电气控制lElectricControl
基于单片机的温度控制系统设计
介绍以格州电子的16位单片机KG3系列78F1166芯
片为核心部件，实现电热水器的恒温控制。设计了温度检
测部分、单片机PID运算部分及电源部分的硬件电路和软
件实现方法。该系统具有性能稳定、成本较低和安全系数
较高的优点。
俞欣滢曾志强孙仪彬／上海大学机电工程及其自动化学院
俞欣滢／本科
关键撇ywords
温度控制·
单片杌·
PIP算法·
电源·
温度测控在工业领域具有广泛的应
用，随着传感器技术和单片机技术等不
断发展，为智能温度测控系统精度的提
高和稳定性改善等提供了条件。本文介
绍了一种基于单片机的温度闭环控制装
置，通过对机内数字PID参数的设置，
达到对不同受控对象的不同温度要求进
行高精度控制。
硬件电路的设计
电热水器的恒温控制系统硬件电路
由温度检测、单片机PID运算和输出电
源三个模块组成。系统总体结构框图如
图1所示。
盥
片
机
电水炉加热
显示设定值
电源控制
输出电压(功率)
圈1系统总体结构框图
检测模块作为闭环的反馈实时检测
水温，并经A／D转换把信号传送给单片
机，再通过单片机把处理后的控制信号
通过D／A转换传送给电源模块的
TL494，TL494控制电压与锯齿波比较输
出一个占空比可控的PWM波形，进而
对加热器的开关进行控制，以达到输出
50I嘭艺与诩·冶金电气·2009年第28卷第20期
可控的效果。
1．温度检测电路的设计
温度检测在整个系统中是一个非常重
要的环节，温度检测直接影响着系统的精
度，所以设计精密的温度检测电路是十分
重要的。
(1)检测元件的比较和选用
1)采用热敏电阻。热敏电阻体积小，
价格便宜，易于通过接触测试固体温度。
但是对于测量液体温度表现不佳。再者，
热敏电阻特性的非线性(或者说近似的分
段线性)给单片机的多点恒温带来麻烦，
要通过大量测试建立温度／电压(T／V)
表格，才能实现。
2)采用ADS90。AD590具有精度高、
价格低、不需辅助电源、线性好等特点。
在以往的实验中，用起来也颇为方便，但
是ADS90输出的是微安级的电流，接触
水会显著地使输出非正常，测量便不准
确。用绝缘胶布包住导线，但是随着水温
的升高，会不可避免的产生湿气且造成
影响。
3)采用1000。电阻温度系数分散
性小，其精度高、线性好和灵敏度比
较高。
4)采用DSl8820。格州单片机面板
上集成有DSl8820，各项性能都表现良
好，但是不易直接用其测水温。
通过上述比较，选用1000传感器
检测温度。Prl000的精度比较高，对于
温度传感器要使测得的数据精确必须要有
一个很高精度的恒流源。传感器PTl000
的检测信号输出很低，所以要对检测信号
进行精密的放大也是比不可少的环节。
(2)温度检测电路设计
样一一；婆甄黜二襞实一厂
万方数据
基于单片机的温度控制系统设计
温度检测电路由恒流源、信号放大和检测输
出部分组成。
恒流源采用的是运算放大器LM324。在运算
放大器的输出端接了一个电阻可以确定电流的大
小。要使输出的电流是高精度的，在运算放大器
的输入端就必须有一个稳定的电压，因此采用
TL431产生一个稳定的电压作为输入，这样保证输
出的稳定。为了提高精度，在电路中增加了两个
电压跟随器及几个兆欧级的电阻，使恒流源的精
度可以达到微安级。这样就能为温度传感器的检
测提供一个稳定的环境，为提高检测精度提供了
保证。
信号的放大环节也十分重要，它的精度要求
很高，而且也要求能够有很高的放大倍数，采用
的运算放大器是高精度、低功耗的仪器放大器
INAl28。INAl28的放大倍数很高，可以放大很微
弱的信号。这里将温度传感器检测的电压信号放
大了100倍。
温度传感器检测的信号经放大后采用单片机
进行采样控制。为了保证单片机的安全，检测输
出部分设计了一个对单片机的保护环节。
2．单片机系统设计
单片机采用格州电子16位KG3系列78F1166
芯片，主板、扩展板分离设计，通过并口连接，
使用灵活方便。主板上集成了数码管、发光二极
管、4×4键盘模块、E2PROM及独立的蜂鸣器等
电路，每一个管脚都有插针引出，方便扩展其他
功能。副板提供了1602液晶模组、RS232通信模
块、RS485模块、AD／DA、红外发射接受模块和
温度检测模块，资源丰富可以实现各种功能的
集成。
单片机由A／D采样检测装置输入，并进行
PID处理，再通过D／A输出电压信号给电源装置
的TL494，达到控制输出电压的效果。
3．电源电路设计
采用直流降压电路。直流降压电路与升压电
路相比主要缺点在于电路的功率不可能像升压电
路一样大，可是降压也有它的优点。首先就电压
来说，输出电压在36V以下，属于人体安全电压
范围，不易发生安全事故；同时由于在电路设计
www．cage．corn．eFt
ElectricControlI电气控制
的过程中最大地考虑了效率的问题，带负载效率
可达91．63％，加热功率也不低，经试验测定可达
243．6W。对于MOS管y。。不超出一20一+20V的
要求，我们将常规的MOS管接到电源的正极，由
占空比可调的PWM波控制MOS的开关，在电路
设计中进行了一定的创新，将MOS管经过电感电
容分压之后接到MOS管的漏极。MOS管的源极接
地，门级接驱动输出。经过理论分析与实验验证
最终采用了该方案。
电源电路利用TL494生成Buck大功率稳压电
路的控制信号，TL494产生一个占空比可控的
PWM波作为最终驱动NMOS的原始信号。中间使
用了光耦6N137实现弱电控制到高电压功率输出
的电气隔离。由于TIA94的输出信号是一个较小
的信号，不能直接用作功率电路的驱动，因此在
光耦电路中必须对原信号进行放大，以此来满足
NMOS所需的电平要求。
软件系统的设计
1．主程序
主程序流程图如图2所示。
硬件初始化
键盘输入设定温度，
并用LCD显示
A／D读入检测电压
PID分段增量式控制，
输出给D／A控制电压
控制钪铜丝加热功率
(通过控制电压实现)
图2主程序流程图
2．PID控制算法子程序
(1)PID算法的比较和选用
1)采用传统PID。位置式和增量式算法，其
特点是结构简单，实现相对容易，缺点是有超调
2009年10月下·冶金电气·嘭￡量胡|51
万方数据
电气控制IElectricControl
和温度上升不够快。
2)分段PID。在传统PID的基础上有效克服
积分饱和问题，解决系统运行一段时间后会突然
急剧升温的问题。也能按每部分加热要求的不同
而灵活调整达到较好的调温效果。
3)PUZZYPID。根据模糊控制理论，把E(k)
和dE／dt，即E(k)一E(k一1)分别分成5段和3
段，再排列15种情况，加以给定不同的PID参数
(有一套基准PID参数)。根据理论，这种方法效
果应当较好，但是需要巨量的试验数据和经验作
为依据，对于我们来说显得要求过高，操作性相
对分段PID来说有所降低。
通过比较选用分段PID算法。模拟系统结构
图如图3所示。
图3系统结构图
(2)PID控制算法子程序
PID控制算法子程序流程图如图4所示。
结束语
本设计是基于格州学习板KG3系列8FI166芯
片开发而来，通过三个模块：检测模块、单片机
PID模块和电源模块来实现恒温控制。采用
PTl000温度传感器进行温度检测，精度高、线性
好且灵敏度高，在液体中的表现非常稳定；采用
PID控制算法实现恒温控制，使系统精度高，准确
度和稳定度都令人满意。
52I嘭￡易‘铂‘冶金电气·2009年第28卷第20期
PID参数初始化，量
尉七-l，=目／c-2)=0，
‰印(视情况而定)
l
取给定值SETPOINT(设定
温度)和当前值尉的
l
E(k)=SETPOIN卜尉^)
l
计算PID增量并防止积分饱和
PID2k+(目t)卜日|卜l卜^‘目∞
，．超过设定取消此项’，
+知+(目^J广2’耳卜l卜觑卜1)
I
输出‰n-％，PID
l
E(k--2)=E(k-1)
觑卜1声耳的
图4算法子程序流程图
参考文献
[I]潘永湘，杨延西，赵跃．过程控制与自动化仪表
[M]．北京：机械工业出版社，2007．
[2]陶永华，等．新型PID控制及其应用[M]．北京：
机械工业出版社，1998．
[3]杨帮文．新型实用电源电路集锦[M]．北京：机械
工业出版社。1999．
[4]何希才．新型开关电源设计与维修[M]．北京：国
防工业出版社。2001．
[5]景占荣．信号检测与估计[M]．北京：化学工业出
版社，2004．
(收稿日期：2009—09—16)E▲
万方数据
基于单片机的温度控制系统设计
作者：俞欣滢，曾志强，孙仪彬
作者单位：上海大学机电工程及其自动化学院
刊名：电气应用
英文刊名：ELECTROTECHNICALAPPLICATION
年，卷(期)：2009，28(20)
被引用次数：0次
参考文献(5条)
1.潘永湘.杨延西.赵跃过程控制与自动化仪表2007
2.陶永华新型PID控制及其应用1998
3.杨帮文新型实用电源电路集锦1999
4.何希才新型开关电源设计与维修2001
5.景占荣信号检测与估计2004
相似文献(10条)
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介绍了中频热推弯管机温度控制的原理,设计出以8031单片机为核心温度控制的硬件、软件.应用表明:系统抗干扰能力强,温度控制效果好,能够用于
现场生产控制.
2.期刊论文储海兵.谭功全.曹亢.任善荣.CHUHai-bing.TANGong-quan.CAOKang.RENShan-rong单片机温度控
制实验系统-仪表技术2007,""(12)
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热阻丝发热功率,最终控制被控对象温度.另外,该系统还扩展了人机接口和串口通信.整个系统不但成本低廉、而且使用和扩展方便,为广泛深入应用提供
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3.学位论文张莉工业烘干箱温度控制的仿真研究及其单片机实现2006
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本文对温度控制系统的特性进行研究，了解到温度控制系统具有大滞后、参数时变、非线性以及难以建立精确的数学模型等特点以及控制过程中存
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动态品质很差，仅采用常规PID控制对于复杂的温度控制系统较难达到优良的控制效果，也不易满足精确的性能指标。因此控制领域内出现了在经典控制
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本文将模糊自整定PID控制方法在单片机温度控制系统中实现，并介绍了以单片机为核心的控制系统的硬件与软件设计。并对所研制的烘干箱测取了
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9.学位论文颜祺外腔半导体激光器的温度控制2006
本论文着重研究了外腔半导体激光器(ECLD)双重温度控制电路的设计方案,并研制了为智能光源系统提供支持电压的稳压电源.
对于外腔半导体激光器,影响其稳定度的因素主要是工作温度的漂移和驱动电流的变化.当ECLD内部温度增加时,输出功率也随之减小,如果温度不稳
则可能会引发模式跳跃现象,其结果会严重影响ECLD的稳定度；其次,ECLD的阈值电流随温度升高而升高,整个激光器的特性曲线基本上随温度的变化而平
行移动；同时,长期工作于温度过高状态将导致ECLD的老化甚至损坏.因此,对于ECLD的高精度温度控制有着非常重要的意义.
本实验的研究对象为智能型光源系统,它是以外腔半导体激光器为核心的.
我们对激光器以及整个智能光源系统进行双重温度控制,它由两个定值闭环负反馈温控系统组成:采用PID控制原理的模拟电路和以单片机为核心的数
字电路系统.一方面,当LD工作发热时,其内部集成的负温度系数的热敏电阻把温度变化的信号快速转换为电信号,然后与预先设定的基准温度作比较得到
差值,再经信号处理后驱动同样是其内部集成的半导体致冷器,以保持LD的温度恒定.这部分是由采用PID控制原理的模拟电路实现的.另一方面,对于由
LD等组件构成的智能光源系统而言,将其整合在密封箱内,采用温度传感器、单片机、半导体致冷片等组件构成的温控系统来控制整个密封箱及其内部的
温度,而这部分是通过以单片机为核心的数字电路系统来实现的.实验结果表明:
智能光源系统的温度控制精度可达±0.5℃,而半导体激光器的PID温度控制精度则可达到±0.03℃.本论文还提出了一种采用ARM处理器的改进控制方
案,使ECLD外围伺服电路更加的精确、高效和小型化.
智能型光源系统稳压电源是一种双极性、多路输出、高稳定性直流稳压电源,它为包括稳频伺服电路、温控电路、恒流源、波长调谐电路在内的整个
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在外腔半导体激光器的应用研究中,采用带有温控系统的ECLD时,其工作温度得到有效控制,输出功率的稳定性得到显著改善.
10.期刊论文周铭.王媚芳单片机在电热油炉温度控制中的应用-江苏电器2004,""(6)
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.给出了系统硬件电路设计,编制了相应软件,阐述了提高系统运行可靠性的几种方法.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dgjszz200920014.aspx
授权使用：石家庄学院(sjzxy)，授权号：71f126ef-562d-4110-94d8-9e34011671a8
下载时间：2010年11月20日
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