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基于单片机的温度控制系统的设计
作者：韩晓翠
来源：《商情》2009年第16期
[摘要]针对温度控制的要求,提出了基于单片机的温度控制系统的设计方案,系统由温度检测、数据处理和温度控制三部分组成,采用Pt100铂电阻温度传感器为测温元件,以16位的AD7705为A/D转换器,以AT89S51单片机为控制核心,对温控箱的温度进行恒温控制。系统设置了保护电路,并且在温度控制算法方面采用了经典的PID控制算法。 [关键词]单片机 温度控制数字PID控制 1 引言
随着电子技术的发展和人们生活质量的提高,特别是随着大规模集成电路的产生,给人们的生活带来了根本性的变化。现代社会中,随着科学技术的进步,温度检测和控制迅速发展,酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子,温度控制将更好的服务于社会。目前,单片机控制器用于从生活工具到工业应用的各个领域。 2 现状分析
首先,温度传感器采用的是Pt100铂电阻温度传感器。Pt100铂电阻的电阻与温度在坐标轴上呈非线性,此温度控制系统采用折线法对其校正,误差较大。
其次,进行温度采集和A/D转换、滤波器滤波时,温度采样的数据较难控制精确。基于单片机的温度控制系统通常直接放在生产现场,会受到严重干扰,此系统采用了滤波方法来滤除干扰,数字滤波算法有很多,本系统采用了去极值平均滤波,就是连续六次取样,去掉最大和最小值,取其它四个的平均值作为本次采样值。这样做,误差会不可避免的出现。
再次,在用可控硅输出电路作为执行部件进行温度控制前,要用PID控制进行数据的计算和策划,计算机PID算法是用差分方程近似实现的。最大缺点是现场PID参数整定麻烦,容易受到外界干扰,对于滞后大的过程控制,调节时间过长。其控制算法需要预先建立模型,对系统动态特性的影响很难归并到模型中,被控对象模型参数难以确定,外界干扰会使控制脱离最佳状态。 3 解决方法
首先,对于Pt100铂电阻温度传感器进行非线性校正时,用最小二乘法进行非线性校正,尽量避免误差的产生,使其误差趋于最小化。按照此系统设计的标准,要求系统控制精度较高。为保证系统高精度的要求,Pt100铂电阻温度传感器的选用十分重要。Pt100铂电阻作为温控传感器
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件为大家所熟知,Pt100铂电阻需在两个方面严格把关:(1)铂电阻的精度直接影响系统的测温精度。需综合检验铂电阻生产厂家的铂电阻精度等级。(2)铂电阻的灵敏度直接影响系统的控温精度。铂电阻的灵敏度受三方面的影响:感温材料、金属封装材料和生产厂家的制造工艺,同等精度下的铂电阻灵敏度差异很大。通过反复的试验和Pt100生产厂家的工艺改进,将铂电阻的灵敏度调至最佳。
其次,对于输入通道的一些系统部件进行精确的选取和控制,使温度数据的采集和转化趋于优化。温度采集模块的选用,采样精度和采样时间需符合系统的精度要求。对转换后的数据进行滤波时,多采集几次数据,取比较集中的数据利用去极值平均滤波的方法进行滤波。 再次,温度控制电路采用可控硅调功方法,双向可控硅相当于一双反相并联的普通可控硅,具有正反相都能控制导通的特性,可用作调温器。将它串在50HZ交流电源和加热丝电路中,只要在给定周期内改变可控硅开关的接通时间,就能改变加热功率,从而实现温度的调节。对于这样的执行机构,单片机只要输出能控制可控硅通断时间的脉冲作为信号就可以了,这可用一条功线通过程序输出控制脉冲。智能型PID温度控制表的选用,同样采样精度和采样时间需符合系统的精度要求。PID控制算法参数的选择取决于温控箱的阶跃响应特性和实际状况,在程序中假设都为正小数,参与运算的数都变为计算机易于处理的形式,数据处理方法如下:(1)把所有的数都变成定点纯小数进行处理;(2)算式中的各项都有正负,用补码表示,计算结果以原码输出;(3)双精度运算,为了保证运算精度对单字节16位进行运算,最后结果取8位有效值输出。 4 温度控制系统
常用的温度检测元件主要有热电偶、热电阻、热敏电阻等。热电偶主要是利用两种不同金属的热电效应,产生接触电势随温度变化而变化,从而达到测温的目的。测量准确,价格适中测温范围宽,线性度较好。热敏电阻由金属氧化物或半导体材料制成,灵敏度高、热惰性小、寿命长、价格便宜。但其测量的稳定性和复现性差,热电阻是利用金属的电阻率随温度变化而变化的特性,将温度量转化成电阻量。其优点是准确度高、稳定性高、性能可靠,热惯性小、复现性好,价格适中。热电阻所测得的是电阻量,需要转化为电压量才能被控制器采集。温度是一种变化时间常数较大的物理量,对A/D转换速度要求不高,先将电压信号转化为频率量,再通过控制器的计数功能转化为数字信号,这样可以大大提高精度,节约成本。控制器可有多种选择。如模拟电路、单片机、逻辑器件等。模拟电路控制可对偏差变化进行连续的控制,技术成熟,性能较稳定。但其缺点是不便于显示,调整PID参数需更换元器件,易受到外界干扰等,在现在这个数字化高度发展的时代已趋于淘汰。单片机作为微型计算机的一个分支,已有二十多年的发展,在各控制领域都有广泛的应用。控制器将其PID运算的结果转化为不同占空比的脉冲信号输出,该信号作用于执行机构还需要经过驱动电路。 5 总结
设计采用Pt100铂电阻温度传感器为测温元件,以16位的AD7705为A/D转换器,以AT89S51单片机为控制核心,通过光电耦合器MOC3041驱动的双向可控硅电路作为输出部分,
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对温控箱的温度进行恒温控制。使温控箱的温度控制范围在室温到摄氏600度之间,而温控箱的精度要求为±0.1℃。人机接口采用HD7279A驱动下的键盘显示电路。根据铂温度传感器线性好的特点,对电阻温度进行检测,减少了传感器的非线性误差。同时利用单片机作为数据处理器,并运用PID算法进行数据处理。单片机定时对温度进行检测,信号经A/D变换得到相应的数字量,送到计算机中进行判断和运算得到相应的控制量,去控制加热功率。系统设置了保护电路,并且在温度控制算法方面采用了经典的PID控制算法。所设计的温度控制系统具有精度高,成本低和稳定可靠的特点。
随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新,温度的控制范围要求不断扩大,同时温度的控制准确性要求不断提高,对温度的控制精度要求也越来越高。而此温度控制系统由于存在某方面的不足,使温度控制精度不是很高,有待进一步改进。
参考文献:[1]梁伟.一种精密的热电阻测温方法[J].电子产品世界,2003,24(08A):98-106.[2]张振仁.数字滤波在高精度温度测量中的应用[J].传感器技术,2006,16(2):90-98.