基于单片机的温度控制系统设计

作者： 朱世勇

来源：《决策探索·收藏天下（中旬刊）》 2019年第3期

摘要:随着科学技术的发展,我国制造业、农业、石油化工、有色金属等行业均处于快速发展阶段,其中一些关键工艺都采用了温度控制技术,尤其是精密仪器制造领域,温度控制更是成为了直接决定产品是否合格的核心控制点。而传统的温控技术已经很难满足当前各领域的发展需求。为此,设计了一套基于单片机的智能温度控制系统,可以适应不同环境下的高精度温度控制要求,具有较好的推广价值。

关键词:单片机:温度控制器:PID控制电路

温度是一个重要的物理参数,无论是室内供暖、火灾检测,还是工艺控制、农业种植、钢铁生产,都离不开温度检测和调节,尤其是一些基于温度为检测变量的精密仪器设备,温度的控制成为了核心技术。然而,目前市场上的大部分温控模块通常只能满足单一产品或工位的温度控制功能,而在流水线式的大批量检测过程中则很难发挥作用。本文设计了一种基于单片机的自适应温度控制器,可以满足高精度动态连续测温和调控的要求。

一、系统总体方案设计

(一)系统结构设计

本文设计的智能温度控制系统包括主控单元、温度检测单元、显示单元、输入单元、通信接口、执行单元等模块,可以完成温度的实时测量、显示,数据的转换、传输以及温度的调节等功能。其中主控模块采用MCS-51单片机,由数模转换器DAC来实现温度信息的采集和控制,为了实现对温度的动态监控,采用了负温度系数的电阻温度检测器RTD和负温度系数热敏电阻器NTC,再经过桥式电路以及功率放大器AD620计算出电压值,并作为温差信号输入PID电路,最终由温度控制器MAX1968完成智能温度控制任务。电阻温度检测器RTD可以与待检对象封装在一起,完成温度的高精度动态测量,热电制冷器TEO则安装在电阻温度检测器和控制器之间,其作用主要是完成温度的动态调节。

(二)系统工作原理

单片机作为整个系统的控制核心,负责协调各模块单元的有序运行,并完成数据的处理工作。首先,用户通过键盘设定温度值,接着启动系统。然后,单片机将通过程序控制温度采集模块按一定的频率采集实时温度,并通过串口通信模块回传数据。接下来,单片机收到数据后会将当前值与预设值进行对比,当实测温度比预设值小时,热电制冷器在温度控制器的控制下启动进行加热,相反则进行制冷。在加热或制冷的过程中,温度控制器会对热电制冷器的电流进行动态测量,并将其控制在合适的范围内,同时将信号转换成数字信号送显示单元显示。当实际温度与预测温度的差值达到一定范围时,停止加热或制冷。

二、系统功能模块设计

(一)热电制冷器驱动电路设计

热电制冷器通常是依据半导体的珀尔贴效应来实现的,它在不同的直流电流作用下会出现能量的吸收或释放。本文通过控制流过热电制冷器的电流方向和大小来实现对温度的控制,然后通过对电流大小和方向的控制就可以实现智能温度控制。热电制冷器的控制芯片采用了美信公司生产的MAX1968,其内部有一个限流电路,配合外部电阻即可实现对电流的大小和正反向控制。

(二)温度采集电路设计

通过温度传感器对温度进行实时采集,输出模拟电压后,再由数模转换器把数字电压转换成模拟电压,从而为后续的芯片处理提供条件。DAC的性能对温度采集精度有很大的影响,本文采用了AD5541芯片,该芯片是由亚德诺半导体公司研发,具有16位转换精度,采用了低功三线串行控制。功率放大器采用低噪和低温漂的AD620芯片。

(三)模拟PID控制电路设计

PID控制电路是整个智能温控系统的核心部分,它是由比例放大、积分和微分三种逻辑共同组成而成的控制电路。在设计过程中,通过对比例放大电路的最大输出电压和比例放大倍数等参数的选择,实现输出信号的精准控制。最大输出电压采用±0.8V,从而实现了比例放大信号的“钳位”。同时,本文设计了一个外接白勺限流电阻,防止申,流讨大而损坏器件。经过多次试验对比,本文的积分电路的输出控制电压限制在±0.4V,并通过临界比例法完成PID参数的整定。

三、应用效果分析

本系统设计完成后经过多次的试运行,基本满足商业化批量生产的要求。在应用中,通过输入单元把温度预设在250C,稍高于室温。随着工作时间的增加,温度逐渐上升,达到设定温度后开始维持,波动幅值在±0.0 50C以内,精度高达0.1 0C,响应时间在55s以内。本系统具有高精度、低成本、体积小、重量轻、设计灵活、结构简单、性能稳定、安全可靠等特点,比市场上的大多数产品具有明显的竞争力,具有较大的潜在应用价值。

四、结语

随着科学技术的进步,越来越多的工业和科研领域对温控系统产生强烈依赖,并且对其性能指标提出了更高的要求。为了适应需求的变化,不难预料,未来的温度控制系统精度更高、体积更小、质量更轻、寿命更长,并且结合人工智能等技术不断提高智能化程度,以适应各行各业的应用需要。本文设计的基于单片机的智能温控系统具有精度高、响应陕、价格低、稳定好、易于集成的优点,在当前和未来的市场上具有广阔的应用前景。