(完整版)温度控制系统设计

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:Thispaperintroducesatemperaturecontrolsystemthatisbasedonthesingle-chipmicrocomputer.ThehardwarecompositionandsoftwaredesignaredescriedindetailcombinedwiththeprojectComtrolSystemofTemperature.Keywords:ControlsystemoftemperaturePIDcontrolSingle-chipMicrocomputer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20~40°C;(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，这里采用了一保温箱半导体致冷片半导体致冷片传感器温度传感A/D转换单片机D/A转换电压放大控温电路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。VIN3ADJ1VOUT2U1LM317R13kC11uR23kC2100uR3240+15V+5V1.4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：①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；②控制层调用PID算法，计算出控制量，同时提供人机交互；③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()[()(1)]()[()2(1)(2)]pidPnKenenKenKenenen其中()()oetVVt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Kp①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