基于MCS51单片机温度控制系统

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性关系，Pt100热电阻，当0℃<t<850℃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，非线性误差为0.34%，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性关系。 2、 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。 3、 A/D转换 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。 压控振荡器如图4所示： 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性误差。 4、 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。 5、 输出驱动电路 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。 二、 控制器软件设计 1、 FPGA程序设计 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。 2、 单片机程序设计 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性回归，如图7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Δu>0,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）。 图9a 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。 【基于MCS51单片机的温度控制系统】 在温度控制系统中，选择合适的温度检测元件至关重要。本系统选择了热电阻作为温度传感器，尤其是Pt100类型，因为它们具有高精度、高稳定性和良好的复现性。热电阻的电阻值会随着温度变化，通过测量电阻值来推算温度。在40℃至90℃的温控范围内， Pt100的非线性误差可以接受，并可以通过适当的调整和零点增益校正来满足0.2℃的精度要求。 为了将电阻信号转换为控制器可以处理的电压信号，系统采用了桥路测量电路。这种电路设计确保了输出电压的线性关系，通过低频增益可调放大电路进一步放大微小的信号变化。这里，NE5532运放被用来提供所需的增益调整范围，满足了0.2℃精度的放大需求。 A/D转换是另一个关键环节。系统采用压控振荡器将电压信号转换为频率信号，再由控制器进行计数，提高了精度并降低了成本。FPGA在这里起到了重要作用，它能精确测量脉冲宽度，通过单片机进行倒数运算以消除非线性误差。 控制策略上，系统采用了经典的PID控制，结合了FPGA和MCS51单片机的优点。FPGA用于处理高频信号，而单片机负责数据处理、PID计算、显示以及输出控制。这种混合控制方式既保证了快速响应，又简化了PID参数调整。 输出驱动电路采用了交流调功电路，通过控制双向晶闸管的开通和断开来调节负载的平均功率，实现了温度的精确控制。单片机输出的脉冲信号控制晶闸管，确保在交流电过零点时进行切换，减少了开关损耗。 在软件设计上，FPGA程序专注于测量压控振荡器的高脉宽，而单片机程序则处理数据接收、运算、显示和PID控制。单片机的PID算法采用了增量形式，以简化计算并提高响应速度。通过实验数据和最小二乘法进行线性拟合，进一步减小非线性误差。 这个基于MCS51单片机的温度控制系统通过精心设计的硬件和软件，实现了高精度的温度测量和控制，适用于各种需要精密温度控制的场景。