微機(jī)課程設(shè)計(jì)---溫度控制系統(tǒng)

1、<p>　　自動(dòng)化學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題目：溫度控制系統(tǒng) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　屆 班級(jí) </p><p>　　指導(dǎo)教師 專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化</p><p><b

2、>　　說(shuō) 明</b></p><p>　　1. 課程設(shè)計(jì)文本材料包括設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)三部分，其中任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)由教師完成。按設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)順序裝訂成冊(cè)。</p><p>　　2. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達(dá)的任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)完成課程設(shè)計(jì)工作。</p><p>　　3. 設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容建議主要包括：設(shè)計(jì)概述、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案分析、軟硬

3、件具體設(shè)計(jì)、調(diào)試分析、總結(jié)以及參考資料等內(nèi)容。</p><p>　　4. 設(shè)計(jì)報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在3000-4000字，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)應(yīng)采用電子繪圖。文字規(guī)范，正文采用宋體、小四號(hào)，1.25倍行距。</p><p>　　5.課程設(shè)計(jì)成績(jī)由平時(shí)表現(xiàn)（30%）、設(shè)計(jì)報(bào)告（40%）和答辯成績(jī)（30%）組成。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)及成績(jī)匯總表</p><p

4、>　　溫度控制系統(tǒng)的組成：</p><p>　　主要由溫度數(shù)據(jù)采集、溫度控制、按鍵和顯示、通訊等部分組成。</p><p>　　溫度數(shù)據(jù)采集選用了NTC熱敏電阻、集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器組成。</p><p>　　溫度控制部分采用交流開(kāi)關(guān)BT136通過(guò)改變導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)壓限流達(dá)到控制加熱絲溫度的目的</p><p>　

5、　一、溫度數(shù)據(jù)采集選用：NTC熱敏電阻</p><p>　?。?）、NTC熱敏電阻原理：了解熱敏電阻原理，是應(yīng)用好熱敏電阻的前提。熱敏電阻是對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體元件，主要特征是隨著外界環(huán)境溫度的變化，其阻值會(huì)相應(yīng)發(fā)生較大改變。電阻值對(duì)溫度的依賴關(guān)系稱為阻溫特性。熱敏電阻根據(jù)溫度系數(shù)分為兩類：正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。</p><p>　　NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10

6、O~1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場(chǎng)合。</p><p>　　電阻－溫度特性圖如圖1所示： 由圖可知，NTC的阻值隨溫度的上升而下降，其阻值和溫度呈非線性特性，因此必須采用一定的方法對(duì)曲線進(jìn)行線性化處理。其測(cè)量原理是利用通過(guò)測(cè)量其阻值，通過(guò)其溫度特性曲線便可求的環(huán)境溫度。但因?yàn)闇囟炔槐阌跍y(cè)量且不便于其他電路處理。通常是將電阻的變化

7、轉(zhuǎn)化為電壓的變化通過(guò)測(cè)量電壓變化測(cè)得溫度的變化。</p><p>　　由于采集到的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，不能被數(shù)字系統(tǒng)處理，因此必須通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。一般AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓要求為2.5v，而采集到的電壓信號(hào)很微弱，必需經(jīng)過(guò)放大后才能送給AD轉(zhuǎn)換器，因此在系統(tǒng)中還必須有信號(hào)放大的信號(hào)調(diào)理電路。</p><p>　　產(chǎn)品目錄記載值為下列測(cè)定條件下的典型值：</p&

8、gt;<p>　　NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R-T特性</p><p>　　溫度采集電路主要由用NTC熱敏電阻制作的溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而NTC測(cè)溫原理主要是基于基于將NTC阻值隨溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。將NTC熱敏電阻值變換轉(zhuǎn)換為電壓的變化的方案為：</p><p>　　采用差動(dòng)電橋進(jìn)行測(cè)量。</p><p><b>　　圖表 2<

9、/b></p><p>　　VCC經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓二極管后電壓穩(wěn)定值為2.5V</p><p>　　由電橋平衡條件可知，當(dāng)R2/R3=R4/R5時(shí)電橋平衡，此時(shí)V1和V2點(diǎn)的壓差為零。由于R2=R3，因此在溫度為零時(shí)，可以調(diào)節(jié)R5時(shí)R5=R4，使電橋平衡，其輸出為零。當(dāng)溫度上升時(shí)，R4阻值減小，當(dāng)溫度變化一百攝氏度時(shí)，熱敏電阻的變化范圍大概為1K.</p><p>　

10、　因此可以粗略的估算電橋輸出電壓的變化值為2.5*（4.7/24.7-3.7/23.7）=0.0854V.</p><p>　　該電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，因?yàn)椴捎貌顒?dòng)電橋，所以電路抗干擾能力增強(qiáng)，能有效抑制電源波動(dòng)對(duì)電路的影響。</p><p>　　二、信號(hào)調(diào)理電路的原理與設(shè)計(jì)（采用AD轉(zhuǎn)換器）</p><p>　　由于從電橋出來(lái)的信號(hào)很微弱，因此需要通過(guò)運(yùn)算放大器放大后才能

11、經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換。</p><p>　　方案：采用儀用放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)放大，儀用放大器的原理圖如下。</p><p><b>　　信號(hào)調(diào)理電路 1</b></p><p>　　儀用放大器的放大倍數(shù)可以由以下公式計(jì)算得知：</p><p>　　A=-R11/R7(1+2*R8/R6)</p><p>　　由

12、于R6可調(diào)，因此可以利用調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。由于信號(hào)采集電路采集到的最大電壓差為0.0854V.而AD的基準(zhǔn)電壓為2.5V，所以要求信號(hào)調(diào)理電路的最大輸出為2.5V。而信號(hào)采集電路的最大輸出為0.0845v,所以要求信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)約為30倍。該電路由于可以調(diào)節(jié)R6來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，由于調(diào)節(jié)R6不會(huì)影響電路的對(duì)稱性因此調(diào)節(jié)起來(lái)方便。</p><p>　　三、AD0804的采樣原理及與單片機(jī)的連接方法</p&g

13、t;<p><b>　　AD采樣電路 1</b></p><p>　　AD的片選功能和單片機(jī)的P2^4相連，當(dāng)P2^4為低電平時(shí)AD選通。AD的讀信號(hào)RD和寫(xiě)信號(hào)WR和單片機(jī)的P3^6和P3^7相連。由于AD采用的是直通方式，當(dāng)P3^7為0時(shí)啟動(dòng)AD,開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)P3^6為1時(shí)便可以讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。</p><p>　　四、PID參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真&

14、lt;/p><p>　　1、PID控制的結(jié)構(gòu)圖為：</p><p>　　當(dāng)外界溫度較大時(shí)，壓力傳感器受溫度影響精度不高，會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，從而增大測(cè)量誤差。于是嘗試加工一個(gè)腔體，把壓力傳感器和溫度傳感器放置在里面形成一個(gè)小的封閉腔體，在外界溫度較高或較低的情況下，用加熱裝置先升溫到幾十度并維持這一溫度，給壓力傳感器做零點(diǎn)補(bǔ)償，提高壓力傳感器的測(cè)量精度。這樣就克服了在大溫度范圍難以補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題

15、。本文對(duì)這個(gè)溫度控制系統(tǒng)提出了解決方案，采用了PID參數(shù)自整定控制，模糊控制屬于智能控制方法，它與PID控制結(jié)合，具有適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、時(shí)變等特點(diǎn)。</p><p><b>　　1 硬件系統(tǒng)</b></p><p>　　用放置在腔體內(nèi)的溫度傳感器測(cè)量恒溫箱內(nèi)的溫度，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后輸出反饋信號(hào)，再用單片機(jī)進(jìn)行采樣，由液晶顯示恒溫箱內(nèi)的溫度，并通過(guò)溫度控制

16、算法控制加熱裝置。所使用的單片機(jī)為STCl25408AD，自帶A／D轉(zhuǎn)換、EPROM功能，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶振20 MHz以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路)，ISP(在系統(tǒng)可編程)／IAP(在應(yīng)用可編程)，無(wú)需專用編程器可通過(guò)串口(P3．0／P3．1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)的控制模型</b></p

17、><p>　　電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用一階慣性環(huán)節(jié)描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　式中：K為對(duì)象的靜增益；t’為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　目前工程上常用的方法是對(duì)過(guò)程對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，測(cè)取過(guò)程對(duì)象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過(guò)程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫(kù)恩(cohen-coon)公式確定近似傳遞函數(shù)。</p

18、><p>　　cohn-coon公式如下：</p><p>　　式中：△M為系統(tǒng)階躍輸入；△C為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)；t0o．28為對(duì)象上升曲線為O．28△C時(shí)的時(shí)間(單位：min)；t0．632為對(duì)象上升曲線為O．632△C時(shí)的時(shí)間(單位：min)；從而求得K=O．96，t’=747 s。所以恒溫箱模型為：</p><p>　　3 系統(tǒng)的控制模型仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p&

19、gt;<p>　　純PID控制有較大超調(diào)量；而純模糊控制由于自身結(jié)構(gòu)的原因又不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差較大。所以，考慮把它們兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。本論文采用參數(shù)模糊自整PID控制。</p><p>　　使用該模糊控制器在Simulink中構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)，如圖2所示。</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果如圖3所示。從上面的仿真結(jié)果表明：調(diào)節(jié)時(shí)間ts約為460s，

20、穩(wěn)態(tài)誤差ess=O，超調(diào)量σ％=O。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，但它的結(jié)果還是具有指導(dǎo)意義的。</p><p><b>　　.</b></p><p>　　在實(shí)際測(cè)試中前10 min每30 s采樣一次，后10 min每200 s采樣一次，測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。</p><p>　　用Matlab軟件處理表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制成變化趨

21、勢(shì)圖，如圖4所示。</p><p>　　圖4為80℃時(shí)系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際測(cè)量中仍然有較小的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差，但是基本接近仿真結(jié)果，不能排除一些干擾因素。仿真畢竟是在理想的環(huán)境下進(jìn)行的。</p><p>　　PID控制算法的實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制的流程圖</p><p>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)</p><p>　　課程設(shè)計(jì)題