远程温度控制系统毕业设计

引言

温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。

远程温度控制的通信方式有多种，如通过网络，无线电等等。每一种方式都有其优点和缺点。利用无线电通信，方便、灵活，而且经济。它不需要像网络控制耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。

在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。

在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑以及自己的爱好，设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。本文详细的介绍了系统的硬件设计，软件设计，以及调试等，希望它能给初级电子制作爱好者带来一些无线电通信和温度控制的基本常识，以及应该注意的一些事项。

1、温度控制的发展及意义

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。

2 总体设计与可行性分析

2.1 设计任务

1、利用所学的知识设计远程温度控制系统。电烤箱温度可在一定范围内由人工设定，温度信号检测方案自行确定，用单片机采用PID控制算法实现温度实时控制，静态误差1度，超调量〈2.5%，系统温度调节时间ts〈4分钟。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热有效功率。控制温度范围室温--125℃，用十进制数码显示箱内的温度。

2、采用PID控制算法实现温度实时控制，并显示温度实际值。

3、了解计算机控制系统的基本原理和组成；

4、实现无线发送、接收，编码、解码校验。实现超限报警；

5、掌握计算机控制系统的软、硬件设计与调试，实现满足指标要求的控制系统。

主要技术指标：

（1）温度控制误差：≤±0.5℃；

（2）发射频率：≥300MHZ

（3）发射距离：≥500m

（4）误码率：≤10-6

2.2 总体设计框图及概述述

图 2.0 系统总体设计框图

图 2.1 键盘控制面示意图

如图2.1所示，键盘控制面采用2*4式键盘，K0，K1的功能分别是左移一位和右移一位；K4，K5的功能分别是加1和减1；K2，K3，K6分别是向从系统00，01，10发送温度设定值的功能键。K7为清楚报警鸣声且熄灭报警提示红绿灯。编码解码部分采用通用编解芯片PT2262/PT2272。PT2262/PT2272工作电压低，可进行地址编码，地址码多达531441种，数据最多可达6位。发射接收部分采用F05T，J04T模块，发射接收频率为433M，工作电压3—12V，频率稳定度为0.00001。温度传感器采用“一线总线”数字温度传感器DS18B20，DS18B20测量范围为-55℃—125℃，测量精度为±0.5℃。

2.3 温度采集系统的设计

采用典型的反馈式温度控制系统，如图2.2所示。

图2.2 温度采集系统框图

2.4 数字PID控制

数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛的应用。下面简单介绍PID控制的基本原理、数字PID控制算法及其改进和PID的参数整定及其发展。

2.4.1PID控制原理

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)。将偏差的比例、积分和微分通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：

u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Tdde(t)/dt] （1）

或写成传递函数形式

G(S)=U(S)/E(S)=Kp(1+1/TiS+TdS) （2）

式中 Kp是比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数。简单地说，PID控制器各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

2.4.2数字PID控制算法

在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式和增量式控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此模拟式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t,以和式代替积分，以增量代替微分，作近似变换。采样周期足够短，才能保证有足够的精度。

（1）位置式PID控制算法