基于單片機的溫度控制系統的設計

韓曉翠

[摘要]針對溫度控制的要求,提出了基于單片機的溫度控制系統的設計方案,系統由溫度檢測、數據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轉換器,以AT89S51單片機為控制核心,對溫控箱的溫度進行恒溫控制。系統設置了保護電路,并且在溫度控制算法方面采用了經典的PID控制算法。

[關鍵詞]單片機 溫度控制數字PID控制

1 引言

隨著電子技術的發展和人們生活質量的提高,特別是隨著大規模集成電路的產生,給人們的生活帶來了根本性的變化。現代社會中,隨著科學技術的進步,溫度檢測和控制迅速發展,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于社會。目前,單片機控制器用于從生活工具到工業應用的各個領域。

2 現狀分析

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軸上呈非線性,此溫度控制系統采用折線法對其校正,誤差較大。

其次,進行溫度采集和A/D轉換、濾波器濾波時,溫度采樣的數據較難控制精確。基于單片機的溫度控制系統通常直接放在生產現場,會受到嚴重干擾,此系統采用了濾波方法來濾除干擾,數字濾波算法有很多,本系統采用了去極值平均濾波,就是連續六次取樣,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。

再次,在用可控硅輸出電路作為執行部件進行溫度控制前,要用PID控制進行數據的計算和策劃,計算機PID算法是用差分方程近似實現的。最大缺點是現場PID參數整定麻煩,容易受到外界干擾,對于滯后大的過程控制,調節時間過長。其控制算法需要預先建立模型,對系統動態特性的影響很難歸并到模型中,被控對象模型參數難以確定,外界干擾會使控制脫離最佳狀態。

3 解決方法

首先,對于Pt100鉑電阻溫度傳感器進行非線性校正時,用最小二乘法進行非線性校正,盡量避免誤差的產生,使其誤差趨于最小化。按照此系統設計的標準,要求系統控制精度較高。為保證系統高精度的要求,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格把關:(1)鉑電阻的精度直接影響系統的測溫精度。需綜合檢驗鉑電阻生產廠家的鉑電阻精度等級。(2)鉑電阻的靈敏度直接影響系統的控溫精度。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。通過反復的試驗和Pt100生產廠家的工藝改進,將鉑電阻的靈敏度調至最佳。

其次,對于輸入通道的一些系統部件進行精確的選取和控制,使溫度數據的采集和轉化趨于優化。溫度采集模塊的選用,采樣精度和采樣時間需符合系統的精度要求。對轉換后的數據進行濾波時,多采集幾次數據,取比較集中的數據利用去極值平均濾波的方法進行濾波。

再次,溫度控制電路采用可控硅調功方法,雙向可控硅相當于一雙反相并聯的普通可控硅,具有正反相都能控制導通的特性,可用作調溫器。將它串在50HZ交流電源和加熱絲電路中,只要在給定周期內改變可控硅開關的接通時間,就能改變加熱功率,從而實現溫度的調節。對于這樣的執行機構,單片機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的精度要求。PID控制算法參數的選擇取決于溫控箱的階躍響應特性和實際狀況,在程序中假設都為正小數,參與運算的數都變為計算機易于處理的形式,數據處理方法如下:(1)把所有的數都變成定點純小數進行處理;(2)算式中的各項都有正負,用補碼表示,計算結果以原碼輸出;(3)雙精度運算,為了保證運算精度對單字節16位進行運算,最后結果取8位有效值輸出。

4 溫度控制系統

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,產生接觸電勢隨溫度變化而變化,從而達到測溫的目的。測量準確,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。但其測量的穩定性和復現性差,熱電阻是利用金屬的電阻率隨溫度變化而變化的特性,將溫度量轉化成電阻量。其優點是準確度高、穩定性高、性能可靠,熱慣性小、復現性好,價格適中。熱電阻所測得的是電阻量,需要轉化為電壓量才能被控制器采集。溫度是一種變化時間常數較大的物理量,對A/D轉換速度要求不高,先將電壓信號轉化為頻率量,再通過控制器的計數功能轉化為數字信號,這樣可以大大提高精度,節約成本。控制器可有多種選擇。如模擬電路、單片機、邏輯器件等。模擬電路控制可對偏差變化進行連續的控制,技術成熟,性能較穩定。但其缺點是不便于顯示,調整PID參數需更換元器件,易受到外界干擾等,在現在這個數字化高度發展的時代已趨于淘汰。單片機作為微型計算機的一個分支,已有二十多年的發展,在各控制領域都有廣泛的應用。控制器將其PID運算的結果轉化為不同占空比的脈沖信號輸出,該信號作用于執行機構還需要經過驅動電路。

5 總結

設計采用Pt100鉑電阻溫度傳感器為測溫元件,以16位的AD7705為A/D轉換器,以AT89S51單片機為控制核心,通過光電耦合器MOC3041驅動的雙向可控硅電路作為輸出部分,對溫控箱的溫度進行恒溫控制。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℃。人機接口采用HD7279A驅動下的鍵盤顯示電路。根據鉑溫度傳感器線性好的特點,對電阻溫度進行檢測,減少了傳感器的非線性誤差。同時利用單片機作為數據處理器,并運用PID算法進行數據處理。單片機定時對溫度進行檢測,信號經A/D變換得到相應的數字量,送到計算機中進行判斷和運算得到相應的控制量,去控制加熱功率。系統設置了保護電路,并且在溫度控制算法方面采用了經典的PID控制算法。所設計的溫度控制系統具有精度高,成本低和穩定可靠的特點。

隨著時代的進步、社會的發展、科學技術的不斷更新,溫度的控制范圍要求不斷擴大,同時溫度的控制準確性要求不斷提高,對溫度的控制精度要求也越來越高。而此溫度控制系統由于存在某方面的不足,使溫度控制精度不是很高,有待進一步改進。

參考文獻:[1]梁偉.一種精密的熱電阻測溫方法[J].電子產品世界,2003,24(08A):98-106.[2]張振仁.數字濾波在高精度溫度測量中的應用[J].傳感器技術,2006,16(2):90-98.