溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

朱文立　張華山　王衍橋　吳帝

摘要：本系統(tǒng)使用了MC9S12XS128作為接收信號(hào)、處理信號(hào)、輸出信號(hào)的核心，由4*4鍵盤作為設(shè)定溫度的輸入工具，12864作為顯示工具，以及LM35作為測(cè)溫元件；采用PID算法下的PWM波對(duì)水泥電阻和風(fēng)扇進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)加熱或降溫的速度和幅度，實(shí)現(xiàn)了在設(shè)定溫度誤差1%的攝氏度下的溫度控制；采用定時(shí)器中斷進(jìn)行計(jì)時(shí)并且顯示相應(yīng)加熱時(shí)間；利用24C02存儲(chǔ)設(shè)定溫度和動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)時(shí)間；利用12864顯示溫度曲線。

一、 方案設(shè)計(jì)

1.概述

系統(tǒng)主要分為溫度采集、溫度設(shè)定、單片機(jī)控制、信息顯示和溫度調(diào)節(jié)五個(gè)部分，總體的系統(tǒng)構(gòu)造如圖。

2.各模塊方案選擇與論證

（1）單片機(jī)

采用MC9S12XS128單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。MC9S12XS128十六位單片機(jī)。基于S12 CPU內(nèi)核，可以達(dá)到25MHz的HCS12的2-5倍性能?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。

（2）溫度控制方法

1.電阻加熱模塊

本系統(tǒng)控制電阻加熱采用PID控溫法。PID控溫法是基于經(jīng)典控制理論中的PID調(diào)節(jié)器控制原理，由于其算法簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器。PID調(diào)節(jié)器模型的控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫。并且控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。

2. 風(fēng)扇散熱模塊

風(fēng)扇控制采用分段函數(shù)法。在當(dāng)前溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇并使其全速轉(zhuǎn)動(dòng)以減少超調(diào)時(shí)間，溫度穩(wěn)定后以原來(lái)一半的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使散熱片在水泥電阻和風(fēng)扇的共同作用下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

（3）溫度采集

DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)，但是編程較復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)的速度較慢；LM35具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，LM35比按絕對(duì)溫標(biāo)校準(zhǔn)的線性溫度傳感器優(yōu)越行較好。從使用角度來(lái)說(shuō)，LM35無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4℃的常用溫度精度。

選擇溫度傳感器LM35。

（3）溫度設(shè)定

選用4*4鍵盤輸入，在程序上沿用傳統(tǒng)的掃描思想.

（4）存儲(chǔ)設(shè)備

選用24C02串行E2PROM作為存儲(chǔ)器件存儲(chǔ)設(shè)定溫度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間等信息，其具有接口方便，體積小，數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點(diǎn)，在下次設(shè)備啟動(dòng)時(shí)從存儲(chǔ)器中調(diào)用相關(guān)信息顯示在屏幕上，并將此次運(yùn)行的信息覆蓋錄入24C02串行E2PROM中。

（5）信息顯示

1602液晶顯示屏可同時(shí)顯示32個(gè)字符，且其占用單片機(jī)的端口數(shù)量少，并且連線方便，擁有光標(biāo)顯示、閃爍、整屏移動(dòng)等豐富功能，能夠滿足同時(shí)顯示設(shè)置溫度、實(shí)測(cè)溫度、響應(yīng)時(shí)間的要求，但不能顯示曲線；12864顯示功能強(qiáng)大，既能夠顯示字符又能夠打點(diǎn)顯示曲線，滿足要求。

選擇12864。

（6）溫度調(diào)節(jié)

通過(guò)兩個(gè)三極管TIP122放大驅(qū)動(dòng)之后外接12V的電壓分別對(duì)水泥電阻加熱和驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方法所需元器件數(shù)量多；LM298N芯片主要用于電機(jī)的控制，用來(lái)控制水泥電阻加熱和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方法比較方便，電路簡(jiǎn)單，有很強(qiáng)的可操作性。并且可以到達(dá)額定的功率，達(dá)到快速加熱的要求。

綜上選擇LM298N芯片驅(qū)動(dòng)。

（7）濾波

為克服隨機(jī)干擾造成的誤差，有必要進(jìn)行濾波處理。

硬件濾波，通過(guò)濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，改善信號(hào)質(zhì)量；數(shù)字濾波，采用平均值法來(lái)抑制有效信號(hào)中的干擾成分。

數(shù)字濾波具有簡(jiǎn)單可靠、節(jié)省硬件成本等優(yōu)點(diǎn)，故選擇數(shù)字濾波，采樣102次溫度數(shù)據(jù)之后去除最大值和最小值再取平均值，穩(wěn)定采樣環(huán)節(jié)，減少干擾引起的誤差。

二、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.LM35測(cè)溫電路

測(cè)溫系統(tǒng)由LM35采集溫度，當(dāng)LM35測(cè)得溫度后轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸入到單片機(jī).

3.溫度控制系統(tǒng)

采用LM298N芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)水泥電阻加熱和風(fēng)扇降溫，電路簡(jiǎn)單。

4.溫度設(shè)定與信息顯示

使用4*4鍵盤作為錄入工具，通過(guò)調(diào)用鍵盤掃描程序讀取端口電平信息，讀取輸入的溫度與指令.使用12864液晶顯示屏顯示散熱片當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度、響應(yīng)時(shí)間等.

三、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.程序流程圖

2.PID算法

PID控制規(guī)律是調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律。PID調(diào)節(jié)器是一種線性的調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）線性組合對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。PID算法的出來(lái)的占空比直接送給快速PWM波里面的參數(shù)，從而達(dá)到快速控制PWM占空比的功能。原理框如下。

上圖中rin（t）為輸入量，rout（t）為輸出量，err（t）=rin（t）-rout（t）為偏差量PID的控制規(guī)律為

針對(duì)本控制系統(tǒng)我們采用變積分PID。變積分PID可以看成是積分分離的PID算法的更一般的形式。在普通的PID控制算法中，由于積分系數(shù)ki是常數(shù)，所以在整個(gè)控制過(guò)程中，積分增量是不變的。但是，系統(tǒng)對(duì)于積分項(xiàng)的要求是，系統(tǒng)偏差大時(shí)，積分作用應(yīng)該減弱甚至是全無(wú)，而在偏差小時(shí)，則應(yīng)該加強(qiáng)。積分系數(shù)取大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了又不能短時(shí)間內(nèi)消除靜差。因此，根據(jù)系統(tǒng)的偏差大小改變積分速度是有必要的。變積分PID的基本思想是設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)：偏差越大，積分越慢；偏差越小，積分越快，從而很好地吻合了系統(tǒng)的需求。

四、系統(tǒng)功能測(cè)試

經(jīng)檢驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)開(kāi)機(jī)可以顯示上次運(yùn)行時(shí)信息，能夠完成溫控功能，可穩(wěn)定在設(shè)定溫度1%的誤差之內(nèi)，并可同時(shí)對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，運(yùn)行十分穩(wěn)健。