zlg温度控制系统

温度自动控制系统摘要：本系统以MCS-51单片机为控制核心，结合由精密热电偶摄氏温度传感 器和精密AD转换器构成的前级信号采集电路和由FPGA、双向可控硅、内置过 零检测的光电耦合器构成的后向功率控制电路，采用分段PID控制算法，通过 调功法用制冷片对木箱内的温度进行控制。系统采用了大屏幕点阵式LCD和按 键进行人际交互，使得系统操作简单快捷。同时LCD还可以实时显示测量得到 的温度值，并绘制出坐标图像，统计信息明确直观。本系统可以在535°C范 围内自由设定木箱内的温度，稳定状态下温度波动在土 1°C范围内。关键词：MCS-51，控制算法，温度传感器，ADC采样Abstract: The system is in the control of microcontroller core MCS-51, combined of a precision thermocouple Celsius temperature sensor LM35, a front circuit and signal acquisition which is consisted of 12 bit precision AD converters ADS7886 and FPGA, and the power control circuit made up of a zero crossing bilateral triac. The system uses a sub-PID algorithm and through transferring of powerto heat or cool the inner wooden box temperature to achieve the control of temperature .In this experiment the temperature of the inner wooden box can be set free from 5° C to 35 ° C , the fluctuation of the temperature in stable condition may range from -1° C to 1° C.Keyword: MCS-51, sub-PID algorithm, ADC, temperature sensor一、方案论证与比较1 .前级模块（温度采集）方案1:采用常见的温度传感器有电阻式、热电偶式。Pt电阻温度传感器 可以满足精度和线性度这两个要求，但是Pt电阻丝易氧化磨损，而且成本较高； 热电偶式在低温端线性度不理想，同时热电偶式温度传感器在应用时受外部影 响较为明显，难以达到实验要求的±2摄氏度精度。方案2：采用模拟集成温度传感器。常见的模拟集成温度传感器，如LM35, 测量温度的精度高，线性度好，反应速度快，同时可以直接输出电压或电流值， 便于数字化的处理，应用较为广泛。方案3：采用数字式集成温度传感器。数字式温度传感器可以直接将温度 值转化为数字信号，且转换精度高，测量范围广，无需外设便可以直接与单片 机通信，应用方便。考虑到本实验要求的测量范围，兼顾测量精度和性价比，方案2比较合适， 这里我们选用高精度电压型传感器LM35。2 .控制算法方案1： PID算法。PID控制了组合了比例控制、积分控制、微分控制这三 种基本控制规律，应用中可以灵活选用比例（P）、积分（I）、微分（D）的线性 组合，调试方便。方案2：模糊算法。模糊控制是一种基于计算机的智能化数字控制方法， 且无需建立对象的精确数学模型，算法简易实现，同时具有适应性好，但是存 在稳定精度比较低、抖动和饱和等问题。方案3：分段PID拟合：将温度分成均匀的几段，在相应的范围内应用PID 算法。该方案结合了 PID算法调试的简洁性和分段拟合的精确性，参数测试简 便，精确度高。PID算法的实现：PID控制组合了比例控制、积分控制和微分控 制这3中基本控制规律，通过改变调节器参数来实现控制，基本的输入输出关系为 u （t） = K e （t） + / e （t） dt + T 空也pTD dtI 0Kp、Ki、Kd为PID控制的三个基本参数，其中比例调节参数Kp是主要的控制 部分，增大Kp则系统反应灵敏，速度加快，稳态误差减少，但振荡次数增加， 调节时间加长。Ki（积分调节参数）和Kd （微分调节参数）可以对系统动态进行 调节。本实验要求测量的温度范围较窄，分段数不是很多，这里可以充分发挥分 段PID拟合的优越性，选用方案3非常合适。3 .后级功率控制部分方案1：采用调功法或者调相法。调功法和调相法都是通过控制交流电的 导通而达到对交流电的有效值进行控制，参数选择合理的时候可以达到很高的 精度，但是具体实现电路起来比较复杂。方案2：用继电器控制制冷片电流的通断，实现加热与降温。但由于继电 器的机械特性，反应速度比较慢，同时使用寿命也相当有限。方案3：直接用可控硅构成H桥电路对制冷片的直流供电进行调节。该方 案实现简单，同时可以方便的控制电流的流向，从而实现制冷片在加热和制冷 方式下的快速转化；同时通过调节输出电压的占空比可以对制冷片的工作时间进行控制，从而间接对制冷片的功率进行控制。本实验中我们采用的制冷片为TEC系列的TEC-12708,该制冷片工作电压 为12V，可以通过控制电流的流向来选择制冷片工作方式（加热或制冷）。温度 是一个相对滞后的参数，过高的精度对其影响并不是很明显，采用方案2可以 更好的满足实验要求，同时方案2可以避免器件直接通断市电，保证了工作的 安全稳定。综合考虑可行性、实用性和安全性，方案2比方案1更合适。二、系统的总体设计框图系统要求：温度可调节范围为5°C35°C，最小设定分度为1 °C；具有温度 显示功能，分辨率为0.1C ；当温度达到某一设定值并稳定后，盒内温度的波动 控制在±1C以内；温度调控达到稳定状态时，必须给出声或光提示信号；当设定 的调节温差为15C时，要求达到稳定状态的调节时间小于等于3分钟，稳定状态 下的温度波动在±1C以内；能记录并实时显示温度调节过程的曲线，显示的误差 绝对值小于2C。系统方案描述：前级使用LM35采集温度信号并转化为电压，经过前级放大 之后送ADS7886采样输出数字信号，得到的数字信号送入单片机，单片机通过 对采样信号和用户输入信号的分析自动选取合适的PID系数并计算出相应的加 热（或制冷）波形的占空比系数，接着将占空比系数送入FPGA，由FPGA内部构 建的DDS读取相应的占空比并转化为波形输出，驱动制冷片工作，从而实现木 箱内部温度的自动控制，系统的总体框图见图1。较小、电压信号, /AD采样-J数字L信号， n /r串并转 换键盘LCD息/,示、信，显11 1相应接口FPGA数控泗键值和温, 值占空比例，LCD信号占空比可倜节的方波调整木箱内温度'i、制冷片工作图1 系统总体框图三、系统软件流程图系统充分利用了 FPGA的强大功能，将LCD接口电路，键盘接口电路，信号串并行转换电路，DDS信号发生器全部在其内部构建了出来，使得硬件连接简 单明了，外部硬件只有两个模块，一个温度信号采集转换模块和一个制冷片驱 动模块。由于外设相对简单，调试时候相当方便，同时可以方便的修改FPGA内 部结构对系统的功能进行进一步修改和拓展，使得系统功能更加强大，应用范 围更加广泛。6j4图3前级采样电路图2系统软件流程图四、系统理论分析和特色电路分析1、前级采样电路。LM35是电压输出型温度传感器，当温度在0°C时输出电压为零，当电压每 Q上升1°C输出电 压便增加 p1.1 10mV。较小的 克电压对AD采样的精度会造成 比较高的影响， 所以我们LM35的输出之后加了一个同相放大器。考虑放大时候的精度和对共模干扰信号抑制的需要，我们选用了精密高共模抑制比的运算放大器OPA277。实验要求测量精度为0.1°C，要 求在535°C范围内至少取样300个点，至少选用九位的AD进行采样 才可以， 考虑 到功能拓展的需要，我们选用了 12位高精度的串口 ADS7886。12V1+制冷器件-4 -JJ接地图4 H桥工作原理图五：测试数据与分析1.测试环境测试用实验仪器：2、功率控制电路双向可控硅光电耦合器构成四个由2高电平控制的开关电路。用该四个开关电 路连接成H桥电路，以实现对制冷片加热 与降温。如图4,当开关1，3关闭时，电 流正向流经制冷器件，制冷器开始加热； 当开关2, 4关闭时候，电流反向流经制3 冷器件，制冷器件降温。清华同方计算机（奔腾4CPU+512M内存+Windows XP操作系统）单通道可编程序任意函数发生器：TEKTRONIX AFG310双踪数字存储示波器：TEKTRONIX TDS1002直流稳压稳流电源：SG1733SB3A制冷片：TEC1-12708同时考虑到外部环境的变化会对系统调温造成一定的干扰，我们将装置放在 在装有空调的实验室调试，同时为了精确测定木盒内部温度，以便选择相应的 PID控制系数，我们选用了高精度的数字温度计同时对盒内温度进行测量。2.测试结果表格1：温度变化表实验编号当前温度值°C设定的温度°C最终温度值°C加热时间126.73535.91'24''235.42018.92'28''319.255.72'41''45.71515.61'39''3.测试结果分析由以上实验数据可以看出，温度读数可以达到0.1°C，同时设定的温度读 数和最终结果直接的最大偏离为1.1°C，满足实验要求的土2°C范围的要求，同 时通过第二组实验看出当温差大于15°C时达到指定温度所需的时间位2'28''， 满足实验要求的三分钟之类的要求。五：总体分析和结论1. 本系统的软件设计关键在于控制好算法。PID结合拟合分段算法必须尽 量减少其他因素的影响，精确的确立相应的PID参数。2. 温度传感器在测量温度时存在非线性误差，前级放大电路引入新的干扰， AD采样时的量化误差会对测量精度一定影响，后级功率控制电路中的光耦开关 有一定的功率损耗，导致控制加热或升温的时间内达不到所要功率，以至温度调 节存在一定误差。七：参考书目1 黄根春等 编著电子设计教程 电子工业出版社，2007年8月2 李朝青编著 单片机原理及接口技术（简明修订版）北京航空航 天大学出版社，2005年2月3 赵文博 刘文涛编著 单片机语言C51程序设计人民邮电出版社，2005年10月