單片機閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設計(編輯修改稿)
2025-06-26 15:16 本頁面
【文章內容簡介】 簡單，易于實現。但是在控制精度要求較高時，單純地采用開環(huán)控制往往達不到滿意的控制效果，所以此時必須采用閉環(huán)控制方式，常規(guī)采用模擬量的 ND 調節(jié)方式。盡管這種方法已經被人們廣泛采用，但是由于控制對象的復雜及多樣性，在有些情況下未能獲得滿意的控制精度。 微型計算機，特別是單片微助計算機的應用，使各種工業(yè)控制都發(fā)生了巨 大的變化，由于單片機成本低、功能強、抗干擾性能好，從而使計算機控制應用于工業(yè)生產及各種領域成為可能，單片機在溫度控制中的應用更具有其他控制手段無法比擬的優(yōu)越性。 溫度控制是工業(yè)生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量，因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。根據溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，本文設計了以 89C51單片機為檢測控制中心的水溫自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進的 PID 數字控制算法，顯示采用 3 位 LED 靜態(tài)顯示。該設計結構簡單，控制算法 新穎，控制精度高，有較強的通用性。所設計的控制系統(tǒng)有以下功能： (1)溫度控制設定范圍為40~90C，最小區(qū)分度為 ，標定溫差 ，靜態(tài)誤差 ；（ 2）實現控制可以升溫也可以降溫；（ 3）實時顯示當前溫度值；（ 4）按鍵控制：設置復位鍵、功能轉換鍵、加一鍵、減一鍵；（ 4）越限報警。 第一章 硬件電路設計 在溫度控制中，經常采用是 硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數字部分 ，對這兩部分調節(jié)儀表進行調節(jié)，但都存在著許多缺點，用單片機進行溫度控制使構成的系統(tǒng)靈活，可靠性高，并 可用軟件對傳感器信號進行抗干攏濾波和非線性補償處理，可大大提高控制質量和自動化水平 ； 總的來說本系統(tǒng)由四大模塊組成，它們是輸入模塊、單片機系統(tǒng)模塊、計算機顯示與控制模塊和輸出控制模塊。輸入模塊主要完成對溫度信號的采集和轉換工作，由溫度傳感器及其與單片機的接口部分組成。輸出模塊由可控硅和可控硅驅動器組成。 MOC304X 芯片是一種集成的帶有光耦合的雙向可控硅驅動電路。它內部集成了發(fā)光二極管、雙向可控和過零觸發(fā)電路等器件。它們的邏輯關系圖如圖所示。 水溫控制硬件原 理圖 系 統(tǒng) 組 成 圖 從功能模塊上來分有：主機電路 （ 本系統(tǒng) 以 89C51 單片機為檢測控制中心 ） 、輸入模塊 輸出模塊 單 片 機 系 統(tǒng) 計 算 機 數據采集電路、鍵盤顯示電路、 溫度檢測電路、光電隔離電路、 A/D 轉換接口電路、 控制執(zhí)行電路以及掉電保護電路。硬件結構框圖如圖 1 所示。 MCS51型單片單板機 圖 1 溫度控制系統(tǒng)原理硬件結構框圖 本系統(tǒng)的任務是對水的溫度進行實時檢測和控制 ， 單片機定時對溫度進行檢測，通過溫度傳感器把溫度值轉換成微弱的電壓信號，該電壓經放大器放大后通過 A/D 轉換得到相應的數字量，再經數字濾波和查表程序得到當前的采樣溫度TX 通過串行通訊送給計算機 。將采樣溫度與設定溫度進行比較， 如果 TX≠ T，則按照設計好的 PID 算法對偏差（采樣溫度 — 設定溫度）進行運算、處理，得到一個調節(jié)量。這里的調節(jié)量實際上對應著加熱源打開或斷開的時間。 如果采樣溫度小于設定溫度，則單片機的 ， 89C51 內部導通，雙向可控硅控制端 G 端出現同步觸發(fā)脈沖，控制可控硅導通 ， 接通加熱器 使溫度升高； 溫度升高到設定值時，單片機的 腳自動輸出低電平， 89C51 內部截止，雙向可控硅斷開， 關閉加熱器，如果采樣溫度 TX大于設定溫度 T，則單片機的 腳輸出高電平 ，接通冷卻器或風扇使溫度降低，直到兩者的溫度相同后，再讓單片機的 腳輸出低電平，關閉冷卻器或風扇，從而使系統(tǒng)的溫度保持在所要求的溫度值上 ，達到溫度控制的目的。 溫度控制范圍： 0℃～ 100℃ ,控制精度≤ ℃ . 1． 1 主機電路的設計 主機選用 INTEL 公司的 MCS— 51 系列單片機 89C51 來實現，利用單片機軟件編程靈活自由度大的特點，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的 89C51 芯片時鐘可達 12MHz，運算速度快，控制功能完善。其內部具有 128字節(jié) RAM，而且內部含有 4KB 的 EPROM 不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結構更為簡單、實用。 1． 2 I/O 通道的硬件電路的設計 就本系統(tǒng)來說，需要實時采集水溫數據，然后經過 A／ D 轉換為數字信號，送入單片機中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設定值進行比較，通過 PID 算法得到控制量并經由單片機輸出去控制電爐加熱或風扇降溫。 1． 2． 1 數據采集電路的設計 數據采集電路主要由 AD590， MCl403， 0P07， 74LS373 組成?？紤]到溫度信號為低電平緩變信號，對 A／ D 轉換速度要求不高，為此，選用實效價廉的ADC0809，而且，還可以根 據需要擴展測量 8 路溫度信號。為了達到測量高精度的要求，選用溫度傳感器AD590， AD590 具有較高精度和重復性 (重復性優(yōu)于 0． 1℃，其良好的非線形可以保證優(yōu)于 0． 1℃的測量精度，利用其重復性較好的特點，通過非線形補償，可以達到 0． 1℃測量精度。 )超低溫漂移高精度運算放大器 0P07 將溫度 — 電壓信號進行放大，便于 A／ D 進行轉換， 輸入計算機作進一步的處理， 以提高溫度采集電路的可靠性。模擬電路硬件部分見圖 2。 1． 2． 2 電控制執(zhí)行電路的設計 該部分電路是利用 89C51 單片機對溫度器作實時控制， 由輸出來控制電爐或風扇，電爐可以近似建立為具有滯后性質的一階慣性環(huán)節(jié)數學模型。其傳遞函數形式為 風扇可以認為是線形環(huán)節(jié)實現對水溫的控制。 采用 PID 控制算法，利用微分作超前補償以解決溫度的惰性問題。由于被控對象功率不大，所以采用了弱微分方式。 為了實現強電和弱電的隔離，要選擇光電 隔離 器，但考慮 到輸出信號要對可控硅進行觸發(fā)，以便使電爐或風扇電路導通，所以選用既有隔離又有觸發(fā)功能的 MOC304l。 光耦可控硅的特點是輸入和輸出完全隔離，相互無干擾，不考慮同步問題，不設同步變壓器，故而用其組成的電路所用元件較少，電路簡單明了，安裝維修方便，成本低，觸發(fā)電路板的體積可大幅度縮小，因而可用于各行業(yè)的調壓、調速，特別在功率自動調節(jié)的工業(yè)加熱爐、烘房和烘箱等領域有著十分廣闊的前景。 其中 ； (見圖 3)。此外，還有越限報警，當溫度低于 40C 時黃色發(fā)光二極管亮；高于 90C 時紅 色二極管亮。 1． 3 鍵
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