基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

韓曉翠

[摘要]針對溫度控制的要求,提出了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案,系統(tǒng)由溫度檢測、數(shù)據(jù)處理和溫度控制三部分組成,采用Pt100鉑電阻溫度傳感器為測溫元件,以16位的AD7705為A/D轉(zhuǎn)換器,以AT89S51單片機(jī)為控制核心,對溫控箱的溫度進(jìn)行恒溫控制。系統(tǒng)設(shè)置了保護(hù)電路,并且在溫度控制算法方面采用了經(jīng)典的PID控制算法。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī) 溫度控制數(shù)字PID控制

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高,特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生,給人們的生活帶來了根本性的變化?，F(xiàn)代社會中,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,溫度檢測和控制迅速發(fā)展,酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子,溫度控制將更好的服務(wù)于社會。目前,單片機(jī)控制器用于從生活工具到工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域。

2 現(xiàn)狀分析

首先,溫度傳感器采用的是Pt100鉑電阻溫度傳感器。Pt100鉑電阻的電阻與溫度在坐標(biāo)軸上呈非線性,此溫度控制系統(tǒng)采用折線法對其校正,誤差較大。

其次,進(jìn)行溫度采集和A/D轉(zhuǎn)換、濾波器濾波時,溫度采樣的數(shù)據(jù)較難控制精確。基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)通常直接放在生產(chǎn)現(xiàn)場,會受到嚴(yán)重干擾,此系統(tǒng)采用了濾波方法來濾除干擾,數(shù)字濾波算法有很多,本系統(tǒng)采用了去極值平均濾波,就是連續(xù)六次取樣,去掉最大和最小值,取其它四個的平均值作為本次采樣值。這樣做,誤差會不可避免的出現(xiàn)。

再次,在用可控硅輸出電路作為執(zhí)行部件進(jìn)行溫度控制前,要用PID控制進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算和策劃,計算機(jī)PID算法是用差分方程近似實現(xiàn)的。最大缺點是現(xiàn)場PID參數(shù)整定麻煩,容易受到外界干擾,對于滯后大的過程控制,調(diào)節(jié)時間過長。其控制算法需要預(yù)先建立模型,對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響很難歸并到模型中,被控對象模型參數(shù)難以確定,外界干擾會使控制脫離最佳狀態(tài)。

3 解決方法

首先,對于Pt100鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行非線性校正時,用最小二乘法進(jìn)行非線性校正,盡量避免誤差的產(chǎn)生,使其誤差趨于最小化。按照此系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn),要求系統(tǒng)控制精度較高。為保證系統(tǒng)高精度的要求,Pt100鉑電阻溫度傳感器的選用十分重要。Pt100鉑電阻作為溫控傳感器件為大家所熟知,Pt100鉑電阻需在兩個方面嚴(yán)格把關(guān):(1)鉑電阻的精度直接影響系統(tǒng)的測溫精度。需綜合檢驗鉑電阻生產(chǎn)廠家的鉑電阻精度等級。(2)鉑電阻的靈敏度直接影響系統(tǒng)的控溫精度。鉑電阻的靈敏度受三方面的影響:感溫材料、金屬封裝材料和生產(chǎn)廠家的制造工藝,同等精度下的鉑電阻靈敏度差異很大。通過反復(fù)的試驗和Pt100生產(chǎn)廠家的工藝改進(jìn),將鉑電阻的靈敏度調(diào)至最佳。

其次,對于輸入通道的一些系統(tǒng)部件進(jìn)行精確的選取和控制,使溫度數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)化趨于優(yōu)化。溫度采集模塊的選用,采樣精度和采樣時間需符合系統(tǒng)的精度要求。對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波時,多采集幾次數(shù)據(jù),取比較集中的數(shù)據(jù)利用去極值平均濾波的方法進(jìn)行濾波。

再次,溫度控制電路采用可控硅調(diào)功方法,雙向可控硅相當(dāng)于一雙反相并聯(lián)的普通可控硅,具有正反相都能控制導(dǎo)通的特性,可用作調(diào)溫器。將它串在50HZ交流電源和加熱絲電路中,只要在給定周期內(nèi)改變可控硅開關(guān)的接通時間,就能改變加熱功率,從而實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。對于這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu),單片機(jī)只要輸出能控制可控硅通斷時間的脈沖作為信號就可以了,這可用一條功線通過程序輸出控制脈沖。智能型PID溫度控制表的選用,同樣采樣精度和采樣時間需符合系統(tǒng)的精度要求。PID控制算法參數(shù)的選擇取決于溫控箱的階躍響應(yīng)特性和實際狀況,在程序中假設(shè)都為正小數(shù),參與運(yùn)算的數(shù)都變?yōu)橛嬎銠C(jī)易于處理的形式,數(shù)據(jù)處理方法如下:(1)把所有的數(shù)都變成定點純小數(shù)進(jìn)行處理;(2)算式中的各項都有正負(fù),用補(bǔ)碼表示,計算結(jié)果以原碼輸出;(3)雙精度運(yùn)算,為了保證運(yùn)算精度對單字節(jié)16位進(jìn)行運(yùn)算,最后結(jié)果取8位有效值輸出。

4 溫度控制系統(tǒng)

常用的溫度檢測元件主要有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等。熱電偶主要是利用兩種不同金屬的熱電效應(yīng),產(chǎn)生接觸電勢隨溫度變化而變化,從而達(dá)到測溫的目的。測量準(zhǔn)確,價格適中測溫范圍寬,線性度較好。熱敏電阻由金屬氧化物或半導(dǎo)體材料制成,靈敏度高、熱惰性小、壽命長、價格便宜。但其測量的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性差,熱電阻是利用金屬的電阻率隨溫度變化而變化的特性,將溫度量轉(zhuǎn)化成電阻量。其優(yōu)點是準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、性能可靠,熱慣性小、復(fù)現(xiàn)性好,價格適中。熱電阻所測得的是電阻量,需要轉(zhuǎn)化為電壓量才能被控制器采集。溫度是一種變化時間常數(shù)較大的物理量,對A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高,先將電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率量,再通過控制器的計數(shù)功能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,這樣可以大大提高精度,節(jié)約成本?？刂破骺捎卸喾N選擇。如模擬電路、單片機(jī)、邏輯器件等。模擬電路控制可對偏差變化進(jìn)行連續(xù)的控制,技術(shù)成熟,性能較穩(wěn)定。但其缺點是不便于顯示,調(diào)整PID參數(shù)需更換元器件,易受到外界干擾等,在現(xiàn)在這個數(shù)字化高度發(fā)展的時代已趨于淘汰。單片機(jī)作為微型計算機(jī)的一個分支,已有二十多年的發(fā)展,在各控制領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用?？刂破鲗⑵銹ID運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)化為不同占空比的脈沖信號輸出,該信號作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)還需要經(jīng)過驅(qū)動電路。

5 總結(jié)

設(shè)計采用Pt100鉑電阻溫度傳感器為測溫元件,以16位的AD7705為A/D轉(zhuǎn)換器,以AT89S51單片機(jī)為控制核心,通過光電耦合器MOC3041驅(qū)動的雙向可控硅電路作為輸出部分,對溫控箱的溫度進(jìn)行恒溫控制。使溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏600度之間,而溫控箱的精度要求為±0.1℃。人機(jī)接口采用HD7279A驅(qū)動下的鍵盤顯示電路。根據(jù)鉑溫度傳感器線性好的特點,對電阻溫度進(jìn)行檢測,減少了傳感器的非線性誤差。同時利用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器,并運(yùn)用PID算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)定時對溫度進(jìn)行檢測,信號經(jīng)A/D變換得到相應(yīng)的數(shù)字量,送到計算機(jī)中進(jìn)行判斷和運(yùn)算得到相應(yīng)的控制量,去控制加熱功率。系統(tǒng)設(shè)置了保護(hù)電路,并且在溫度控制算法方面采用了經(jīng)典的PID控制算法。所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)具有精度高,成本低和穩(wěn)定可靠的特點。

隨著時代的進(jìn)步、社會的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷更新,溫度的控制范圍要求不斷擴(kuò)大,同時溫度的控制準(zhǔn)確性要求不斷提高,對溫度的控制精度要求也越來越高。而此溫度控制系統(tǒng)由于存在某方面的不足,使溫度控制精度不是很高,有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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