（石家庄中车轨道交通装备有限公司 河北石家庄 051430）
本设计任务是要设计一个实验箱，控制对象为实验箱的气体，实现的功能是温度测量和控温：
在测量部分，要求测量15℃～60℃的温度范围，测量的精度±0.5ºC，测温的结果要求显示。在控制部分，要求在一定的时间内达到设定温度，同时在液晶显示屏显示温度随时间的实时变化。
主要性能指标有：
（1）测量精度：±0.5℃；
（2）控制精度：±1℃；
（3）达到设定温度且稳定后时间不超过250s；
（4）温度设定范围：15℃～60℃；
（5）保护：当温度大于55℃或者小于25℃时，蜂鸣器报警；
（6）显示：显示屏显示当前温度和设定温度。
第一章 硬件方案设计
通过对设计要求进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个模块：电源模块，温度测量模块，控制模块，加热模块。如图1所示，为硬件系统结构电路图：
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下面将对各个模块的器件选择、功能、电路结构等分别进行一一说明。
1.1 电源模块
电源模块主要的功能是分别为控制模块提供稳定的电压和为加热模块提供充足的能量。
以元件lm7805为核心，lm7805是三端稳压电源模块，模块有三个管脚，管脚分别为输入、地、输出。额定输出电流1.5A，最大输入电压35V，输入输出压差的最大值是30V，最小值2V，输出电压5V，误差0.2V，实际应用时应根据压差和电流确定其耗散功率，增加适当的散热装置。
7805三端稳压集成电路的使用方便，所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠方便。
1.2 温度测量模块
以温度传感器DS18B20为核心进行搭建。
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
1.3 控制模块
本设计的控制芯片为AT89S52，结合软件控制算法，用按键来对温度进行控制。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。51单片机编程简单，方便实现。
1.6 加热模块
加热模块分为驱动和发热元件。
驱动为BTS7970，BTS7970延迟小，稳定性强，效率高。使用大功率水泥电阻充当发热体，在水泥电阻外加装散热片提高散热速率。发热元件为10W5Ω1J的水泥电阻，水泥电阻发热迅速，成本低。
第二章 软件方案设计
温度控制系统的软件编写主要采用C语言来实现对单片机的控制。通过C语言可以实现单片机对温度的采集的频率的控制、实现温度的显示和控制等不同的功能。控制系统的程序主要包括主程序和子程序。主程序主要用来实现对单片机的初始化，以及对温度传感器的初始化设置（读温度、处理温度、存储温度）以及按键跟液晶显示的初始化。主程序采用循环查询的方法来实现对温度的采集和控制以及温度的显示。主程序完成对温度的实时采集，并将传感器的二进制代码读入到单片机内，然后经过单片机处理后转化成十进制显示在液晶显示器上面。软件方案设计主要以C语言，核心控制方案是PID控制。
2.1 PID参数整定
本控制系统采用PID调节，由于温度控制系统是一个大滞后的系统，所以必须加入微分（D）控制，微分控制的作用是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以对于有较大惯性或滞后的被控对象，微分控制器能改善系统在调节过程中的动态性能。
参数整定时先整定比例（P）系数，从小到大增大比例系数，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应曲线。这时系统往往存在静差，为了消除静差，需要加入积分环节（I），整定时一般先置一个较大的积分时间系数，因为积分时间系数越大，积分作用越弱。同时将上一步整定得到的比例系数减小一些（比如取原来的80%），反复调节这两个参数，直到得到满意的控制过程和整定参数。如果动态过程仍不尽满意，则可以加入微分环节（D）。在整定时先把微分时间系数为零，在第二步的基础上，增大微分时间系数，同时相应地改变比例系数和积分时间系数，逐步试凑，以获得满意的调节效果。
经验凑试法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致辞影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数。
在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述比例、后积分、再微分的整定步骤：
（1）整定比例部分
将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可，比例系数可由此确定。
（2）加入积分环节
如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原来的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与保持时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。
（3）加入微分环节
若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间为零。在第二步整定的基础上，增大，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
从应用的角度看，中要被控过程主要指标已达到设计要求，那么即可选定相应的调节器参为有效的控制参数。最终得到所需的P、I、D分别为2、0.5、2。程序如下：
void PID()
{
int PWMDutyadd=0;
err=SetTemp-NowTemp;
serr+=err;
PWMDutyadd=err*PIDP +serr*PIDI+(err-err1)*PIDD;
if((PWMDuty+PWMDutyadd)<0) PWMDuty=0;
else if((PWMDuty+PWMDutyadd)>34) PWMDuty=34;
else PWMDuty+=PWMDutyadd;
err1=err;
}
第三章 系统调试
3.1 DS18B20温度传感器测温
显示温度和实际温度的测量误差实验：选用最小刻度为0.01℃的温度计所测量的温度作为实际温度，利用温度计的读数来校准液晶显示器所显示的温度值。分别测量了十组数据，实验测量数据结果如下表1：
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另外又通过100次实验，等待温度稳定之后，所需时间均低于250s，符合设计要求。
综上所述，设计可以达到所需的以下指标：
（1）测量精度：±0.5℃；
（2）控制精度：±1℃；
（3）达到设定温度且稳定后时间不超过250s；
（3）温度设定范围：15℃～60℃；
（4）保护：当温度大于55℃或者小于25℃时，蜂鸣器报警；
（5）显示：显示屏显示当前温度和设定温度。
论文作者:李金垒
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/10
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