温度控制系统

温度控制系统设计

目 录

第一章 系统方案论证 ............................................................................................................. 3

1.1 总体方案设计 .......................................................................................................... 3

1.2 温度传感系统 ....................................................................................................... 3

1.3 温度控制系统及系统电源 .................................................................................... 4

1.4 单片机处理系统（包括数字部分）及温控箱设计 .................................................... 4

1.5 PID算法原理 .......................................................................................................... 5

第二章 重要电路设计 ............................................................................................................. 7

2.1 温度采集 .................................................................................................................. 7

2.2 温度控制 ............................................................................................................... 7

第三章 软件流程 ..................................................................................................................... 8

3.1 基本控制 .................................................................................................................... 8

3.2 PID控制 .................................................................................................................. 9

3.3 时间最优的PID控制流程图 ................................................................................. 10

第四章 系统功能及使用方法 ............................................................................................... 11

4.1 温度控制系统的功能 .............................................................................................. 11

4.2 温度控制系统的使用方法 ...................................................................................... 11

第五章 系统测试及结果分析 ............................................................................................... 11

5.1 硬件测试 ................................................................................................................ 11

5.2 软件调试 ................................................................................................................ 12

第六章 进一步讨论 ............................................................................................................... 12

参考文献 ................................................................................................................................. 13

致谢........................................................................................................... 错误!未定义书签。

温度控制系统

摘要：本文介绍了以单片机为核心的温度控制器的设计，文章结合课题《温度控制系统》，从硬件和软件设计两方面做了较为详尽的阐述。

关键词：温度控制系统 PID控制 单片机

Abstract: This paper introduces a temperature control system that is

based on the single-chip microcomputer.The hard ware composition

and software design are descried indetail combined with the project

Comtrol System of Temperature.

Keywords: Control system of temperature PID control

Single-chip Microcomputer

引言：

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文设计了以单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法，显示采用LED静态显示。该系统设计结构简单，按要求有以下功能：

(1)温度控制范围为20~40°C;

(2)有加热和制冷两种功能

(3)指标要求：

超调量小于2°C；过渡时间小于5min；静差小于0.5℃；温控精度0.2℃ 温度控制系统

(4)实时显示当前温度值，设定温度值，二者差值和控制量的值。

第一章 系统方案论证

1.1 总体方案设计

薄膜铂电阻将温度转换成电压，经温度采集电路放大、滤波后，送A/D转换器采样、量化，量化后的数据送单片机做进一步处理；

当前温度数据和设定温度数据经PID算法得到温度控制数据；

控制数据经D/A转换器得到控制电压，经功率放大后供半导体致冷器加热或制冷，从而实现温度的闭环控制。

系统大致可以分为：传感、单片机处理、控制及温控箱。

图1－1 系统总体框图

1.2 温度传感系统

换能部分采用了电压电路，这主要考虑了电压信号不容易受干扰、容易与后续电路接口的优势；经过铂电阻特性分析，在要求的温度范围内铂电阻的线性较好，所以不必要增加非线性校正电路；采样电压再经过高精度电压放大电路和隔离电路之后输出；另外，由于高精度的需要，电路对电源要求较高，所以采用稳压电源电路的输出电压，并且需要高精度运放。

因为温度变化并不是很快，所以电路对滤波器的要求并不高，这里采用了一保温箱

半导体致冷片

半导体致冷片 传感器

温度传感

A/D转换

单 片 机

D/A转换

电压放大

控 温 电 路 温度控制系统

阶滤波即可满足要求。

1.3 温度控制系统及系统电源

1.3.1 温度控制系统

温度控制系统需要完成的功能为：D/A转换器输出的电压控制信号，经过电压放大，再通过功率单元提高输出功率后，控制半导体制冷器件加热或制冷。故此子系统可分为电压放大、功率输出两部分。

D/A转换器输出的电压控制信号经过电压放大、功率放大后，给两片半导体制冷器件供电。另外单片机还输出一个用来控制是加热还是制冷的控制信号。

功率放大电路采用LM33稳压芯片，可承受高输出电流，且Vout端输出电压与Vadj端的电压差保持不变的特点，可将控制信号利用运放方向放大后，输入至稳压芯片的Vadj端，输出信号的电压范围和功率放大至合适的大小。具体设计为D/A输出的控制信号，经上述处理，在Vout端利用继电器，由单片机输出的加热制冷控制信号控制继电器的闭合方向，改变半导体器件的电流方向，从而控制加热或制冷。

1.3.2 系统电源

本设计需要供电的部分有温度采集部分须有基准电压+5V供电，单片机处理系统的数字电路部分需要＋5V的电源，而实验室的5V电源会有纹波，故采用稳压芯片LM317自行设计，电路如图，调节可变电阻，即可得到所需的电压。

其中可变电阻R1是起到分压得作用，避免在LM317上的压降过大，否则LM317发热，会使电压不稳。

VIN3ADJ1VOUT2U1LM317R13kC11uR23kC2100uR3240+15V+5V

1.4 单片机处理系统及温控箱设计

1.4.1单片机系统

单片机系统结构如下：

① 模数部分将传感信号量化为8位二进制数，并将其送入最小系统板；

② 控制层调用PID算法，计算出控制量，同时提供人机交互；

③ 数模部分将控制量转换为模拟电压，送入温度控制部分。

最小系统板与外部数字电路部分（包括A/D、D/A、外部中断源信号等）的