù)控制算法，對(duì)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(jī)得內(nèi)部龍時(shí)器，