内容发布更新时间 : 2024/11/20 21:40:17星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。PID温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工、食品等诸多工业生产过程中得到了广泛的应用。本文主要讨论在过程控制中得到广泛应用的数字PID控制在单片机温度控制系统中的应用和设计。本文详细阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、软件设计及相关的接口电路设计。并且充分考虑了系统的可靠性，采取了相应的措施予以保证。从中发现问题，并根据实际，提出硬件及软件的设计方案，为优化当前单片机之温度探制系统问题提供一定的参考及借鉴。 关键词：单片机，温度控制，数据处理
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引 言 ............................................................................................................................... 3 1 温度测控技术的发展与现状 ...................................................................................... 2 1.1 定值开关控温法 ....................................................................................................... 3 1.2 PID线性控温法 ........................................................................................................ 3 1.3 智能温度控制法 ....................................................................................................... 4 2 系统总体设计方案 ...................................................................................................... 4 2.1 系统性能要求及特点 ............................................................................................... 4 2.2 系统硬件方案分析 ................................................................................................... 5 2.3 系统软件方案分析 ................................................................................................... 6 3 硬件设计 ...................................................................................................................... 7 3.1 系统硬件总体结构 ................................................................................................... 7 3.2 主控模块器件选型及设计 ....................................................................................... 7 3.2.1 单片机的选用 ........................................................................................................ 7 3.2.2 单片机介绍 ............................................................................................................ 8 3.2.3 主控模块设计 ........................................................................................................ 8 3.3 输入通道设计 ........................................................................................................... 9 3.3.1 Ptl00温度传感器 ................................................................................................... 9 3.3.2 A／D转换 ............................................................................................................ 11 3.4 输出通道设计 ......................................................................................................... 13 3.4.1 温控箱的功率调节方式 ...................................................................................... 13 3.4.2 可控硅输出电路 .................................................................................................. 14 3.5 串行通信接口电路 ................................................................................................. 14 3.6 电源电路 ................................................................................................................. 15 3.7 硬件抗干扰措施 ..................................................................................................... 15 4 软件设计 .................................................................................................................... 15 4.1 软件设计思想 ......................................................................................................... 16 4.2 软件组成 ................................................................................................................. 17 4.3 主程序模块 ............................................................................................................. 17 4.4 数据采集模块 ......................................................................................................... 18 4.5 数据处理模块 ......................................................................................................... 18
4.5.1 数字滤波 .............................................................................................................. 18 4.5.2 显示处理 .............................................................................................................. 20 4.6 软件抗干扰措施 ..................................................................................................... 20 5 结论 ............................................................................................................................ 20 参考文献 ........................................................................................................................ 21
引 言
在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干
扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。
另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。
鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。所以本文据此问题，通过查阅大量文献资料并结合当前温度测探技术的实际应用情况进行分析，从中发现问题，并根据实际，提出硬件及软件的设计方案，为优化当前单片机之温度探制系统问题提供一定的参考及借鉴。
1 温度测控技术的发展与现状
近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。
从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：
1.1 定值开关控温法
所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。
1.2 PID线性控温法
这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制