单片机闭环温度控制系统设计(编辑修改稿)

单片机闭环温度控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

简单，易于实现。 但是在控制精度要求较高时，单纯地采用开环控制往往达不到满意的控制效果，所以此时必须采用闭环控制方式，常规采用模拟量的 ND 调节方式。 尽管这种方法已经被人们广泛采用，但是由于控制对象的复杂及多样性，在有些情况下未能获得满意的控制精度。 微型计算机，特别是单片微助计算机的应用，使各种工业控制都发生了巨 大的变化，由于单片机成本低、功能强、抗干扰性能好，从而使计算机控制应用于工业生产及各种领域成为可能，单片机在温度控制中的应用更具有其他控制手段无法比拟的优越性。 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。 根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，本文设计了以 89C51单片机为检测控制中心的水温自动控制系统。 温度控制采用改进的 PID 数字控制算法，显示采用 3 位 LED 静态显示。 该设计结构简单，控制算法 新颖，控制精度高，有较强的通用性。 所设计的控制系统有以下功能： (1)温度控制设定范围为40~90C，最小区分度为 ，标定温差 ，静态误差 ；（ 2）实现控制可以升温也可以降温；（ 3）实时显示当前温度值；（ 4）按键控制：设置复位键、功能转换键、加一键、减一键；（ 4）越限报警。 第一章 硬件电路设计 在温度控制中，经常采用是 硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分 ，对这两部分调节仪表进行调节，但都存在着许多缺点，用单片机进行温度控制使构成的系统灵活，可靠性高，并 可用软件对传感器信号进行抗干拢滤波和非线性补偿处理，可大大提高控制质量和自动化水平 ； 总的来说本系统由四大模块组成，它们是输入模块、单片机系统模块、计算机显示与控制模块和输出控制模块。 输入模块主要完成对温度信号的采集和转换工作，由温度传感器及其与单片机的接口部分组成。 输出模块由可控硅和可控硅驱动器组成。 MOC304X 芯片是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路。 它内部集成了发光二极管、双向可控和过零触发电路等器件。 它们的逻辑关系图如图所示。 水温控制硬件原 理图 系 统 组 成 图 从功能模块上来分有：主机电路 （ 本系统 以 89C51 单片机为检测控制中心 ） 、输入模块 输出模块 单 片 机 系 统 计 算 机 数据采集电路、键盘显示电路、 温度检测电路、光电隔离电路、 A/D 转换接口电路、 控制执行电路以及掉电保护电路。 硬件结构框图如图 1 所示。 MCS51型单片单板机 图 1 温度控制系统原理硬件结构框图 本系统的任务是对水的温度进行实时检测和控制 ， 单片机定时对温度进行检测，通过温度传感器把温度值转换成微弱的电压信号，该电压经放大器放大后通过 A/D 转换得到相应的数字量，再经数字滤波和查表程序得到当前的采样温度TX 通过串行通讯送给计算机。 将采样温度与设定温度进行比较， 如果 TX≠ T，则按照设计好的 PID 算法对偏差（采样温度 — 设定温度）进行运算、处理，得到一个调节量。 这里的调节量实际上对应着加热源打开或断开的时间。 如果采样温度小于设定温度，则单片机的 ， 89C51 内部导通，双向可控硅控制端 G 端出现同步触发脉冲，控制可控硅导通 ， 接通加热器 使温度升高； 温度升高到设定值时，单片机的 脚自动输出低电平， 89C51 内部截止，双向可控硅断开， 关闭加热器，如果采样温度 TX大于设定温度 T，则单片机的 脚输出高电平 ，接通冷却器或风扇使温度降低，直到两者的温度相同后，再让单片机的 脚输出低电平，关闭冷却器或风扇，从而使系统的温度保持在所要求的温度值上 ，达到温度控制的目的。 温度控制范围： 0℃～ 100℃ ,控制精度≤ ℃ . 1． 1 主机电路的设计 主机选用 INTEL 公司的 MCS— 51 系列单片机 89C51 来实现，利用单片机软件编程灵活自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。 本系统选用的 89C51 芯片时钟可达 12MHz，运算速度快，控制功能完善。 其内部具有 128字节 RAM，而且内部含有 4KB 的 EPROM 不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。 1． 2 I/O 通道的硬件电路的设计 就本系统来说，需要实时采集水温数据，然后经过 A／ D 转换为数字信号，送入单片机中的特定单元，然后一部分送去显示；另一部分与设定值进行比较，通过 PID 算法得到控制量并经由单片机输出去控制电炉加热或风扇降温。 1． 2． 1 数据采集电路的设计 数据采集电路主要由 AD590， MCl403， 0P07， 74LS373 组成。 考虑到温度信号为低电平缓变信号，对 A／ D 转换速度要求不高，为此，选用实效价廉的ADC0809，而且，还可以根 据需要扩展测量 8 路温度信号。 为了达到测量高精度的要求，选用温度传感器AD590， AD590 具有较高精度和重复性 (重复性优于 0． 1℃，其良好的非线形可以保证优于 0． 1℃的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线形补偿，可以达到 0． 1℃测量精度。 )超低温漂移高精度运算放大器 0P07 将温度 — 电压信号进行放大，便于 A／ D 进行转换， 输入计算机作进一步的处理， 以提高温度采集电路的可靠性。 模拟电路硬件部分见图 2。 1． 2． 2 电控制执行电路的设计 该部分电路是利用 89C51 单片机对温度器作实时控制， 由输出来控制电炉或风扇，电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。 其传递函数形式为 风扇可以认为是线形环节实现对水温的控制。 采用 PID 控制算法，利用微分作超前补偿以解决温度的惰性问题。 由于被控对象功率不大，所以采用了弱微分方式。 为了实现强电和弱电的隔离，要选择光电 隔离 器，但考虑 到输出信号要对可控硅进行触发，以便使电炉或风扇电路导通，所以选用既有隔离又有触发功能的 MOC304l。 光耦可控硅的特点是输入和输出完全隔离，相互无干扰，不考虑同步问题，不设同步变压器，故而用其组成的电路所用元件较少，电路简单明了，安装维修方便，成本低，触发电路板的体积可大幅度缩小，因而可用于各行业的调压、调速，特别在功率自动调节的工业加热炉、烘房和烘箱等领域有着十分广阔的前景。 其中 ； (见图 3)。 此外，还有越限报警，当温度低于 40C 时黄色发光二极管亮；高于 90C 时红 色二极管亮。 1． 3 键。