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T; o; t0 D+ n4 M" U摘要:提出了一种基于单片机的温控系统软件和硬件的设计方案。本设计采用.8位单片机和16位A/D变换器相组合构成
$ q& a8 r0 t" J) Z+ j9 l1 ~温度采集系统进一步提高系统的性价比。采用数字PID控制使温控精度在300-500C范围内达到1C,并可实现温度设定值
: y9 h$ Q2 S3 x6 L) I* Q的连续可调。采用铂电阻温度测量电路,并利用软件对测量精度进行自校准;通过电压前馈控制减少电网干扰。设计中还加3 u! w z! J" A& }! n8 R
入了光电隔离措施及过热自动保护和报警功能,增强了系统的安全性能。
6 f% M8 a. a- G. o4 U n关键词:单片机; A/D变换器; PID;温度控制8 s' c2 u, w- _% Y* H
1引言; A8 C9 A3 h) t- p4 D! y. T
一般意义下的温度控制装置中，作为一种传统的控制设! J2 J* {+ C E5 c2 w
备,目前在国内外的工业、医疗及日常生活领域等各个方面,其.
4 w/ G- k4 Y1 `0 T- Q8 v种类繁多,控制方式及控制手段不胜枚举,其概念也并不新奇。
, S) L) P' I5 `5 e然而温度控制技术在工程应用中,在专用化和高指标方面还有2 X4 ~- C# Q2 v
很大的发展空间,特别是本课题所涉及的系统是带有时滞特性) v( ^& q, o/ A$ s5 m, y
的,因此还有需要我们进-步开发与探索的实际问题。/ o4 C8 Y3 S7 q) S% k: K9 Z' O
在此项课题中有以下技术指标要求:①气体温度最高可加/ \6 A$ G2 \9 R( Z5 w
热到500C,并在此温度下保持恒定,控制其最大温差不超过
4 y9 x+ ~( W2 b: i/ m0 v1C;②根据气体的浓度,使系统对该气体控制的恒定温度在
0 }6 n" X6 W& a% e+ ]2 g( ?300- 500范围内,做到能够进行自动识别和连续可调的功能，
, O4 D8 d( x! b并能使各恒温点的控制精度保持在1C;③对气体的温度进行% \/ D9 z% ~- r
实时监测和实时显示;④故障报警;⑤装置整机体积小、灵敏度2 B y! s6 g' d1 h
高、性能可靠。$ x3 a5 H6 J- m. \% _1 e; T* S8 H
根据课题背景要求,从控制理论、传热理论、硬件电路实8 g r- P3 P# b! u1 M9 o: t) t
现、计算机控制等几个方面进行考虑来设计和实现基于单片机+ j, S' H: s) Y9 M+ x" ], r
的恒温连续可调型温控器。考虑到PID控制在工程领域的普遍& y! v# @! ? w
适用性、无须知道被控制对象精确的数学模型、其控制鲁棒性
" t& q( ^" r( l0 X& \强等特点,本文在对系统的设计过程中,首先进行了此系统的
: H2 C" y: w: p5 l5 h7 M: y6 xPID实现,得出实验数据和曲线，针对调试中所使用的被控对象1 v- W# O/ d# t1 @# {
缩比模型与实际的被控对象相比还需要有进- -步完善之处,并" x+ J) k2 W# U
根据系统的时滞特性和系统参数的时变特性,考虑采用更现代
( d j4 G; A- A6 k+ D的控制方法(预报自适应控制)，通过仿真验证其控制效果与
% P' \4 y8 G5 v( U5 `$ ~PID比较可得到进一步改善 ,实现后有一定的应用价值。* k6 {$ v7 q. z3 l6 d7 k1 U6 D) n
5 h- ~9 K( f+ e+ b* \3 d" d7 \" L' P2系统总体设计
T4 Q* A7 U; f/ N$ L温度控制系统的硬件结构框图如图1所示,它由温度检测( M- G1 K- \7 [5 s
电路、电压前馈电路、AD变换电路、单片机接口电路、输出控- [$ W2 }0 Z! m: V" L
制电路故障报警电路等组成。本系统采用MCS- -8051作为微$ R y7 ? i0 Q5 I
处理器;采用铂电阻作为测温传感器,与运放相结合构成精密
+ `8 p% w' R7 T$ K0 F" U2 @3 Y测温电路;采用AD7705作为精密测温电路与单片机的转换通
1 ^9 O/ l f/ h* J8 e" v" ^道。为提高温控质量,还加入电网电压采样电路,通过AD77OS
5 S+ R4 d1 w" T' n- @的第二输入通道送人单片机,可根据实际需要对电网电压扰动! d7 q+ F3 i# Z
进行电压补偿。在控制端采用光电器件对执行机构进行光电隔
( \# j& x/ M; o离,以消除执行机构的高压信号对控制系统的影响。系统输出
* r( d/ Z1 b- W7 T. k环节通过单片机输出口控制开关管的通断,形成脉宽调制,PID
p) ^2 z0 x; q/ w2 V# P& T# h运算获得的控制数据量通过控制系统输出脉宽的占空比得到.
, X3 |* y! O& }) ~0 M与控制数据量成正比的直流电压，从而改变电阻丝的加热功! x6 G+ W! v# c' x* Q$ w
率。控制脉冲的周期应选得尽量小些,以增加温控的稳定性。脉5 ?$ m0 |, q6 n
冲周期选择为20ms。为确保在系统参数整定过程中出现超限) g, B( _% o& a# E
及故障情况下系统能够及时报警,采用了蜂鸣器报警电路。为; X% d# S# R( e9 Y
实现温控点的连续可调,采用键盘中断方式,可对系统初始化 }0 g2 k! b' O
参数进行重新设定。温度控制系统的软件模块图如图2所示。. J2 h; V9 n1 C$ ^
温度检测电路AD变换电路]单机片上光电隔离上加热控制电路- H3 A( R1 b$ i
电压前馈电路一. E' J& ^$ ]$ O$ y. T% l) h4 Z; g
健盘一液晶显示L +故障报警电路' `3 C& @0 _4 h
图1温度控制系统的硬件结构框图
/ G; p- z9 Y4 r3 L0 P3 F8 Y& P3系统的PID控制
" H/ N) s3 ^0 q! q+ ~在模拟控制系统中是将被测参数,如温度.压力、流量等由( n3 y. l% S1 w( U
传感器变换成统--的标准信号输人调节器,在调节器中与给定6 V! P- Y/ U1 f4 q: {) A
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发表于 2020-4-24 09:48
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