学文网温度控制系统篇1
文中系统介绍了本设计的硬件系统连接***，软件流程***，同时简要的介绍了该设计中所用到的各种元器件的主要用途及使用。经理论和实践的证明，该设计有很高的使用价值，且其功能完善，抗干扰能力强.
关键词：热电偶 可控硅 温室 单片机
ABSTRACT
This design is composed by independent temperature and humidity sensor and 8031 single-chip microcomputer. Through independent temperature and humidity recalled circus composed by independent temperature and humidity sensor， and enlarge equipment and A/D alternated department. Then showing it， the number could control the temperature of the warm room， the single-chip microcomputer looks into the temperature of the warm room， the data got from A/D alternation will be sent to the computer， and will be judged and calculated， then output the data， so that we can control the warm power of the electric oven， so that we can achieve the goal of controlling the temperature. The design also has the function of showing， warning and choosing the controlled state.
In the paper， we introduce systematic chant of the hardware and software， also， the paper introduced the main function and use of all kinds of parts briefly. All have been proved by the theory and practice， the design has high ratio performance to price， and its function was perfect， strong disturbance resistant， so it has good pragmatic value and great development in future.
Keywords: independent ; control ; show
目 录
绪论 1
第一章 系统性能指标及方案确定 2
第二章 系统的硬件设计及芯片介绍 4
第一节 硬件系统的设计原则和采用方法 4
第二节 芯片介绍 5
第三章 前向通道的设计 17
第四章 后向通道的设计 23
第五章 人机通道的设计 27
第六章 抗干扰技术 29
第一节 干扰的作用机制及后果 29
第二节 数字信号输入的软件抗干扰措施 30
第七章 系统软件的设计 31
第一节 专用模块的程序设计 31
第二节 主程序设计 43
结束语 55
参考文献 56
附录………………………………………57
绪 论
温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金，机械，食品，化工等种类工业中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反应炉等对工件的处理温度要求严格控制，以及在农业等方面的温室的温度控制，微机控制技术在这方面的应用，使温度控制技术指标得到了大幅度的提高。
本设计是温室温度控制系统，其基本控制原理是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，在送到微机进行相应的判断和运算，输出控制量控制加热功率，从而实现对温度的控制。系统结构***如下
点及用途：
由于该系统仅实现单一的温度控制，所以硬件结构简单，而接口及外扩芯片应用较少，成本低，在抗干扰措施上硬件采用了光电隔离，软件采用滤波程序，所以系统抗干扰的能力强，稳定性好，能满足工业中各类温度控制要求。
第一章 系统性能指标及方案的确定
系统要求的主要技术指标：
（1）要求温室温度分三档：一档为温室、二档为40℃、三档为50℃。
（2）具有实时显示温度（三位××.×℃）。
（3）当不能保证要求温度时，给出报警信号。
系统分析及总体设计方案：
一、硬件电路方案的确定：
（1）温度检测元件及放大器，A/D转换芯片选择：
温度检测元件及放大器放大倍数的选择，按控制范围和精度要求考虑。该部分采用热电偶，因为热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一。放大器选择AD521，A/D转换用0801使量化误差满足性能指标要求。
（2）温度控制电路选择：
温度控制电路采用了可控硅调节规律方式。双向可控硅在50HZ交流电源和 加热电路中，只要在给定周期里改变可控硅开关的接通时间，就能改变加热功率的目的，从而实现温度调节。
(3)人机通道方案选择：
报警电路的选择：由于该系统所控制的温度有确定的范围，这就要求报警电路有上下限报警并指示功能，因此，可采用声光报警，即声音报警采用蜂鸣器接到8031的P6口上，而发光报警采用发光二极管即可并有红黄之分，区别上下限，正常运行时绿等亮。
定时电路的选择：由于该系统主控电路的电源为220V/50HZ，工频交流电，经电压比较器LM311，过零触发器MC14528后产生频率为50HZ的单稳态脉冲，此时脉冲一路作为触发脉冲，一路作为该系统的外部定时（100ms）送给T0，T1计数器计数。
二、 软件方案确定：本设计是采用传统的PID控制，比较实际温度和炉温得到的偏差，通过对偏差的处理获得控制信号来调节可控硅的通断，用以实现对电阻炉的控制，从而调节温室温度。
三、 软、硬件功能划分
软件和硬件是计算机系统的两大组成部分，它们的目的是一致的都是为了解决特定的问题，实现特定的功能；他们的作用是相辅相成的，如果增加软件的任务，就能减少硬件的任务，简化硬件电路；相反加重硬件的任务，增强硬件的功能则可减轻软件的负担，简化编程。因此，合理地分配软件所承担的任务充分利用MCS-51本身丰富的软件硬件功能，特别是它的软件控制功能，力争用最少的外部电路构成系统，完成系统要求的任务。
1.硬件
（1） 前向通道：包括传感器（热电偶）、A/D转换器（ADC0801）、放大器（AD521）
（2）人机通道：包括显示电路、拨码盘、报警电路
（3）后向通道：包括脉冲触发电路、两个加热电路
2.软件
（1）温度检测：包括定时采样和软件滤波。
（2）温度控制的实现：即根据温度给定值的大小，决定2台电炉的通电与断电实现温度控制。
（3） T。定时器产生每一次的定时中断，作为本系统的采样周期，T1计数器决定控制脉冲的时间。
（4） 显示有关状态。
（5） 输出报警信息。
四、 系统结构框***及基本工作原理
温度控制系统篇2
关键词：单片机、温度传感器、模/数转换器
一、单片机温度控制系统的组成及工作原理
在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据输入的温度控制范围通过继电器控制加热设备完成温度的控制。本系统的测温范围为0℃～99℃，启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置，这时数码管显示温度数值，每隔一秒温度数值增加一度，当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置，依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。
二、温度检测的设计
系统测温采用ad590温度传感器，ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即： ，式中：ir—流过器件（ad590）的电流，单位为ma；t—热力学温度，单位为k。
2、ad590的测温范围为-55℃～+150℃；
3、ad590的电源电压范围为4v～30v；
4、输出电阻为710mw；
5、精度高。
ad590温度传感器输出信号经放大电路放大10倍，再送入模/数转换器adc0804，转换后送单片机。根据ad590温度传感器特性以及放大10倍后的电压值与现场温度的比较发现，实际温度转换后送入单片机的值与按键输入数值之间有一定的差值，模/数转换器送入单片机的数值是按键输入值得2.5倍。由于单片机不能进行小数乘法运算，所以先对按键输入进行乘5，然后根据运算结果及程序状态字的状态再进行循环右移一位，如果溢出标志位为低电平时直接对累加器进行一次带进位循环右移，如果溢出标志位为高电平时，先对进位标准位cy位置为高电平，然后再进行一次带进位循环右移，通过上述操作使按键输入的温度值与模/数转换器送入单片机的温度值相统一。
三、具体电路连接如***所示
四、软件编程
单片机温度控制系统由硬件和软件组成，上述硬件原理***搭建完成上电之后，我们还不能实现对温度的控制，需要给单片机编写程序，下面给出了温度控制系统的编程方法。
org 00h
start：anl p1，#00h；显示00
*** p3.4 ，$ ；t0=0？有键按下？
call delay1 ；消除抖动
jnb p3.4 ，$；t0=1？放下？
mov r0 ，#00；计温指针初值
l1： mov a ， r0 ；计温指针载入acc
mov p1 ， a ；输出至p1显示
mov r5 ， #10 ；延时1秒
a1：mov r6 ， #200
d1：mov r7 ， #248 ；0.5毫秒
jnb p3.4 ，l2 ；第2次按下t0？
djnz r7，$
djnz r6，d1
djnz r5，a1
inc a
da a
mov r0 , a
jmp l1
l2：call delay1 ；第2次按消除抖动
*** p3.4 ，l3 ；放开了没？是则
；跳至l3停止
jmp l2
l3: mov a ，r0
call change
mov 31h , a ；下限温度存入31h
*** p3.5 ，$ ；t1=0？有键按下？
call delay1 ；消除抖动
jnb p3.5 ，$ ；t1=1？放开？
mov r0 ，#00 ；计温指针初值
l4：mov a ，ro ；计温指针载入acc
mov p1 ， a ；显示00
mov r5 ，#10 ；延时1秒
a2：mov r6 ，#200
d2：mov r7 ，#248 ；0.5毫秒
jnb p3.5 ，l5 ；第二次按下t1？
djnz r7 ，$
djnz r6 ，d2
djnz r5 , a2
add a , #01h
da a
mov r0 , a
jmp l4
l5:call delay1 ；第2次按消除抖动
*** p3.5 ，l6 ；放开了？是则跳至l6
jmp l5
l6：mov a， ro ；
call change
mov 30h ，a ；上限温度存入30h
delay1：mov r6 ，#60 ；30毫秒
d3：mov r7 ， #248
djnz r7 ， $
djnz r6 ， d3
ret
change：mov b ，#5
mul ab
jno d4
setb c
d4：rrc a
ret
mov 32h ，#0ffh ；32h旧温度寄存
；器初值
aaa：movx @r0 ， a；使bus为高阻抗
；并令adc0804开始转换
wait：*** p2.0 ，adc ；检测转换完成否
jmp wait
adc：movx a ，@ro ；将转换好的值送入
；累加器
mov 33h ，a ；将现在温度值存入33h
clr c ；c=0
subb a ，32h
jc tdown ；c=0取入值较大，表示
；温度上升，c=1表示下降
tup：mov a， 33h ；将现在温度值存入a
clr c
subb a ，30h ；与上限温度作比较
jc loop ；c=1时表示比上限小须
；加热，c=0表示比上限大，停止加热
setb p2.1
jmp loop
tdown：mov a ，33h ；将现在温度值存入a
clr c
subb a ，31h ；与下限温度作比较
jnc loop ；c=1时表示比下限小，须
；加热，c=0表示比下限大
clr p2.1 ；令p2.1动作
loop：mov 32h ，33h
clr a
mov r4 ，#0ffh ；延时
djnz r4 ，$
jmp aaa
end
五、结语：
本文给出了用单片机在0℃～99℃之间，通过用户设置温度上限、下限值来实现一定范围内温度的控制；给出了温度控制系统的硬件连接电路以及软件程序，此系统温度控制只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信通过大家的聪明才智和努力，一定会使单片机的应用更加广泛化。
参考文献：
温度控制系统篇3
针对汽车涂装车间喷漆室空调温湿度控制精度高且需持续稳定的要求，本文提出了一种基于PID的温湿度控制方法。首先，根据焓湿***，将空调系统全年空气状态分成7个区。其次，根据实时温湿度值，调用相应的PID控制策略。这样，多模型之间要经常切换，就存在温湿度的波动、阀门切换动作频繁两个问题。针对这两个问题，分别采取了对应措施，保证了多模型之间的平稳过渡。然后，详细描述系统程序的设计过程。最后，通过现场试验，验证温度约110s进入稳态，稳态误差保持在±0.5℃以内，湿度约150s进入稳态，稳态误差保持在±1%以内，远优于系统的设计要求。
【关键词】PID控制 温湿度控制 焓湿*** 空调系统
随着汽车业的竞争日趋激烈，提高车体的漆膜质量、增加漆膜质量的稳定性已成为各企业重点研究的课题之一。影响漆膜质量的因素较多，其中使喷漆室始终处于一个稳定的温湿度环境是保证漆膜质量的重要因素之一。由于喷漆室内温度与湿度之间存在交叉耦合情况，即温度控制会引起湿度变化，湿度控制也会引起温度变化；并且，喷漆室空调的进风方式为全新自然风，受外界天气影响很大，不容易控制。因此，涂装车间喷漆室的温湿度控制是一种非线性的、滞后的、时变的复杂过程，这种系统如果采用传统的仪表控制显然是不合适的。针对涂装车间喷漆室空调温湿度控制精度高且需持续稳定的要求，本文提出了一种基于PID的温湿度控制方法。
1 系统结构
涂装车间喷漆室空调系统主要由空调箱体、风机、冷盘管、热盘管、送风机构和加湿装置等组成，各部件由管网彼此联系在一起。空调温湿度的控制系统主要分为四个控制段，分别为一次加热段、表冷段、喷淋段、二次加热段，每个部件具有各自的特性，因此可以将其看为是一个个子系统，在约束条件给定后，一个输入对应一个输出。一般可由质能平衡的角度去描述部件的特性。进入表冷段和加热段的冷水量和热水量分别由他们各自管路上的冷、热水阀来控制，而进入喷淋段的水喷淋量则由调节喷林泵的变频器的输出频率来实现。系统结构如***1所示。
2 系统总体方案设计
2.1 系统功能及设计要求
系统能够实现对涂装车间喷漆室空调温湿度的实时采集，利用LCD液晶显示屏显示，经过数据分析处理后，控制升温、降温、加湿或除湿设备，实现对环境的监测和控制。要求温度控制精度为±1℃，相对湿度精度为±5%，基本达到恒温恒湿控制。在整个控制过程中要兼顾温湿度控制的快速性和稳定性，即从空调开机开始到温湿度达到控制目标，确保在30分钟之内完成。而且，基于PID的控制算法能够随季节变换而实现自动切换，提高设备的适应性，减少人工参与。
2.2 系统模块组成
系统由温湿度PID控制模块、温湿度数据采集模块、PLC数据传递模块、上位机模块、温湿度调节执行模块、液晶显示模块和报警模块等组成，如***2所示。
2.3 系统工作原理
温湿度信号由安装在喷漆室滤网上部的温湿度传感器检测得出，然后被转换成4～20mA电流信号后输入PLC数据传递模块。PLC数据传递模块是利用其OPC客户端程序来完成与温湿度PID控制模块和上位机模块的对接。PLC数据传递模块将温湿度当前值和设定值，以及KP、KI、KD等参数值输入温湿度PID控制模块，控制模块根据输入的这些值通过运算输出控制百分比，再由PLC数据传递模块将控制百分比转换成4～20mA电流信号分别来控制相应的上位机模块和温湿度调节执行模块。最后将输出分成加热、制冷或加湿信号，来分别控制热水阀、冷水阀和加湿泵变频器的开度，从而实现了对喷漆室温湿度的控制。实时温湿度可以通过LCD液晶屏显示出来，如果其值超出最大偏差值时，系统将启动报警功能，表示环境温湿度已经超过设备稳定工作的温湿度范围，该系统已经不能满足对此环境温湿度的调节，需要进行相应的人工应急处理。
3 系统控制方案设计
3.1 温湿度分区控制
对空调系统全年空气状态进行分区，并基于不同的分区对空调设备进行控制。焓值是一种能量的单位，代表的是一定容积量空气中含的水分和温度的综合量，是空气温度和湿度大小的综合衡量单位，其值的大小完全只由温度和湿度决定。所以，基于空气焓湿***，将焓湿***分为7个区域（目标区域除外），如***3所示，处于某一区域的室外空气状态，需经过与该区相对应的控制模式进行空气处理，并使其达到最终的控制目标。***3中，横坐标为空气含湿量d，纵坐标为温度t，斜线为等焓线h，包络线为等湿度线，每个区代表不同的环境温湿度状态，用以明确空调系统进风温湿度状态与调控目标之间的关系，由点1、点2、点3、点4组成的菱形区域为控制目标区，要先根据目标温湿度的设定范围计算出该区边界。
具体分区方法及判别条件：
3.1.1 菱形区域条件
当入口空气温湿度满足设定范围，即tn=25±0.5℃、φn=50%±2.5%时。
3.1.2 1区条件
当入口焓值hin小于焓值hd时。
3.1.3 2区条件
当入口焓值hin大于焓值hd，且小于焓值hl；空气含湿量小于点1含湿量d1时。
3.1.4 3区条件
入口焓值hin大于焓值hl，且小于焓值hx；入口温度tin大于设定温度tn+0.5，入口湿度φin大于设定湿度φn+3。
3.1.5 4区条件
入口焓值hin大于焓值hd，且小于焓值hx；入口温度tin小于设定温度tn-0.5；入口湿度φin大于设定湿度φn-3；入口空气含湿量din大于点1含湿量dl时，且小于点3含湿量d3时。
3.1.6 5区条件
入口焓值hin大于焓值hx，且入口空气含湿量din大于点1含湿量d1时。
3.1.7 6区条件
入口焓值hin大于焓值hx，且入口空气含湿量din小于点1含湿量d1时。
3.1.8 7区条件
入口焓值hin小于焓值hx，且入口空气含湿量din大于点3含湿量d3时，且入口温度tin小于设定温度tn-0.5时。
根据***3中标识情况，点1的参数为（tn-0.5，φn-3%），点2的参数为（tn+0.5，φn-3%），点3的参数为（tn+0.5，φn+3%），点4的参数为（tn-0.5，φn+3%）。d点的含湿量与点1的含湿量相同，hl和点1的焓值相同，hx和点3的焓值相同。
3.2 多模型切换平稳控制
为了保证多模型之间的平稳过渡，利用焓湿***分区控制，当环境的温湿度变换分区时，系统会切换不同的阀门控制组合，有二个问题必须加以解决。
（1）切换时会有阀门关闭退出工作，也会有阀门启动工作，这样就会导致温湿度的波动。
针对这个问题，控制程序采用了递减退出方案，即对于新分区中要关闭的阀门，按当前开度按一定速度逐渐关闭（比如每控制周期开度减1，直到开度为0），新开的冷门按正常的温湿度控制即可。
（2）当环境温湿度刚好处理分区边界附近时，由于传感器的原因，会造成在一段时间内，控制分区会在二个分区间来回摆动，导致阀门切换动作频繁。
针对这个问题，采用延时切入，即当系统检测到分区切换时启动一个计数和分区标记，如果计数未到又回到原分区，则计数清零，如果计数值到表示稳定进入了新环境分区，则启动新的分区控制方案，并刷新标记。
3.3 程序设计
系统程序设计包括系统初始化程序、温湿度的采集程序、温湿度判断程序、PID控制程序、PLC数据传递程序、液晶模块显示程序、报警程序等。程序流程如***4所示。
3.3.1 主控程序设计
主控程序用于控制空调系统按设定的温湿度工作，包括按照入风温湿度自动分区切换控制阀门的功能，其界面如***5所示。
（1）连接PLC的功能
程序连接PLC的OPC服务器所用的item名称是通过OPC测试程序写入注册表的。点击“连接OPC”按钮即可连接，通过OnBtConnetOpc函数完成。
（2）温湿度控制
点击“开始控制”按钮（OnBtStartControl函数），控制开始，其中的InitPIDparamate函数用于初始化变量，包括PID控制所用参数、变量和界面上的设定数据。
（3）函数调用
ReadData（）函数用于读取PLC的温湿度，其中湿度转为0到1的百分小数。ReadOPC2（）是为了从PLC读取设定的湿度，以PLC的设定为准。GetPannalParameter（）是从界面读取设置的PID参数等数值。GetMode（）是计算分区的函数。PIDControl （m_LastMode， T_in， Wet_in）；就是按分区选择阀门，调用各自的PID参数，计算各阀门的开度。
3.3.2 PID参数整定程序设计
开发的PID参数整定程序采用临界比例整定法，该程序可以通过单阀整定功能，确定单个阀门对温湿度闭环PID控制的参数；同时该程序还可以使用整定好的参数对单个阀门或双阀门联调进行测试，以检验PID参数的运行效果，并可以通过手动调整以满足工作现场的特殊要求。PID整定程序界面如***6所示。经测试，使用上述方法整定出的PID参数不受季节变化的影响。
4 试验验证
本文算法与控制程序，在某汽车制造厂涂装车间做了设备运行试验。该厂涂装车间共有16台空调机组，其中4台带有二次加热装置，用于喷漆室温湿度控制，其他为车间送风空调，由于企业正在生产中，只有车间送风空调允许试验，本文试验对象为没有二次加热阀的空调机组，试验时间为冬季（1区，一次加热与喷淋同时工作）。***7为实测的一个温湿度控制试验结果，目标温度24℃、湿度55%，采样与控制周期为1s。温度约110s进入稳态，稳态误差保持在±0.5℃以内，湿度约150s进入稳态，稳态误差保持在±1%以内，远优于系统的设计要求：温度小于±1℃，湿度小于±5%，30min进入稳态响应。
5 结论
本文设计的汽车涂装车间喷漆室空调温湿度PID控制方法，适用于一年四季不同的空气状态，在扰动随机变化的情况下，可以较好地将温湿度迅速稳定在目标值附近，避免了电动阀执行机构的频繁动作，减小了电动执行机构的能量消耗，延长了其使用寿命。
参考文献
[1]张川，曲银燕，马力.涂装工艺空调设计与控制若干问题分析[J].上海涂料， 2009（4）：41-44.
[2]马利英.洁净空调自控系统温湿度解耦控制研究[D].西安：西安建筑科技大学，2008.
[3]叶宇程，赵旭辉.应用焓值分析的车间温湿度分区控制[J].河南科技大学学报（自然科学版），2014，35（4）：64-67.
[4]付主木，高爱云，费树岷等.集装箱桥吊多模型参考切换双闭环防摇控制[J].机械工程学报，2011，47（23）：161-166.
[5]赵嘉庆，季福坤.基于STC12C5620AD单片机温湿度控制系统设计[J].国外电子测量技术，2014，33（12）：31-34.
[6]覃振，罗祖宪.涂装车间喷房温湿度控制[J].自动化博览，2010（8）：106-110.
温度控制系统篇4
关键词:DSP; 温度传感器; 温度控制; 模糊PID; 脉宽调制
中***分类号:TP23 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)09-0129-03
System of Temperature Control Based on DSP and Digital Temperature Sensor
XU Xing-jian1, YUAN Zi-jun1, ZHAO Yong-li2, GAO Feng1
(1. Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)
Abstract: Traditional temperature control system took thermal resistance as the temperature sensor, combined with air-cooled or water to achieve the purpose, size large, noisy and the accuracy is limited. The temperature measurement system composed of digital temperature sensor(DS18B20) and the DSP(TMS320F2812), the DSP pulse-width modulation is used to control the current of the TEC combined with fuzzy PID algorithm(Fuzzy-PID), to achieve the effect of temperature control, small size and 0.1 accuracy. The wiring diagram of DSP and DS18B20, the use of CCS(code editing studio) for software development are introduced. The system has been used in the LD temperature control, and has gained very good results.
Keywords: DSP; temperature sensor; temperature control; fuzzy-PID; pulse width modulation
0 引 言
20世纪60年代以来,数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)伴随着计算机和通信技术得到飞速发展,应用领域也越来越广泛。在温度控制方面,尤其是固体激光器的温度控制,受其工作环境和条件的影响,温度的精度要求比较严格,之前国内外关于温度控制基本上都采用温度敏感电阻来测量温度,然后用风冷或者水冷方式来达到温度控制效果,精度不够且体积大。本文基于DSP芯片TMS320F2812与数字温度传感器DS18B20设计出一个温度测量系统,根据测量所得的温度与设定的参量,并利用模糊PID算法计算出控制量,利用该控制量调节由DSP事件管理器产生PWM波的占空比,并作用于半导体制冷器,以达到温度控制效果,实现控制精度高,体积小的温度控制系统[1]。
1 系统硬件组成
1.1 DS18B20功能结构与使用
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55~+125 ℃;可编程为9~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.062 5 ℃;CPU只需一根埠线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适合用于远距离多点温度检测系统中。
DS18B20的管脚排列如***1所示。DQ为数字信号输人/输出端;GND为接地;VDD为外接供电电源输人端(在寄生电源接线方式时接地)。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供[2],以0.062 5 ℃/LSB形式表达,其中S为符号位。例如+125 ℃的数字输出为07DOH, +25.062 5 ℃的数字输出为0191H, -25.062 5 ℃ 的数字输出为FF6FH,-55 ℃的数字输出为FC90H。
***1 DS18B20的管脚排列
1.2 DSP介绍
这里所用DSP为TMS320F2812,它是美国TI公司新推出的低价位、高性能的16位定点DSP,是专为控制应用系统而设计的[3],其主频可达150 MHz,本系统中所用晶振为45 MHz,片内集成了设备接口,主要起控制和计算作用。
1.3 半导体制冷器简介
半导体制冷器是根据帕尔贴效应制成的,由两种不同金属组成一对热电偶,当热电偶迈入直流电流后因直流电通入的方向不同,将在热电偶结点处产生吸热和放热现象。制冷器结构如***2所示[4]。
把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时,上端产生吸热现象,此端称冷端,下端产生放热现象,此端称热端,如果电流方向反过来,则冷热端相互转换。
***2 半导体制冷原理
1.4 硬件连接
DS18B20与DSP连接主要有两种方式:寄生电源方式和外部供电方式。本文采用外部供电方式,其中18B20的DQ口与F2812的GPIOA0口连接,具体连接如***3所示。
***3 DS18B20与DSP连接***
2 温度测量
要进行温度控制,首先要测量所控制目标的温度值,在本系统中,具体使用数字温度传感器DS18B20与DSP结合,并利用CCS编写程序,本系统开发平台为CCS 2.2,前期安装及芯片设置在此省略[5-6],程序流程如***4所示。
***4 DS18B20程序流程
DS18B20的控制包括三种时序:复位、写时序、读时序[7]。
复位:主机总线在t0时刻发送一个复位脉冲(最短为480 μs的低电平信号),接着在t1时刻释放总线并进入接收状态;DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15~60 μs,接着在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60~240 μs)。
写时序:对于DS18B20的写时序分为写0时序和写1时序两个过程。写0时序和写1时序的要求不同,当要写0时序时,总线要被拉低至少60 μs,保证DS18B20能够在15~45 μs之间正确地采样I/O总线上的“0”电平,当要写1时序时,单总线被拉低之后,在15 μs之内就得释放单总线。写数据持续时间应大于60 μs且小于120 μs,两次写操作时间间隔要大于1 μs。
读时序:对于DS18B20的读时序同样分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时序是从DSP把单总线拉低之后,在15 s之内就得释放单总线,以便让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程,至少需要60 μs才能完成。
需要注意的是,在程序编写时不管是复位,还是读写,都要注意配置GPIOA0端口的状态(输入或输出),同时时序非常重要,本文中的延时都是经过多次测试后总结出来的,根据DSP芯片的晶振不同,延时程序都会改变,否则DS18B20不会正常工作。
3 温度控制
3.1 脉宽调制PWM输出
TMS320F2812的事件管理模块总共能输出16路PWM信号,文中仅需要输出一路占空比可调的PWM信号,并设计从PWM1引脚输出该方波信号。文中选用通用定时器1(T1) 作为时基;全比较单元1保存调制值;计数方式采用连续增计数模式。PWM占空比值与T1的三角波数据比较,输出PWM信号控制半导体制冷片工作。各寄存器设置如下(高速外设时钟为22.5 MHz)[8-9]:
EvaRegs.ACTR.all=0x0006; //通过对比较方式控制寄存器的配置
EvaRegs.T1PR=5000; //定时器1周期值0.365 μs*N
EvaRegs.T1CMPR=2500; //定时器1比较值
EvaRegs.T1CNT=0; //定时器1初值设为0
EvaRegs.T1CON.all=0x144E; //连续增模式,TRS系数45M/2/16,T1使能
EvaRegs.CMPR1=1500; //占空比
文中设计的PWM周期为1.825 ms,TMS320F2812的计数器记数范围为0~5DC。因此当系统装入CMPR1寄存器的值为0或5DCH时,输出恒为高电平或低电平。现以向CMPR1写入1 500为例,PWM1引脚的输出周期为1.825 ms的方波。
3.2 温度控制软件设计
根据前面叙述,用DS18B20读取温度采样值,再通过参数自整定的Fuzzy-PID算法对数据进行处理[10]:根据E和EC的状况,由模糊控制规律再通过模糊表推导出ΔKP,KI,KD,根据式(1)计算出KP,KI,KD的大小,再计算出U的初值和ΔU,由式(2)实时计算控制量U。通过参数转换,将U转换为PWM参数,修改EvaRegs.CMPR1的数值,改变PWM的占空比,从而控制TEC的制冷/制热功率。
KP=KP0+f1(E, EC)
KI=KI0+f2(E,EC)
KD=KD0+f3(E, EC)
U(k)=U(k-1)+ΔU(k-1)
(1)
ΔU(k-1)=KP[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+
KD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]
(2)
程序流程***如***5所示[10]。
***5 温度控制软件流程
3.3 实验结果
完成以上程序编写后,首先利用仿真器进行温度测量模拟,在标准温度计所得室温为31.2 ℃时,在CCS软件中利用快速观测窗口检测到的温度值为31.187 5 ℃。通过实验证明,在外界温度为31 ℃,采用默认设置(稳定温度为25 ℃)时,该温度控制系统能使被控物体的温度稳定在25 ℃,温度稳定时间小于100 s,精度可达到0.1 ℃以下,达到了工业控制要求。
4 结 语
利用DSP的高速处理能力,结合DS18B20精准的温度读取能力,以及利用CCS开发出温度控制系统。该温度控制系统中应用了Fuzzy-PID算法。设计目标是:在同样的控制精度条件下,使系统的过渡时间及超调量尽可能减小,以改善控制效果。采用复合控制,使系统能有效抑制纯滞后的影响,当参数变化较大以及有干扰时,仍能取得较好的控制效果。
参考文献
[1]邹文栋,叶钦,谢海鹤,等.基于TMS320F2812的半导体激光器温度控制[J].红外与激光工程,2008,37(4):642-646.
[2]马云峰.数字温度传感器DS18B20的原理与应用[J].世界电子元器件,2002(1):47-48.
[3]苏奎峰,吕强.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2006.
[4]郑永明,方方,徐建一,等.半导体致冷原理及其应用系统设计研究[J].中国测试技术,2006,32(6):49-51.
[5]Texas Instruments Incorporated. TMS320C2812 digital signal processors data manual(Rev.C)[M]. US: Texas Instruments, 2004.
[6]Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x DSP CPU and instruction set reference guide(Rev.C)[M]. US: Texas Instruments, 2004.
[7]崔玮,徐根林.DSP和DS18B20的温度测量系统[J].微计算机信息,2007,23(14):166-168.
[8]万山明.TMS320F281XDSP原理及应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
温度控制系统篇5
关键词:温度控制;PID算法;单片机
中***分类号:TP29文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)09-2216-02
The Design of the Temperature Control System for Aquarium
XIONG Jie, ZHANG Li-yong
(Technology Information, Yangtze University Department of Engineering and Technology, Jingzhou 434020, China)
Abstract: This paper introduces a method about the design of the temperature control system for Aquarium. System takes the 89C51 as a core, discuss the design from not only hardware but also software. Adopted PID control algorithm keeps the temperature precise and stable. This paper gives the actual measured data, realized the Aquarium temperature control system design.
Key words: temperature control; PID algorithm; single chip
温度是一个基本的物理量,也是一个极为普遍又极为重要的热工参数之一,几乎所有的科研和生产过程都和温度密切相关。因而,准确地测量和控制温度,对于获得正确的科研数据和保证产品质量都是十分重要的。
本设计主要是对特定空间内的温度进行精准的控制。在一个密闭的空间里,把温度作为控制目标,无论是在启动或设定值的升降,还是各种干扰因素,我们都希望系统能向快、稳、准这三方面靠近。温控系统的控制电路由单片机控制继电器来调节电热丝和风扇达到加热和制冷目的,一旦温度的超调,控制系统的非线性、时滞性和不确定性等相关因素的出现,一般的控制方式达不到要求。因此,在软件上采用PID算法,在硬件上采用PWM(脉宽调制)控制继电器工作,实现升温和降温的处理。
1 整体框架设计
系统是以单片机为控制核心,其整体结构如***1所示,温度传感器从鱼缸中采集温度送入单片机,通过键盘中输入的设定温度进行比较,采用PID控制算法进行处理,通过控制电路对与刚好进行温度调节最后达到稳定,同时显示屏上进行显示当前温度曲线。
2 硬件电路设计
硬件电路包含键盘显示电路和温度采集控制电路两部分内容:
2.1 键盘显示电路
1)键盘电路:系统键盘由四个按键组成,分别实现“设定初始温度加一”,“初始温度减一”,“开始/原始坐标系”,“放大坐标系”等功能。
“设定初始温度加减一”两个按键可以用来设定鱼缸的预置温度;“开始/原始坐标系”是系统进行初始化后用户用来使系统开始工作;系统采用两种坐标系进行温度曲线的显示,“放大坐标系”可以使坐标放大,即使温度曲线精度更高。初始时系统显示曲线范围是0-40摄氏度,放大坐标放温度范围是30-34摄氏度。
2)显示电路:显示电路LCD液晶显示器TS12864A构成,通过控制单片机的I/O来实现浴缸温度在LCD的实时显示。该显示屏可以通过键盘中的放大坐标按键可以调整坐标的范围,使其更有利于观察温度的变化;并能显示温度从开始到稳定所需要的时间。
2.2 温度采集与控制电路
1) 温度采集电路:温度采集电路采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20数字温度采集器组成,该芯片独特的单线接口方式,在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯,该数字温度传感器接线简单,编程方便,可与单片机直接相连。
2) 温度控制电路:温度控制电路主要是执行鱼缸的制冷与升温操作,其控制命令通过分析采集的数据进行判断处理。
温度控制电路中若采集温度高于设定温度,则P1.3端置0,P1.2置1,继电器开关置右边,处于降温状态,反之则P1.3置1,P1.2置1,处于升温状态;若设定温度与采集温度相等则P1.2置0,使继电器两端的加热丝和电风扇的压降为零处于非工作状态。
3 软件系统设计
该系统硬件部分较简单,主要是软件部分的实现,系统上电复位,首先对各存储单元进行初始化,并对LCD进行初始化,显示开机界面,提示是否进入系统,若开始按键按下,则进入系统,判断放大坐标系是否按下,若按下则以温度为30―34坐标系显示,反之,以0―40坐标系显示;调用温度采集程序采集鱼缸温度,并与设定温度进行判断,调用处理子程序进行控制,该温度控制算法采用PID算法来实现。其流程***如***2所示。
4 系统测试
首先通过软件仿真实现系统的功能,最后通过硬件焊接实现了鱼缸的温度控制系统的设计。其仿真的结果如***3所示。
温度调节时间结果记录如表1:
表1 实际测试结果
分析可知,温差相同时,升温时间比降温时间要快,原因在于升温采用电阻丝加热,而降温采用的是12V普通风扇降温,效率较低。若采用加热致冷芯片来完成升温和降温则温度稳定时间会更少。
5 小结
通过软件仿真,系统实际设计制作,最终完成了系统的设计,该系统简单实用,成本低,可靠性强,安装方便简单,可扩展声光报警等功能。
参考文献:
[1] 徐爱钧.8051单片机实践教程[M].北京:电子工业出版社,2005.
温度控制系统篇6
【关键词】供暖；PLC；无线测温；变频调速
The Design of Control System of Heating Temperature Based on PLC
Li Jun tao
（ Jilin Technology college of Electronic Information Jilin Jilin 132021）
Abstract：At present，In the northeast of China with 24 hours of heating heating mode，To maintain the same heating enterprises and institutions such as office work time and non work time， resulting in a large waste of resources，This paper presents a PLC， a wireless temperature sensor， heating temperature control system based on frequency converter，This system can automatically adjust the heating temperature according to different time and date， in order to achieve the purpose of energy saving.
Key Words：Heating；PLC； wireless temperature measurement；frequency control
1、引言
在我国东北地区每年的11月至次年3月共五个月的集中供暖期，现在目前的供暖方式采用24小时全天供暖，供暖温度的调节主要靠供热公司根据室外温度的变化做粗略调整。但是对于企事业单位等办公场所，通常分为工作时间（通常为早八点至晚五点）与非工作时间（夜间及节假日），而目前工作时间与非工作时间采用相同的供暖方式，即房间内的温度基本保持一致，这样就造成了大量的资源浪费，因此本文提出了一种基于PLC、无线温度传感器、变频器的供暖温度控制系统，本系统通过无线温度传感器采集每个房间的温度；采集回来的温度数据进入PLC进行数据的处理，PLC处理完成后输出控制信号到变频器，最终由变频器完成对换热站电动机转速的控制以实现房间温度的自动控制。同时，可根据不同的时间及日期自动调整供暖温度，在非工作时间降低房间内的温度以达到节能的目的。
2、系统的构成
本系统主要由无线测温系统、工业触摸屏、PLC控制系统及变频调速系统构成。其结构如***1所示。
2.1无线测温系统
无线测温系统用来采集被控房间的温度，其无线部分由两种设备构成：Receiver（集中器）、和Sensor（传感器）。集中器完全兼容Modbus协议规范。
（1）无线温度传感器
在每一个需要监测温度的节点上安装一个无线温度传感器（又简称探头），该传感器每隔设定的时间自动测量所在位置的温度，并将测得的温度数据用无线信号发送输出。
（2）Receiver（集中器）测温通信终端
测温通信终端自动接收无线温度传感器发送的温度数据，并在收到测温工作站的读取命令后把收到的温度数据上传测温工作站。这些传感器的ID需要事先配置保存到终端的flash存储器中。
2.2工业触摸屏
工业触摸屏在本系统中做为人机交互接口，用来完成参数的设定，控制状态、流程和参数的显示，实现监控、管理、分析和存储等功能。
2.3PLC控制系统
在工业自动化领域内，PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中，用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制等；本系统可采用西门子S7-200型PLC作为控制器，并应具备模拟量输出及运算能力。根据被控系统的要求，选用CPU222 PLC基本单元，并配置EM235模拟量输出单元。
2.4变频调速系统
变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器根据电动机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。在本控制方案中变频器可根据实际的换热站电动机容量进行选择。
3、系统工作原理
被控房间温度信号经无线温度传感器采集，采集到的数据通过一个公共接收器接收，接收器和PLC之间通过Modbus协议读出多个房间的温度，PLC将读取的这些房间的温度值进行计算，取平均数作为各被控房间的的实际温度值。如果测量值不在温度设定值范围内，系统将根据设定值进行自动调整。温度高于设定值将输出控制信号到变频器控制换热器电动机停止工作，停止加热；温度低于设定值将输出控制信号到变频器控制换热器电动机工作，进行加热，直至达到设定温度范围内。系统操作组态界面如***2所示。
本系统分为手动工作模式和自动工作模式，在手动工作模式时，可以根据需要手动调整换热器电动机的转速，以改变被控房间的温度。在自动工作模式时，系统根据需要分为取暖模式和节能模式，在取暖模式状态下将被控房间的温度控制在23～25℃（工作时间），在节能模式状态下将被控房间的温度控制在15～18℃（夜间及节假日），当被控温度低于设定范围时，系统自动调节，达到被控要求。节假日时间、工作时间、不同时间段的温度设定可以通过触摸屏任意设定。
温度控制系统篇7
关键词：***控制；空调系统；原理；前景
1.前言
改革开放以来，我国经济的发展非常迅速，人民生活的水平也迅速提高，这就急切需要增加或者改造建筑来满足人们的物质需求，同时也导致了建筑能耗的增加。有资料显示[1]，全国的建筑能耗约占总能耗的30%多。很多因素会影响到建筑能耗，例如，空调系统、空调环境、人员及其它设备等。空调系统能耗非常大，以集中空调系统来说，它的能耗占建筑能耗的50%多[2，3]，约占全国总能耗的15％。因此，必须要降低空调系统的能耗，这也是实现国家“节能减排”以及构建资源型、节约型社会的重要途径。温湿度***控制空调系统是在空调应用方面进行的新的尝试，是其新形式之一，很多学者对该系统已经进行了比较全面而细致的理论研究，而且这个系统在工程应用上，在节能方面也有很好好的收效。因此，寻找一种可以为人们提供舒适并且健康的空气环境，又能节约能源的空调系统，在当今社会显得更加迫切，因此，温湿度***控制空调系统将会吸引更多的学者来关注。
2.温湿度***控制空调系统原理及相关设备组成
2.1温湿度***控制空调系统的原理
温湿度***控制空调系统是指在一个空调系统中，采用两种不同蒸发温度的冷源，用高温冷冻水取代传统空调系统中大部分由低温冷冻水承担的热湿负荷，这样可以提高综合制冷效率，进而达到节省能耗的目的。在温湿度***控制空调中，高温冷源作为主冷源，它承担室内全部的显热负荷和部分的新风负荷，占空调系统总负荷的50%以上；低温冷源作为辅助冷源，它承担室内全部的湿负荷和部分的新风负荷，占空调系统总负荷的50%以下。
2.2相关设备组成
温湿度***控制系统由4个核心组成部件组成，分别为高温冷水机组、新风处理机组、去除显热的室内末端装置、去除潜热的室内送风末端装置。
除湿系统主要由再生器、储液罐、新风机、输配系统和管路组成。除湿系统中，主要采用分散除湿和集中再生的方式，再生浓缩后的浓溶液被输送到新风机中。储液罐具有存储溶液的作用和蓄存高能力的能量，可以缓解再生器对持续热源的需求，可以降低整个除湿系统的容量。
3. 温湿度***控制空调系统与传统空调系统的比较分析
3.1 温湿度***控制空调系统的优点
3.1.1 可以避免过多的能源消耗
从处理空气的过程我们可以知道，为了满足送风温差，一次回风系统需对空气进行再热，然后送入室内。这样的话，这部分加热的量需要用冷量来补偿。而温湿度***控制空调系统就避免了送风再热，就节省了能耗。传统的空调系统中,显热负荷约占总负荷的比例为50%～70%，潜热负荷约占总负荷的3比例为0%～50%[4]。原本可以采用高温冷源来承担，却与除湿共用7℃冷冻水，造成了利用能源品位上的浪费，这种现象在湿热的地区表现的尤为突出；经过处理的空气，湿度可以满足要求，但会引起温度过低的情况发生，需要对空气再热处理，进而造成了能耗的进一步增加。
3.1.2 温湿度参数很容易实现
传统的空调系统不能对相对湿度进行有效的控制。夏季，传统的空调系统用同一设备对空气热湿处理，当室内热、湿负荷变化时，通常情况下，我们只能根据需要，调整设备的能力来维持室内温度不变，这时，室内的相对湿度是变化的，因此，湿度得不到有效的控制，这种情况下的相对湿度，不是过高就是过低，都会对人体产生不适[5]。温湿度***控制空调系统通过对显热的系统处理来进行降温，温度参数很容易得到保证，精度要求也可以达到[6]。
3.1.3空气品质良好
温湿度***控制空调系统的余热消除末端装置以干工况运行，冷凝水及湿表面不会在室内存在，该系统的新风机组也存在湿表面，而新风机组的处理风量很小，室外新风机组的微生物含量小，对于湿表面除菌的处理措施很灵活并很可靠。传统空调系统中，在夏季，由于除湿的需要，而在供冷季，风机盘管与新风机组中的表冷器、凝水盘甚至送风管道，基本都是潮湿的。这些表面就成为病菌等繁殖的最好场所。
3.1.4 不需另设加湿装置
温湿度***控制空调系统能解决室内空气处理的显热和潜热与室内热湿负荷匹配的问题，而且在冬季不需要另外配备加湿装置[7]。传统空调系统中，冬季没有蒸汽可用，一般常采用电热式等加湿方式，这会使得运行费用过高。如果采用湿膜加湿方式，又会产生细菌污染空气等问题。
4.温湿度***控制空调系统的发展前景
温湿度***控制空调系统作为新的空调形式，有着非常明显的节能优势。温湿度***控制空调系统可以有效的避免室内空气的交叉污染，可以有效的阻断由于空调系统而导致的空气流通传播的疾病。目前，在能源消耗日益增加的环境下，温湿度***控制空调系统为营造既节能又舒适的室内空调环境提供了一个有效可靠的解决方式，具有良好的应用前景，在不久的将来会得到完善和成熟。
参考文献：
[1]龙恩深.建筑能耗基因理论研究[D].重庆：重庆大学博士学位论文,2005.
[2]江亿．我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J]．暖通空调，2005，35(5)：3O-40．
[3]马娟丽.中央空调系统的最优化运行[D]. 西安：西安科技大学硕士学位论文,2006.
[4] 鄢涛.深圳市公共建筑能耗与节能分析[D].重庆：重庆大学硕士学位论文,2005.
[5]王飞. 基于双温冷源的温湿度***控制空调系统的研究[D]. 广州：华南理工大学硕士学位论文，2011.
温度控制系统篇8
关键词：实时监控 Wincc组态 PID PLC
中***分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-025-02
1 引言
随着社会进一步发展，要求制造业等要对市场需求做出迅速的反应，生产出品种多，成本低，质量高的产品。为了满足这一需求，就必须使生产设备的控制系统保持先进，具有极高的可靠性和灵活性，而以工业中广泛用到的温度控制为例，当传感器技术和控制方法进一步创新与发展，对温度控制的精确性和快速性的要求也会进一步提高，而传统的温度控制系统已经不能适应于现代工业对精确性和快速性的要求。本文设计了一种基于PID的温度控制系统，实现了温度的精确控制。
2 系统硬件配置及控制要求
我们通过控制面板上的加热器来实现温度控制模拟系统，具体通过PLC200中的PID控制的编程实现加热器温度保持恒定,并使用WINCC组态画面实现监控与PID设定功能。
2.1 PLC选型
德国西门子公司S7-200系列PLC是一种小型的PLC产品，应用范围广泛，通过与各种小型自动化产品如变频器，传感器等搭配，可以实现各种现场的解决方案。加上其设计合理，价格低廉，有较高的市场占有率，本文即使用S7-200PLC。
2.2 温度传感器选择
温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量信号的传感器，是温度测量仪表的核心部分，目前按照测量方式可以分为接触式和非接触式两大类。按照电子元器件特性以及传感器材料可以分为热电阻和热电偶两类。工业测温常用的热电阻的材料特性是其导体的电阻值随温度的改变而改变，可以通过测量其阻值推算出被测物体的温度。铂电阻值与温度之间的关系接近于线性，其用来测量温度也更为准确，因此铂热电阻现在被广泛应用于工业温度的测量。按0℃时的电阻值R(℃)的大小分为10欧姆（分度号为PT10）和100欧姆（分度号为PT100）等，本文采用分度号为PT100的铂热电阻来测温，即电阻值在0℃时是100欧姆。由于温度传感器所测得温度信号不能直接被PLC所接收，所以需要加入一个变送器，使传感器所采集的温度信号转化成电压或电流信号后再输入PLC。
2.3 控制系统组成
***1 控制系统组成
实现控制要求的系统组成如***1所示，该系统是由执行器、加热器、温度变送器、A/D转换器、PID调节器和D/A转换器等构成一个单回路温度控制系统。PID调节器、D/A和A/D转换器用西门子公司的S7-200，CPU224型PLC来实现，上位机PC安装了STEP7和WINCC组态软件。考虑温度控制属于大滞后系统，调节器采用PI类型。
2.4 控制要求
(1)总体控制要求：模拟量模块输入端从温度变送器端采集物体温度信号，经过程序运算后由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制加热器。
(2)程序运行后，模拟量输出端输出加热信号，对受热体进行加热。
(3)模拟量模块输入端将温度变送器端采集的物体温度信号作为过程变量，经程序PID运算后，由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制加热器。
本系统的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在受热体中的Pt100测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出值是送至加热器的电压，其允许变化范围为最大值的0% 至100%。Pt100为热电偶,用来监测受热体的温度，并将采集到的温度信号送入变送器，再由变送器输出单极性模拟电压信号，到模拟量模块，经内部运算处理后，输出模拟量电流信号到调压模块输入端，调压模块根据输入电流的大小，改变输出电压的大小，并送至加热器。
2.5 功能指令使用及程序流程***
(1)PID指令使用(如***2)
***2
(2)程序流程***(如***3)
***3 程序流程***
3 硬件及软件设计
3.1 硬件组态及参数设置
在STEP7中创建一个温度控制系统的项目，在项目下生成一个S7-200的站点，进入HWConfig界面按硬件安装次序和订货号依次插入机架 电源CPU I/O模块等进入CPU属性窗口，设置站点的CP5611地址假设为2，则EM277站点地址设为3，相应的EM277硬件上调拨码开关为3。这里所设置的地址3必须与Wincc通信驱动地址相匹配，如：PLC200中地址也为3，CP板卡号为1。
当STEP7中的硬件组态***到虚拟主站时，需将再一次设置。此次设置目的是让虚拟主站与Wincc通信。
3.2 软件设计
PLC软件的控制部分是由系统PID控制主程序，子程序以及中断程序组成，当主程序开始后首先进行初始化，接着扫描调用子程序，进入PID配置向导选择要配置的PID回路，设置回路参数，包括设置给定值的的最小值和最大值以及回路过程变量的极性。这时系统数据采集的子程序先开中断，然后进行数据采样和累加，用计数器不断判断采样次数是否达到设定值，若达到，则跳出出循环返回平均值，若未达到，则继续采样直到跳出循环，这时关中断，这样PLC在主程序和子程序之间完成了对数据的采集，也实现了PID控制算法。
PID算法是一种闭环自动控制算法，PID控制器作为最早实用化的控制器，目前仍然是应用最广泛的工业控制器，应用在基于PLC的温度控制系统中，目的是使被控制的物理量追随给定量，自动消除各种因素对控制效果的扰动。
4 PLC200与Wincc通信
SIMATIC WinCC采用了最新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性。WinCC与S7-200系列PLC的通信，可以采用Profibus通信协议进行。本文温度控制的WINCC组态画面设计如***4。
***4 WINCC组态画面
5 结语
通过上机实验可知：PID恒温控制是围绕着设定值进行调节的。若设定温度为23.5℃；当温度低于设定值时，加温蒸汽调节阀始终处于全部打开状态；当温度达到23.5℃，加温用的蒸汽调节阀开始逐渐关闭，在关闭过程中，温度有可能仍在渐渐上升，温度偏离越大，关闭速度越快；直到全部关闭为止；当温度再次低于设定值时，加温蒸汽调节阀则会逐渐打开，打开速度取决于温度偏离值的大小，偏离越大，打开速度越快；直到温度再次达到设定值。若温度长时间未达到设定值，调节功能会将调节阀全部打开，所以，我们可以根据实控情况进行必要的编程，有效的利用低于设定值时PID控制时段；切断高于设定值部分的PID控制，在温度高于设定值后，即可根据生产要求干脆部分或全部关闭加温阀，以防温度上升过高，来求得优越的温控效果。
参考文献：
[1] 刘华波.西门子S-7200PLC编程及应用案例精选[M].北京:机械工业出版社,2009.5.
温度控制系统篇9
【关键词】PCR；温度控制系统；pt100
1.引言
聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，简称PCR），又称无细胞分子克隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术。PCR技术应用非常广泛，广泛应用在生命科学研究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和***情快速检验等各个领域。
温度控制系统的主要任务就是让样品内基因在腔体内进行高温变性（T1）、低温退火（T2）和适温延伸（T3）三个温度阶段的反复循环，使样品内基因完成增殖。温控系统升降温工作循环曲线如***1所示。
目前，PCR检测仪的变温方式主要有两种，分别是变温铝块及变温气流。其优缺点为变温铝块方式应用比较广泛，升降温速率比变温水浴要快，但因PCR管与铝块不可能完全贴使之温度均匀性较差。半导体制冷片变温结构简单，只需向半导体制冷片通电即可加热，改变电压极性即可制冷，所以变温速度较快，但是半导体制冷片容易损坏。变温气流方式，即采用电热丝进行加热，吹入冷空气进行制冷。通过调节功率输出的占空比，就可以调节温度的大小，从而可以实现对温度的升温、降温和恒温的自动控制。另一方面，由于传递热量的介质为空气，空气可以和样品之间实现无缝接触，从而样品溶液的吸热和散热的速度就会很快。
本研究设计并实现了一套适用于实时PCR仪的温度控制系统。系统采用变温气流的方式进行加热，使用常规PID算法进行温度控制。升降温速度极快，实时性强、升降温周期短，为研制商品化的实时定量PCR仪奠定了基础。
2.系统结构
温度控制系统的机械结构主体是一个风腔，采用电热丝加热，冷空气制冷。风腔设有进风口和出风口，风门由步进电机控制，可以任意控制风门的旋转角度，从而达到通过风门改变腔体内的空气流动特性，主要作用是让冷空气进入腔体，热空气从腔体流出，带走热量，达到制冷的作用。腔体内部安装有横流风机，用于加快腔体内部的空气流动，在加热时保持腔体内部空气温度的均匀，在制冷时加快空气流动达到腔体快速降温。腔体上设有装样品的盖口，用于放置样品。腔体内部结构示意***如***2所示。
温控控制系统的硬件执行部件主要包括一个横流风机、两个步进电机、两个霍尔信号传感器、温度采集模块以及加热与制冷模块。***3是整个温度控制系统的具体组成框***。
温度控制包括制冷模块和加热模块，制冷模块主要包括两个风门、一个风机。两个风门分为进风门和出风门，由步进电机控制。风机的主要作用是加快内腔空气流动，保持内腔温度均匀一致，而在降温过程中吹动从风门进入的冷空气，并将风腔内的热空气吹出，达到空气制冷效果。随着冷空气的不断进入，热空气的不断流出，样品温度会不断降低。加热模块主要包括加热装置和加热控制电路两部分。本温控系统采用变温空气加热方式，加热装置选用的电热丝的方式进行加热，而加热控制部分主要是对电热丝的通断控制，从而实现对加热量的控制。
对电热丝加热功率的控制采用PWM控制技术。***4是PWM控制示意***，ON是一个脉冲周期内高电平持续时间，假设当单片机的I/O口为高电平时加热模块工作，则该PWM的占空比=ON/脉冲周期。一般情况下加热的周期都是固定的，所以ON的大小直接决定了PWM占空比的大小，进而影响加热器的功率。而通过模糊PID运算可以得到控制量u（k）的值，并把u（k）的值转化为百分比，然后乘以周期时间，则可以得到ON值，从而得到该周期内加热模块工作的时间，实现对温度的有效控制。
温度采集模块主要由温度传感器、温度变送器、A/D数据采集三大部分组成。由于本温控系统控温范围在50℃～100℃，属于中低温测温范围，且对温度测量精度有较高的要求。基于热电阻式温度传感器的测量精度比热电偶式高，且线性度比热敏电阻式好，故选用热电阻式温度传感器。因热电阻中铂热电阻的测量精度最高，故选用pt100作为本温控系统的温度传感器。
pt100的电阻值随温度的变化而变化，其线性度虽然相对于其他传感器较好，但仍为非线性，需要对其校正，并且需要将pt100的阻值变化转变为电流信号或电压信号，方便进行A/D数据采集。本系统采用温度变送器进行电阻信号到电流信号的转变，并校正pt100的阻值与温度的非线性关系，使得采集回来的温度数据与实际更相符。
温度传感器出来的电流信号经过采样电阻转换为模拟电压信号，再通过A/D转换成数字信号。下位机控制芯片自带8路A/D转换通道，可以将温度变送器的输出信号直接接到下位机上，由下位机上单片机的A/D转换为数字信号，大大简化了系统构成。
经过A/D采集到的温度信号在一恒定温度下会有一定的波动，这是由于干扰所引起的，所以需要对A/D采集到的信号进行数字滤波处理。因为A/D的速度可以达到25万次/秒，可通过多次测量，再取平均值的方法对其滤波。本系统采用对其进行100次A/D采样，去掉最大值和最小值，再取其平均值，将之作为采样的结果。将采样结果通过串口通信传送到上位机，上位机将采样结果实时显示，并绘制实时温度曲线***。温度采集模块组成如***5所示。
3.软件设计
温度控制系统的主要任务就是实现对风腔内温度的控制，主要通过温控算法控温以及向上位机发送实时采集的温度值。为了提高升降温速度，所以在温度相差较大时，不进行PID控温，只有当温差较小时，才进行PID控温，使温度趋于平稳。上位机传送给下位机的是恒温温度、恒温时间以及变温时间三个参数。恒温温度为三个恒温温度段的温度值，恒温时间为三个恒温温度段的恒温持续时间，变温时间为升温和降温的持续时间。下位机根据上位机传送的三个参数，将温度控制分为三个阶段，分别为升温阶段，降温阶段和恒温阶段。***6为升温阶段的控制流程***，定时时间由上位机所发送的升温时间参数确定，ΔT1为设定的温度正偏差，此值一般为正的，因为这时测量的温度会比设定的温度低。因为开升温时，加热是处于全功率状态的，为了确保温度出现超调，需要提前对其关闭，通过设定温度正偏差实现。所以当温度小于温度正偏差时，关升温，停止加热，进入恒温阶段。
***7是降温阶段的控制流程***，定时时间由上位机所发送的降温时间参数确定，***4.10中，ΔT2为设定的温度偏差，此值一般为负的，因为这时测量的温度会比设定的温度高。
开降温时，将进、出风门完全打开，在每次开降温前判断风门是否打开。若风门处于打开状态则保持打开状态，若处于关闭状态则执行打开动作。开升温与之一致。
如***8，在恒温阶段的定时时间由恒温持续时间决定，恒温阶段是温度偏差比较小，这时，使用PID算法控制加热的功率，使温度处于稳定状态。
4.结束语
对温度控制系统的软硬件进行了设计与调试，达到了设计要求。升温速率可达到8℃/s，降温速率可达到10℃/s。极大的提高了温控系统的升降温速率。
参考文献
[1]Gyongy IJ，Clarke DW.On the automatic tuning and adaptation of PID controllers[J].Control Engineering Practice，2006，14（2）：149-163.
[2]Dinca MP，Gheorghe M，Aherne M，et al.Fast and accurate temperature control of a PCR microsystem with a disposable reactor[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2009，19（6）.
[3]张文超，刘晓光，吴勤勤.基因扩增分析（PCR）仪温控系统的研究与应用[J].华东理工大学学报，2004，30（2）：203-206.
[4]李芸婷，万振凯.PT100温度传感器数据实时采集系统[J].仪器仪用户，2007，15（5）：24-26.
[5]王冬，张新磊，冯继宏.基于PID算法的PCR仪温度控制系统设计方案[J].北京生物医学工程，2011，30（5）：502-505.
温度控制系统篇10
关键词：温度控制 AT89C51单片机 水位控制
中***分类号：TU119+.23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0025-01
1 系统方案的比较与论证
该系统根据要求可分为温度控制系统和水位控制系统。为了可靠性，分别采用不同的控制芯片和控制方法，两个系统完全***。
1.1 温度系统部分
（1）温度测量部分。
方案一：采用温度传感器铂电阻Pt10000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，但是组成电路复杂，价格较高，因而放弃。
方案二：该设计要求测量水温满足40℃～90℃的测试范围，最小区分度为1℃，标准温差Q1℃，从测温范围和精准度看，热敏电阻完全能满足要求，并且价格不高，性价比较好，设计又简单，因此采用此方案。
（2）控制芯片介绍。
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128byt的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
（3）温度系统工作原理。
当水的温度变化时，传感器热敏电阻的阻值会产生相应的变化。热敏电阻和电容器是决定单稳态震荡电路震荡周期的关键部件。只要单片机对震荡周期准确计算，查表可求得对应水温。
温度的设定是由三个按钮实现的。按设定键，可以开始设定温度值，按增加键或减少键，进行调整设定值。
1.2 水位系统部分
（1）水位检测部分。
水位检测采用最简单的方法：利用自来水是导体的原理。首先在盛水容器里放置一根带电导线，盛水容器的不同高度位置在放置测量导线。当水位达到那些测量导线位置，相应的导线通电；反之，无电。
（2）水位控制原理。
根据要求当水位低于设定水位时，由单片机经过比较后发出控制信号，通过三极管控制继电器的开关，由继电器控制电磁阀开启，向容器内注水，防止干烧，完成功能。
2 硬件系统
水位控制单片机输出驱动电路如***1所示。
3 系统软件设计
3.1 温度系统（见***2）
3.2 水位系统（见***3）
4 结论
此电路分高压部分与低压部分，应分别调试。我们设计的系统经过细心的设计和耐心的调试，可以完全实现控制要求。由单片机发出的控制信号能够通过电磁阀实现设计的要求：当水位低于设定水位时，自动补水，防止烧干而损坏电热管。
参考文献
[1] 潘晓贝，郭志冬.基于单片机的水温水位控制器的设计[J].三门峡职业技术学院学报，2010（6）.