基于单片机的恒温连续可调型温控系统

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3 q2 u0 Z9 B$ U7 b  _  I) r: H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
; d/ P$ j2 F- I" N# V: o0 x7 O/ h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
9 y3 f& l/ l3 b. x. F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
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。
$ v  T( s2 ?+ B' z6 s' _3 W* R关键词:单片机; A/D变换器; PID;温度控制
1引言
" g1 l4 O4 \7 T一般意义下的温度控制装置中，作为一种传统的控制设
: |% E  f" Q2 ?0 h: h. k1 G9 Z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.
) t& q( n' F4 D1 p3 ~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。
( R3 n$ g# p. F9 n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
9 N! `- K  i8 U1 _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
的,因此还有需要我们进-步开发与探索的实际问题。
在此项课题中有以下技术指标要求:①气体温度最高可加
热到500C,并在此温度下保持恒定,控制其最大温差不超过
1 G& O3 n7 c  ~! q1C;②根据气体的浓度,使系统对该气体控制的恒定温度在
. L5 V$ Y# D0 X7 ?5 p# L! F9 \5 m300- 500范围内,做到能够进行自动识别和连续可调的功能，
3 E; @: j/ h2 y1 l) j  j2 ?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
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
  Z0 n9 V4 t2 q1 K8 w2 k高、性能可靠。
1 i) o9 ]6 v3 K9 t; k8 l根据课题背景要求,从控制理论、传热理论、硬件电路实
$ t- L" f+ o# M3 z/ t/ X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
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
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
" E' n& E8 m* B& H7 T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
PID实现,得出实验数据和曲线，针对调试中所使用的被控对象
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
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
的控制方法(预报自适应控制)，通过仿真验证其控制效果与
! A, r! g, `$ ?- i% U( V# P1 pPID比较可得到进一步改善 ,实现后有一定的应用价值。

- E' b" p4 |% R3 ~/ _7 N# u' Z2系统总体设计
温度控制系统的硬件结构框图如图1所示,它由温度检测
0 e% k! T0 E6 \7 ?; _电路、电压前馈电路、AD变换电路、单片机接口电路、输出控
制电路故障报警电路等组成。本系统采用MCS- -8051作为微
2 G  z9 b  P9 T& E$ @% W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
( k5 a) S2 L' ^$ i测温电路;采用AD7705作为精密测温电路与单片机的转换通
道。为提高温控质量,还加入电网电压采样电路,通过AD77OS
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
3 y# m1 Z1 P5 _5 V2 J' i& x) E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
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
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
3 @$ O2 Y6 ?2 S$ U% c' N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.
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
! J& {5 ]* ]  W4 o8 A. Z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
冲周期选择为20ms。为确保在系统参数整定过程中出现超限
. u+ G* {: r+ w3 @: K/ H0 }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
5 c0 p2 T* Y9 I6 E7 V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
# V/ f1 C+ g" U* R( G$ E: x, L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。
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
电压前馈电路一
健盘一液晶显示L +故障报警电路
图1温度控制系统的硬件结构框图
3系统的PID控制
* y* [5 n  a) C/ `* o* e在模拟控制系统中是将被测参数,如温度.压力、流量等由
6 {( J; I2 l" Y5 W. i; k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
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Monika

为确保在系统参数整定过程中出现超限及故障情况下系统能够及时报警,采用了蜂鸣器报警电路

张sir

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