基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

劉澤群 江世明

（邵陽學(xué)院 信息工程系，湖南 邵陽 422004）

1 引言

在工業(yè)控制過程中經(jīng)常需要對控制對象進(jìn)行精確的溫度監(jiān)測和控制,以防止控制對象由于溫度過高而損壞, 因此溫度的實時監(jiān)測和控制就顯得更加重要。對溫度的實時監(jiān)測有利于對控制對象的及時檢查與保護(hù), 并及時調(diào)整溫度的高低。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求的不同, 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計也有所變化,有采用集成芯片的, 也有采用恒流源器件和恒壓源器件[1]。因鉑熱電阻具有測量范圍大、穩(wěn)定性好、示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等優(yōu)點, 該系統(tǒng)采用Pt100鉑熱電阻作為溫度采集元件, 進(jìn)行溫控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[2]。在設(shè)計中,通過PT100電阻-溫度函數(shù)將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海偻ㄟ^A/D轉(zhuǎn)化將電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的 4～20mA電流信號, 既省去昂貴的補償導(dǎo)線, 又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

PT100鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化，利用此特點來采集溫度信號，將采集的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海俳?jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)進(jìn)行處理，用LCD12864顯示溫度，并可以通過鍵盤設(shè)置溫度上限，當(dāng)溫度低于所設(shè)上限時，通過單片機(jī)控制繼電器來控制陶瓷電阻發(fā)熱同時綠燈亮，當(dāng)溫度超過所設(shè)上限時，蜂鳴器報警提示同時紅色等亮。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示，其核心硬件是STC公司的一款單片機(jī)，具有超強的抗干擾性、加密性強、低功耗[3]。

圖1 溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件結(jié)

2.2 溫度采集與轉(zhuǎn)換模塊

PT100溫度采集電路，如圖2所示，R2、R3、R4 和PT100 組成電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過TL431穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運算放大器后輸入單片機(jī)。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過調(diào)節(jié)R3 可以調(diào)整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點。放大電路采用LM358集成運算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖2所示，前一級約為10 倍，后一級約為3倍[4]。溫度在0 ～100度變化，當(dāng)溫度上升時，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓對應(yīng)升高。

圖2 傳感器及信號處理電路

注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過TL431 穩(wěn)壓，但是整個模塊的電壓VCC 一定要穩(wěn)定，否則隨著VCC 的波動，運放LM358 的工作電壓波動，輸出電壓隨之波動，最后導(dǎo)致A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動，導(dǎo)致測量結(jié)果上下跳變。

3 軟件相關(guān)算法

3.1 算法分析

根據(jù)誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測量值的方法一般有2個，要么采用查表法，要么建立高精度的數(shù)學(xué)模型。如果用查表法，主要有2個問題，如果要提高測量精度，則需要建立大量的表格，而且得提前做大量的試驗來進(jìn)行多點校正，還有一個問題是程序的通用性差，這臺儀器上校正好的數(shù)據(jù)可能在另一臺上不合適。另一種方法就是采用已知的分度表，建立數(shù)學(xué)模型，然后通過工程量（標(biāo)度）變換，通過測量 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果后計算得到。這里我們采用第 2種方法，首先采用分段的方法，將測量范圍分段，然后查出該段的數(shù)學(xué)模型的各個系數(shù)，然后計算出溫度值。本設(shè)計中，對整個測量范圍分為3段，分別為0～49℃、50～70℃、71～100℃，利用分度表進(jìn)行離線的數(shù)學(xué)擬合，得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。同時，再將標(biāo)度值代入可粗略估計在各個測量段內(nèi)的最大誤差值。我們通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到如下的數(shù)學(xué)模型，如表1所示。上述3個數(shù)學(xué)模型中，最大的理論誤差值都小于0.1℃，能夠滿足精度要求，實際上我們完全可以分的再細(xì)一些，這樣理論誤差將會變得更小。

表1 各溫度段的數(shù)學(xué)模型

3.2 控制方式

溫度控制系統(tǒng)是一個滯后、大慣性、非線性、具有實變不確定性因素的多變系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方式不能達(dá)到精度的要求，因此采用采用模糊PID作為系統(tǒng)的控制方式[5]。模糊PID控制器能夠預(yù)測偏差產(chǎn)生超前的校正作用，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，積分控制用來減少系統(tǒng)的誤差，PID控制是輸入偏差e(t)的比例、積分和微分三部分組成，控制率為：

用傳遞函數(shù)的形式可寫為：

其中Kp為比例系數(shù)，T為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

4 測試與分析

對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，見表2所示，通過鍵盤分別設(shè)定一個溫度，當(dāng)溫度小于所設(shè)定溫度時通過程序控制繼電器來控制發(fā)熱電阻加熱，當(dāng)溫度達(dá)到或非常接近所設(shè)定溫度時，通過模糊 PID控制方式來控制繼電器的通斷從而達(dá)到恒溫的作用[6]。由于數(shù)字萬用表測溫存在一定的誤差以及元器件本身的因素，從圖中可以看出LCD12864顯示的溫度與數(shù)字萬用表所測溫度有差異，誤差范圍是-0.3℃～+0.4℃。

表2 實驗測試數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

本系統(tǒng)是一種新型的溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)迅速等特點，PT100傳感器有效地提高了系統(tǒng)的控制精度，通過模糊PID算法以及PWM波控制，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度得到提高[7]。測試數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)誤差范圍為-0.3℃～+0.4℃，表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。

[1] 張琳娜, 劉武發(fā).傳感檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國計量出版社, 1999.

[2] 李蕓婷, 萬振.PT100溫度傳感器數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶,2007,14(5):24-26.

[3]江世明, 黃同成.單片機(jī)原理及其應(yīng)用（第一版）[M].北京:中國鐵道出版社，2010.

[4]張福祥, 牛莉.C語言程序設(shè)計（第一版）[M].沈陽:遼寧大學(xué)出版社, 2010.

[5]胡海流.基于模糊—PID 的酸洗溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢科技大學(xué)，2012，4(10):7-9.

[6]李晨明, 諶玉紅, 張百海.基于模糊自整定PID的單片機(jī)溫度控制系設(shè)計[J]機(jī)械設(shè)計與制造, 2008, 8(15):4355-4356.

[7]楊樹亮, 林行辛, 張劍輝, 等.模糊 PID 在恒溫箱溫度控制中的應(yīng)用[J].自動化儀表, 2006, 27(S1):149-151.