基于单片机的温度控制系统的分析与设计

2013-09-28刘泽群江世明

湖南科技学院学报 2013年4期

刘泽群江世明

（邵阳学院信息工程系，湖南邵阳 422004）

1 引言

在工业控制过程中经常需要对控制对象进行精确的温度监测和控制,以防止控制对象由于温度过高而损坏, 因此温度的实时监测和控制就显得更加重要。对温度的实时监测有利于对控制对象的及时检查与保护, 并及时调整温度的高低。根据控制系统设计要求的不同, 温度监测系统的设计也有所变化,有采用集成芯片的, 也有采用恒流源器件和恒压源器件[1]。因铂热电阻具有测量范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等优点, 该系统采用Pt100铂热电阻作为温度采集元件, 进行温控系统的设计与实现[2]。在设计中,通过PT100电阻-温度函数将温度转变为电压，再通过A/D转化将电压信号转换为标准的 4～20mA电流信号, 既省去昂贵的补偿导线, 又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。

2 系统分析与设计

2.1 系统方案设计

PT100铂电阻的阻值随温度的变化而变化，利用此特点来采集温度信号，将采集的信号转变为电压，再经过放大和A/D转换送给单片机进行处理，用LCD12864显示温度，并可以通过键盘设置温度上限，当温度低于所设上限时，通过单片机控制继电器来控制陶瓷电阻发热同时绿灯亮，当温度超过所设上限时，蜂鸣器报警提示同时红色等亮。系统总体方案框图如图1所示，其核心硬件是STC公司的一款单片机，具有超强的抗干扰性、加密性强、低功耗[3]。

图1 温度控制系统系统硬件结

2.2 温度采集与转换模块

PT100温度采集电路，如图2所示，R2、R3、R4 和PT100 组成电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运算放大器后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图2所示，前一级约为10 倍，后一级约为3倍[4]。温度在0 ～100度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应升高。

图2 传感器及信号处理电路

注意：虽然电桥部分已经经过TL431 稳压，但是整个模块的电压VCC 一定要稳定，否则随着VCC 的波动，运放LM358 的工作电压波动，输出电压随之波动，最后导致A/D 转换的结果波动，导致测量结果上下跳变。

3 软件相关算法

3.1 算法分析

根据误差理论，我们要获得较高精度的温度测量值的方法一般有2个，要么采用查表法，要么建立高精度的数学模型。如果用查表法，主要有2个问题，如果要提高测量精度，则需要建立大量的表格，而且得提前做大量的试验来进行多点校正，还有一个问题是程序的通用性差，这台仪器上校正好的数据可能在另一台上不合适。另一种方法就是采用已知的分度表，建立数学模型，然后通过工程量（标度）变换，通过测量 A/D转换的结果后计算得到。这里我们采用第 2种方法，首先采用分段的方法，将测量范围分段，然后查出该段的数学模型的各个系数，然后计算出温度值。本设计中，对整个测量范围分为3段，分别为0～49℃、50～70℃、71～100℃，利用分度表进行离线的数学拟合，得到各段的数学模型系数。同时，再将标度值代入可粗略估计在各个测量段内的最大误差值。我们通过最小二乘法进行线性拟合，得到如下的数学模型，如表1所示。上述3个数学模型中，最大的理论误差值都小于0.1℃，能够满足精度要求，实际上我们完全可以分的再细一些，这样理论误差将会变得更小。

表1 各温度段的数学模型

3.2 控制方式

温度控制系统是一个滞后、大惯性、非线性、具有实变不确定性因素的多变系统，传统的控制方式不能达到精度的要求，因此采用采用模糊PID作为系统的控制方式[5]。模糊PID控制器能够预测偏差产生超前的校正作用，从而改善系统的动态性能，积分控制用来减少系统的误差，PID控制是输入偏差e(t)的比例、积分和微分三部分组成，控制率为：

用传递函数的形式可写为：

其中Kp为比例系数，T为积分时间常数，TD为微分时间常数。

4 测试与分析

对所设计系统进行数据测试，见表2所示，通过键盘分别设定一个温度，当温度小于所设定温度时通过程序控制继电器来控制发热电阻加热，当温度达到或非常接近所设定温度时，通过模糊 PID控制方式来控制继电器的通断从而达到恒温的作用[6]。由于数字万用表测温存在一定的误差以及元器件本身的因素，从图中可以看出LCD12864显示的温度与数字万用表所测温度有差异，误差范围是-0.3℃～+0.4℃。