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单片机温度控制系统

发布时间:2019-08-05 04:06 来源:未知 编辑:admin

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  常用的温度检测元件主要有热电偶、热电阻、热敏电阻等。热电偶主要是利用两种不同金属的热电效应,产生接触电势随温度变化而变化,从而达到测温的目的。测量准确,价格适中测温范围宽,线性度较好。但其输出电压受冷端温度影响,需要进行冷端温度补偿,使电路变得复杂,在本题中并非最佳方案。

  热敏电阻由金属氧化物或半导体材料制成,灵敏度高、热惰性小、寿命长、价格便宜。但其测量的稳定性和复现性差,测量精度无法满足本题发挥部分0.2℃的要求。而且线性度差,需要进行查表线性拟合,大大浪费控制器的资源,因此不能选用。

  热电阻是利用金属的电阻率随温度变化而变化的特性,将温度量转化成电阻量。其优点是准确度高,稳定性高,性能可靠,热惯性小、复现性好,价格适中。但电阻值与温度是非线℃时可用下式表示:

  其中A=3.9083╳10-3 /℃;B=-5.775╳10-7 /℃;由此可见,温度越高非线性误差越大,本题目要求温控范围是40℃~90℃,温度较低。经计算当温度为90℃时,非线%,运用最小二乘法适当的进行零点和增益的调整,还可使此误差降低一倍,而本题要求精度为,0.2/90=0.22%,因此在本题中可以选用Pt100热电阻,并可近似将其电阻值与温度看作线、 放大电路

  热电阻所测得的是电阻量,需要转化为电压量才能被控制器采集。最基本的电阻-电压转换电路是将其与另一固定电阻串联,但这种方法,当温度为量程下限时输出不为零,这样不利于小信号的放大和提高A/D转换的精度。因此,本作品采用桥路测量,电路如图2所示:

  其中R1R2为10kΩ固定电阻,Rt为热电阻,Rw2为调零电阻,由于 ,因此上下两支路电流相等,并保持恒定不变,输出电压 ,可调整Rt0=Rw2,使得

  由于在桥路中R1很大,使得输出量uo变化很小,当Rt从0到100℃变化时,输出仅有十几毫伏,因此还需要进行小信号放大。本作品所用低频增益可调放大电路如图3:

  其中Rw1为增益电阻,用于调整测量满量程,运放采用低噪声NE5532,令R1=R2,R3=R4,R5=R6,则该放大电路总增益为 ,当Rw1从0到50kΩ变化时,Av的变化范围为150至+∞,满足所需增益要求。

  题目所要求测量度精度为0.2℃,测温的范围应该为室温到要求的最高温度,即20~90℃,这就决定了A/D转换的最低分辨率不低于0.2/(90-20)=1/350,而普通八位A/D转换芯片只能达到1/256,不能满足要求。而如果选用更高位的芯片,将大大增加成本。温度是一种变化时间常数较大的物理量,对A/D转换速度要求不高,因此,在设计中选用了压控振荡器,先将电压信号转化为频率量,再通过控制器的计数功能转化为数字信号,这样可以大大提高精度,节约成本。

  电容器C1充电周期为 ,放电周期为 ,由于 所以 ,所以其振荡频率可近似看作与输入电压Ui成正比。但当频率较高时,仍有较大(约为5%)非线性误差,不能满足题目要求。因此,在作品中利用FPGA的优点,该测频率为测正脉冲宽度,再通过单片机求倒数,这样即可完全消除非线、 控制器

  对水温的反馈偏差控制,就必然用到经典控制理论中的PID(Proportional Integral and Derivative比例积分微分)控制,控制器可有多种选择,如模拟电路、单片机、逻辑器件等。

  模拟电路控制可对偏差变化进行连续的控制,技术成熟,性能较稳定。但其缺点是不便于显示,调整PID参数需更换元器件,易受到外界干扰等,在现在这个数字化高度发展的时代已趋于淘汰。

  单片机作为微型计算机的一个分支,已有二十多年的发展,在各控制领域都有广泛的应用。而近年以FPGA(现场可编程门阵列)为代表的可编程逻辑器件异军突起,其优异的性能大大弥补了单片机响应速度慢、中断源少的缺点。但FPGA的运算能力有限,因此,在我们的设计中采用FPGA与单片机相结合的控制方式,二者优势互补,性能大大提高。

  在本作品中,FPGA主要负责接收压控振荡器的信号,通过测量其正脉宽而获得电压量;单片机接收FPGA发送的数据,进行显示、PID运算,和输出。

  控制器将其PID运算的结果转化为不同占空比的脉冲信号输出,该信号作用于执行机构还需要经过驱动电路。

  本作品中采用交流调功电路,即将负载与交流电源接通几个周波,再断开几个周波,通过改变开通与断开周波的比值来调节负载所消耗的平均功率。具体实现电路如图5。

  将220V/50Hz的市电,经电阻分压到5V以下,输入运放的同相输入端,运放作为过零比较器,当市电过零时,产生跳变,运放输出送到D触发器的时钟端,D触发器的输入接单片机输出的脉冲信号,输出接双向晶闸管的门极。这样,只有当交流电过零时,单片机的输出信号才对晶闸管产生作用,也就是说,只有当交流电过零时,晶闸管才能开通或关断。这样可以大大减小开通关断过程中对晶闸管的冲击,减少开通关断损耗。

  在本作品中,FPGA的主要功能是测量压控振荡器输出高脉宽的时间。由于压控振荡器的频率较低(10kHz),因此在测量中采用的方法是,提取一个高脉宽,在这个高脉宽内对标准频率(50MHz)计数,计数的值即与脉宽成正比。

  单片机在本作品中起主要的作用,其功能主要是接收FPGA的数据、运算、显示和输出控制脉冲。以上几部分在一个周期内顺序执行,如图6所示,一个周期的时间约为0.1秒,即为一个采样周期。对于水温这一时间常数较大的系统,0.1秒的采样周期足够。

  由于精度的要求,FPGA发送的数据位数较高,需要多次传送,每次传8位,共传8次,放入缓冲区中。然后根据脉宽——电压——温度三者的对应关系,计算出当前温度。尽管测量的非线性误差很小,但仍会对精度产生一定影响,因此在实验中,取若干脉宽与温度对应实验数据,利用最小二乘法进行一元线所示,将原来a直线,变为b直线,这样可以在很大程度上减小非线性误差。

  显示部分,采用7位七段LED数码管显示,可以显示给定值和当前实际值,因考虑人眼的视觉暂留的影响,数码管每5个采样周期,即0.5秒刷新一次。

  本作品的PID运算采用了当前计算机控制常用的增量PID算法。具体做法如下:

  采样PID控制的基本公式为 ,其中Kp未必例系数,Ti为积分时间,Td为微分时间,T为采样时间。因计算中需要累加求和,不便于单片机的计算。因此算其增量式 ,其中 。软件进行PID运算后判断如果Δu0,则输出脉冲的占空比增加1%,反之减小1%

  为了确定PID参数,根据容器加热、传热的公式,列出加热容器的微分方程,经拉氏变换后得到一个一阶滞后环节,其传递函数约为 ,对整个控制回路用Matlab中的Simulink工具箱进行方针,其框图如图8

  图中step为输入阶跃给定信号,step1为干扰量,A中存储输出占空比,scope显示输出波形(图9a),scope1显示占空比值(图9b)。

  当t=10时刻,给定值输入阶跃量,t=100时刻,输入干扰阶跃量。由此可见,本系统可以以较小的超调和较短的调节时间达到稳定状态,并对于干扰有较好的控制作用。

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