小型温控系统（共7篇）
小型温控系统 篇1
一、概述
冷库是在低温环境条件下对易腐食品进行加工和贮藏, 以保证食品食用价值的建筑物, 在符合规定的食品卫生标准的前提下, 冷库为食品的贮藏提供了温度和湿度条件。而分配性冷库, 其冷藏能力大、吞吐量大、贮藏时间长, 因而对温度控制的要求更高, 对于易腐食品如肉类, 其贮运温度在-11.1℃~-9.4℃之间, 蔬菜、水果其贮运温度在0℃~1℃左右, 传统的机械式温度控制器, 其温控精度远远达不到要求且调控速度慢、超调量大, 严重危害了食品的安全。本文设计了一种基于单片机的温度测量控制系统, 能较好地解决温控精度及超调量大的问题。
二、温控系统的组成及工作原理
(一) 系统硬件结构
系统结构如图1。
1、数字式温度传感器。本系统采用美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20。
1) 、DS18B20支持“一线总线”接口, 测量结果直接输出数字温度信号, 大大提高了系统的抗干扰性。
2) 、DS18B20测量温度范围为-55℃~+125℃, 在-10~+85℃范围内, 精度为±0.5℃;其可编程的分辨率为9~12位, 对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃, DS18B20出厂时设计为12位, 本设计为10位 (R1R0:01) , 分辨温度为0.25℃, 可实现高精度测温, 完全能满足分配性冷库的温度控制要求。
3) 、DS18B20适应电压范围更宽, 电压范围:3.0~5.5V, 在寄生电源方式下可由数据线供电, 但在使用过程中为保证温控精度, 本系统采用外部供电方式。
4) 、DS18B20具有两种封装结构, 3脚PR-35封装或8脚SOIC封装。本设计采用3脚PR-35封装, 1脚GND为电源地, 2脚DQ为数字信号输入/输出端, 接单片机89C51的一个I/O口, 3脚VDD为外接供电电源输入端, 2脚和3脚之间接一个4.7K的上拉电阻, 即可完成温度采集部分硬件电路。
2、AT89C51单片机。
AT89C51是整个系统的C P U, 单片机首先根据DS18B20传送回的数字信号并进行由P I D控制计算出相应的控制输出量, 将控制输出量输出去控制制冷压缩机的工作, 从而实现温度控制。此外AT89C51还负责按键处理、驱动、显示等工作。
3、键盘及显示的设计。
键盘用作控制信息的输入。系统采用4个按键, 分别实现系统复位、功能转换、设定温度逐次加0.25、设定温度逐次减0.25。系统中初始设定温度为0℃, 用户可根据需要自行加减。系统采用3位L E D静态显示当前温度值。
4、蜂鸣报警电路。
蜂鸣报警电路由晶体管和蜂鸣器组成, 由单片机I/O口输出信号控制晶体管的导通与截止, 由此来控制蜂鸣器报警。
5、驱动电路。
驱动电路采用继电器驱动方式, 通过控制继电器在控制周期内的通断时间, 实现对制冷压缩机的开关控制。由单片机I/O口输出的控制信号, 经晶体管放大, 驱动继电器工作。
6、掉电保护电路的设计。
掉电保护电路是为防止系统因为意外掉电导致丢失数据而设计的。集成电路7805为一个单一的+5V稳压块, 和备用电源分别通过二极管接到单片机的电源端;当稳压电源略高于+5V时, 备用电源不工作, 为防止干扰产生误动作, 还可应用光电耦合器TIL113。
(二) 系统硬件电路图, 如图2。
(三) 软件设计
整个系统的硬件组成相对简单, 系统各部分电路均采用常规器件, 成本低, 维修方便, 但较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿, 下面较为详细地介绍软件的设计。
1、数字PID控制
单片机控制是一种采样控制, 系统采用的增量式PID控制算法, 由于该控制算法不需要累加, 控制增量Δu (k) 仅与最近的k次采样有关, 所以误动作时影响小, 而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。
1) PID增量型算法
离散化公式:
其中u (k) -控制器的输出值。
e (k) -控制器输入与设定值之间的误差。
K p-比例系数。
Ti-积分时间常数。
T d-微分时间常数。
T-调节周期。
2) 积分分离法
在基本PID控制中, 当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时, 由于此时有较大的偏差, 以及系统有惯性和滞后, 故在积分项的作用下, 往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程, 这一现象将更严重。为此可以采用积分分离措施, 即偏差较大的时, 取消积分作用;当偏差较小时才将积分作用投入。
另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大, 达不到积分分离的目的, 若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区, 只进行PD控制, 将会出现残差。
2、程序流程图
如图3。
3、PID参数的整定
(1) 比例系数Kp对系统性能的影响
比例系数加大, 使系统的动作灵敏, 速度加快, 稳态误差减小。K p偏大, 振荡次数加多, 调节时间加长。K p太大时, 系统会趋于不稳定。K p太小, 又会使系统的动作缓慢。K p可以选负数, 这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Kp的符号选择不当对象状态 (pv值) 就会离控制目标的状态 (sv值) 越来越远, 如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反。
(2) 积分控制Ti对系统性能的影响
积分作用使系统的稳定性下降, Ti小 (积分作用强) 会使系统不稳定, 但能消除稳态误差, 提高系统的控制精度。
(3) 微分控制Td对系统性能的影响
微分作用可以改善动态特性, Td偏大时, 超调量较大, 调节时间较短。Td偏小时, 超调量也较大, 调节时间也较长。只有Td合适, 才能使超调量较小, 减短调节时间。
三、系统测试及仿真
在实际调试过程中, 设定分配性冷库的三个测试点温度为-10℃, 0℃, +5℃, 经测试, 温度误差在0.25℃之内, 完全能满足分配性冷库的控制要求。
四、结论
本文分析了测温系统基本原理, 介绍了DS18B20数字式温度传感器的应用, 提出了一种基于AT89C51单片机的温度测控系统, 设计了其硬件电路和软件。仿真表明在-10℃~+5℃的温度范围内系统的偏差小于0.25℃。系统的温度控制范围较大, 用户可根据需要自行改变预定的控制温度值。本系统在冷库温度调控方面有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 胡汉才. 单片机原理及接口技术 (第二版) [M].北京:清华大学出版.2004
[2] 李晓伟, 郑小兵.基于单片机的精密温控系统设计[J].微计算机信息.2007, 32
[3] 严晓照, 张兴国.增量式PID控制在温控系统中的应用, 南通大学学报.2007-02-28
小型温控系统 篇2
1 PID控制算法简介
温度控制领域在近几十年来提出了很多的方案, 其中PID控制算法具有实现易、控制效果佳和鲁棒性强等特点得到广泛的应用[3]。加之温度控制中被控对象的结构和参数由于外界的变化和测温点的选取不同难以掌握并获得精确的数学模型, 最适用采用PID算法。
2 温控腔体的硬件实现
小型温控腔体硬件设置如图1所示。系统分为加热和控制两个部分。其中控制部分采用5V供电, 加热部分采用24V供电, 保障学生实验过程中的安全。控制核心芯片采用基于ARM®Cortex®-M4内核Freescale K60处理器, 控制温度为略高于当日最高室温, 加热采用加热片对称均匀加热。温度传感器PT1000通过电桥形成电压信号, 经ADS1112采集后通过I2C接口发送给主控芯片。主控芯片除了驱动串口屏显示当前温度和最近30次控制的温度变化外, 还通过串口发送给上位机进行记录。为了方便对温度和控制参数进行调整, 该方案还设计了按键。
3 软件实现和结果分析
考虑到室温在一天中的变化, 利用实时时钟预测当天最高温度, 并在此基础上提高5℃为系统当天工作的设定温度。软件控制的目的一是要能快速的达到系统设定的温度;二是不能有较大的上冲;三是温度的精度要在正负0.2℃以内。
为了实现上述的目标。我们采用三段PID加一段全速加热的方法来实现控制系统的控制。如图2所示。当系统温度和设定的温度差值较大时, 系统采用全功率加热;落入不同的温差范围时设置对应的P、I和D保证温度控制的高效和稳定。特别是为了防止上冲过高, 除调整PID参数还对积分结果进行两个方面限制。一是加温进入到PID控制区域内才能开始积分, 二是防止前期积分值较高对积分的总量进行限制。
经过实验获得了图3的腔体温度变化图, 可以看出温度的上冲不超过1℃, 控制精度达到了±0.2℃以内。系统达到稳定工作时间在20min以内, 总体指标达到设计目标。
4 结论
通过采用分段PID算法和对积分的限制实现了对小腔体温度控制的目标, 该方案能很好的应用到需要激光头功率稳定的实验中, 取得了一定的效果。
参考文献
[1]张亦男, 谈宜东, 张书练.用于全内腔微片激光器稳频的温度控制系统[J].红外与激光工程, 2012 (1) .
[2]袁平.PID控制在中低频电炉温度控制系统中的应用[J].铸造技术, 2013 (10) .
装载机用智能温控散热系统 篇3
新型散热系统基于普遍应用的风冷散热形式,采用泵驱动马达的方式实现。控制散热系统的散热功率就要控制风扇马达的转速,其控制方式可灵活多样。
1. 定量式温控风扇散热系统
如图1所示,定量泵驱动定量马达,马达带动风扇进行散热。与马达并联的电比例溢流阀C(反比例)形成的旁通回路用来调节马达的转速。溢流阀E与单向阀F组成双向过载补油阀。系统控制原理为:在各散热器上设置温度传感器,控制器将采集的温度信号与设定值进行对比;当温度低于起调值时,系统不需要散热,控制器输出大电流,使电比例溢流阀C的溢流压力降至最低,即将风扇的转速降至最低;当温度超过起调值时,输出电流开始变小,电比例溢流阀C的压力开始上升,风扇转速开始增加;当温度达到设定的最高值时,输出电流降至最低,风扇转速达到最高。总之,是使散热功率始终与各系统实际散热需求相匹配,最终达到温控散热的目的,该系统更节能、噪音更低,更适应周边的环境。比如在昼夜温差大或北方寒冷地区,可大大缩短机器的预热时间。
该系统还具有散热器的“自洁”功能,即通过电磁换向阀D控制马达的正、反转,从而实现系统在“散热”和“自洁”两种模式下的自由转换。考虑到风扇一直向一个方向吹,散热器容易被空气中的杂质堵塞,最终降低散热器的散热效率。所以需要定期使风扇反转,将散热器中的杂质吹出,保持散热器的清洁和良好的散热效率,从而降低使用和维护成本。此功能广泛应用于风沙、灰尘大的矿山、港口、沙漠等恶劣工况,以及垃圾清理场、棉花加工现场等空中漂浮物多的场合。
正、反转控制过程为:逐渐加大电比例溢流阀C的输入电流至最大并延迟数秒,使溢流阀压力降至最低,风扇转速降至最低;电磁换向阀D得电,实现换向;逐渐减小电比例溢流阀C的输入电流,溢流阀压力增大,风扇转速增加,实现反转。正转过程亦然。上述控制过程中,之所以要延迟数秒,是由于从“电比例溢流阀得电”到“其开始动作”、到“溢流压力降低”、再到“马达转速降低”,均存在延迟。即电比例溢流阀C的输入电流加至最大时,马达转速仍然很高,此时换向必将产生很大的压力冲击。
由于始终会存在一定的溢流损失,该系统的节能效果会大打折扣。且电比例溢流阀的调节范围有限,那么在夜晚或者北方寒冷地区,会使机器预热时间加长,甚至出现过冷现象。
当然定量式温控散热系统还有很多种,比如图2所示就是另一种。该系统控制的关键是三通压力补偿器S,其作用:一是实现泵口压力始终跟随负载压力而变化;二是使进入马达的流量只受电比例换向阀R的控制。即用三通压力补偿器S使电比例换向阀R的入口和出口压差为定值,进入马达的流量只与电比例换向阀R的阀口开度有关且成正比关系。通过控制电比例换向阀R的电流大小,就可控制其阀芯位移,即控制其阀口开度,进而控制阀口流量,最终控制马达转速。值得注意的一点是,三通压力补偿器S可保持泵口压力始终跟随负载压力而变,从而实现节能,但这种节能仍然有限。
2. 变量式温控风扇散热系统
上述定量系统之所以节能有限,在于其时刻存在却无法消除的溢流损失。而应用变量系统,此问题可迎刃而解。如图3所示,发动机带动负载传感泵,通过中位的电比例换向阀控制风扇马达进行散热。这是一个典型的阀控泵系统,泵的排量由换向阀K阀口开度的大小控制,可实现按需供应。具体控制过程如图4所示。控制原理:在各散热器上设置温度传感器,控制器将采集的温度信号与设定值进行对比;当温度低于起调值时,控制器输出最小电流,电比例换向阀K处于中位,泵的斜盘处于最小摆角,输出最小流量,以维持泄漏和快速响应;当温度超过起调值时,控制器输出电流开始加大,电比例换向阀K产生位移,即有一个阀口开度,泵输出相应流量,马达输出一定的转速;当温度达到设定的最高值时,控制器输出电流达到最大,电比例换向阀K达到最大行程,即最大阀口开度,泵输出最大流量,风扇达到最高转速。该系统可实现泵输出流量始终与系统需求相匹配,没有任何溢流损失,从而实现节能。
该系统同样具备散热器的“自洁”功能,可通过电比例换向阀K实现马达的正反转。另外在散热泵足够大的情况下,该系统的散热能力将不受发动机转速的影响。即发动机转速下降时,泵排量将增大,保持输出流量一定,与散热需求相匹配。
关于散热系统的研究,控制风扇转速仅仅是第一步。装载机在不同工况下,各系统的温升速度是不同的。如推土工况下,传动系统温升较快;铲土工况下,液压系统温升较快。那么在散热器结构、面积、位置等因素一定的情况下,仅靠提高风扇转速,加大供风量,虽解决了某一系统的“过热”问题,同时也会造成其他系统“过冷”。目前多倾向于通过改变冷却介质的流量以平衡各系统的散热能力。
浅谈模座自动加热温控系统 篇4
1 系统构成
温控系统元件安装在温控柜内, 主要元件有温控仪表、固态继电器和测温热电偶。温控仪表选择英国欧陆3504智能型温控仪表, 根据现场总线要求需选择Profibus-DP总线, 接收位于主控柜内的西门子PLC通过DP通讯方式发送加热温度设定值和加热启动命令。欧陆3504仪表包括两个控制回路, 分别控制上、下模座加热设备。仪表输出的脉冲信号通过固态继电器控制加热器, 使其逐渐加模座温度加热至设定目标值。测温热电偶实时反馈模座当前温度至仪表输入端, 本系统中模座加热温度范围为100-250℃, 因此测温热电偶选择铂铑1“S”分度, 精度A级。此外, 控制系统还包括塑壳断路器、断路器。
2 仪表接线
欧陆3504仪表可用于加热/制冷控制, 可同时控制两路温控系统。使用3504仪表用于加热控制的典型接线图如图1所示, 仪表各引脚含义如下:
L:火线;N:零线;AA、AB、AC:仪表本体继电器输出点;V+、V-:热电偶测温信号输入端子;4A、4B、4C、4D:仪表的扩展的I/O模块, 该模块选择TP模块, 可输出3路直流18V 8m A电源, 用于驱动加热回路中的固态继电器, 图例中只使用一路输出。
3 仪表设置过程
使用3504仪表进行本温控系统的加热控制, 需要使用仪表的PID控制回路功能, 这需要设置仪表中如下功能模块:
(1) 仪表总体配置; (2) 过程输入设定; (3) 扩展模块设置; (4) 报警设置; (5) 通讯参数设置; (6) 控制回路设置。
图2为仪表内PID控制回路原理图, 回路由PV INPUT、LOOP1、LOGIC IO功能模块组成, PV INPUT为测温热电偶测得的实际温度值, pv代表过程变量值。Loop1为控制回路1, 下面包括很多设定功能菜单。pv接口连接至LOOP1 (PID回路1) 中MAIN菜单下的pv, 作为PID控制回路中的实际温度反馈值;SETPOINT为PID控制回路中的设定温度值, 在LOOP1中SP菜单下进行设置, 设定值可以由仪表面板设定, 也可由上位机通过PROFIBUS-DP通讯进行设定;再将SET UP菜单下的ch 1 control设定为PID控制模式。LOGIC IO为PID控制回路控制输出, 将其设定为time prop型, 并连接至LOOP1菜单OP中的channel 1 output选项。经过以上设置步骤, PID控制回路已经建立, 按仪表面板上的A/MAN按钮将仪表工作模式设为auto, PID控制回路即可投入运行。
PID控制回路建立后, 要设置比例系数和积分时间系数, 众所周知, 这些系数的设定影响控制回路的控制效果。我们可通过TUNE子菜单进行参数自整定, 设置好设定温度值后, 启动仪表自整定功能, 仪表将按内部程序将温度升至设定温度的的75%, 然后关闭加热回路降温, 降至一定温度后, 仪表便可自行计算出控制回路的比例系数和积分时间系数。并可通过DIAG菜单诊断自整定功能是否成功完成。
大型风机叶片模具温控系统的设计 篇5
关键词：PLC,叶片模具,温度控制
0 引言
在大型风力发电机组叶片的生产过程中, 叶片成型模具是核心工艺装备之一[1]。目前, 大型风机叶片模具的制造已成为阻碍风机叶片发展的主要瓶颈。而叶片模具的温度是其加工成型过程中最重要的工艺参数, 影响着叶片成型模具的质量。如果温度控制的效果不佳、控制精度不高或控制系统的可靠性差都将影响成型模具的质量, 甚至可能造成模具局部烧损, 导致模具失效, 严重影响生产效率和交货周期。因此, 模具加热装置的温度控制是风机叶片模具成型过程中的重要技术问题之一。
在叶片成型模具加热过程中, 有区域划分多且复杂, 在注胶固化、温控停止与合模固化过程中对温度的动态以及静态偏差要求严格的特点, 针对以上特点, 设计基于西门子PLC的多路温度控制系统, 并且满足叶片成型模具制造的工艺要求。
1 叶片成型模具加热工艺
目前, 较为通用的模具加热方式之一为电阻丝加热[2]。另一种较通用的模具加热方式为循环水、油加热, 该方式需加装循环泵、加热器等设备, 通常采取在复合材料型面内预埋铜管等金属管材的方式, 一般情况下, 金属管材不易折弯随形, 而且焊接的难度大可靠性低, 容易出现漏水现象, 且还存在成本高、重量重等缺点。
这里采用改进型的循环水加热技术, 即在模具中预埋PB (聚丁烯) 管的方式[3]。PB管作为一种绿色管材, 其在生产使用至废弃过程中均无毒无害。PB管可承受110℃以下的温度, 对于水循环加热有良好的适应性。在安装过程中, 通过热熔连接实现永久连接后, 管道无渗漏, 耐压性能可长期保持。目前PB管在供水系统、采暖系统中得到了广泛应用, 是一种价格低廉且性能良好地水路材料, 非常适用于大型风机叶片模具加热系统。
结合风机叶片加热的一些相关需求, 设计了一套完整的水循环加热系统来完成对模具的温度控制, 如图1所示。
2 温度控制系统设计
2.1 温控系统工艺要求
对于兆瓦级大型风力机组叶片模具, 在设计中要求模具型腔内温度可达到80℃;模具恒温保持过程中控制精度为±2℃;在模具温升动态过程中偏差控制在4℃以内。叶片模具成型过程的期望温度曲线如图2所示。
2.2 西门子S7-1200PLC
S7-1200是西门子工业自动化公司近年推出的新的模块化控制器, 可以实现精确度要求高的自动化控制任务, 作为西门子中低端S7-200 PLC的替代产品, 其主要有安装简单方便、可扩展性强、开发简单、精确度高、成本低廉等特点, 可以很好地完成风机叶片成型模具温度控制任务。
作为S7-1200的工程组态软件, STEP 7 Basic相比上一代软件最大的变化在于直观、易用。STEP 7Basic是以任务为导向的智能的工程组态编辑器, 包括Win CC Basic在内的整个软件体系可以完成控制系统逻辑编程和HMI基本面板组态, 并且可以进行在线调试和离线仿真。
西门子HMI KTP400单色精简面板作为适用于S7-1200的具有基本功能的HMI面板, 可以用于风机叶片成型模具的温度控制任务中。其大小以及分辨率适用于复杂度不高的控制任务中。
2.3 控制系统结构
由于叶片成型模具是分区域、多回路进行加热的, 故在一个总控制器用于控制加热炉进行循环水加热以及协调各单回路温度控制的基础上, 各个回路分别对各自加热区域进行温度采集并通过阀门对温度进行升温、恒温与冷却控制。系统的控制原理图如图3所示。
根据上述控制原理, 基于S7-1200 PLC, 对控制器设备进行选型, 如表1所示。
2.4 控制流程
图4为控制系统设备网络组态图。控制系统的实现通过在西门子全集成自动化软件博途 (TIA Portal) 上进行开发来完成。博途软件是西门子公司近年来推出的一款集成化工程技术软件平台, 在博途软件中可以完成硬件网络设备组态和参数配置、通过不同语言创建程序块并进行调用、通过PLCSIM进行程序仿真、人机界面的组态和设定等工程任务。叶片模具温控系统的全部软件工程均在博途软件中完成。
在叶片模具温控系统控制流程中, 将整个控制系统分为恒温保持、加热温升和降温过程, 如图5所示。其中恒温保持和加热温升是通过加热炉对循环水进行加热完成的, 而降温过程是通过补充冷水和自然降温协同完成。阀门方面主要配合加热炉加热器进行水流量控制, 并提供紧急报警的处理。
在控制精度方面, 基于系统温度测量的实时性, 采用B级Pt100热电阻测温可满足叶片模具成型过程中对温度±2℃的静态偏差要求以及温升过程中不大于4℃的动态偏差要求。
3 结语
设计简洁实用的触摸屏操作界面 (如图6所示) , 使运行人员可以快速熟悉系统操作, 完成成型模具的制造。
将西门子S7-1200控制器运用于大型风机叶片模具成型温度控制系统中, 可以很好完成控制任务, 成本低廉, 安全可靠。采用循环水加热解决了电阻丝加热方式所出现的局部超温过热的问题, 抗干扰能力显著提升, 提高了模具的稳定性, 有良好的推广应用前景。
参考文献
[1]韩超, 刘晓宇, 董宇翔.欧姆龙PLC在叶片成型模具多路温度控制中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化, 2011, (5) :49-51, 69
[2]冯消冰, 王伟.1.5MW风机叶片模具加热工艺研究与技术创新[J].玻璃钢/复合材料, 2010, (3) :66-68
一种简易红外温控系统的设计 篇6
1 系统总体设计思路
该温控系统总的结构框架如图1所示,其工作原理是;首先,通过红外温度传感器的测量,将对象的温度转变为电量参数(如电压或电流);然后,利用测量电路,对红外温度传感器输出的微弱信号进行放大,调零和滤波等一系列电路的处理后,再通过模数转换[1],将实际测温参数传到计算机处理端;计算机通过软件,设定一个温度阈值,通过一定的算法控制执行器(如继电器)的工作状态(开或关),进而来控制加热装置的工作状态,从而达到所希望的温度范围。
该设计系统中的A/D,工控机和D/A 3部分(如图1,虚线部分)是由计算机和数据采集卡来完成的,故文中只是对红外温度传感器,测量电路,驱动保护电路,执行器,加热装置和电源等6部分进行设计分析。
1.1 红外温度传感器
测量温度的传感器很多,按其工作方式分,它可分为接触式和非接触式[2]。随着科学技术的发展,传统的接触式测温传感器(例如热电偶[3]等)已经不能满足现代一些应用领域的需要了,而非接触式测温传感器(例如红外温度传感器)由于其具有成本低,使用简单,不干扰被测温场,响应速度快等优点,越来越受到人们广泛的关注和需求。系统采用热电式红外温度传感器来实现温度的探测。
热电红外温度传感器是利用红外辐射的热效应[4],通过温差电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射,间接地测量辐射红外光物体的温度。设计采用了全辐射测温法,即通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度。
由图2可知,各种波长的红外线通过顶端入射窗(覆盖了滤光片)后,只让需要的红外线通过,而将其他波段的干扰去除。位于感知组件表面的热吸收膜会将红外辐射能变成热能,感知组件的表面温度上升,因热电效应,产生了表面电荷,该电荷经过FET(场效应管)放大后,由外部所接的源极和地端输出电压信号,最终完成光电转换。
根据普朗克公式可以推导出辐射体温度T与输出电压V之间的关系,如
式中,R为探测器灵敏度;a为与大气衰减距离有关的常数;ε为辐射度;σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。由此,只要数据处理时进行适当的线性处理,就能得到物体表面温度。
1.2 测量电路
由于经热电式红外温度传感器输出的测量信号一般都很微小,而且时常因外界或内部干扰,夹杂着各种噪声信号,因而为了获得所需要的信号,应对其进行信号的放大、调零和滤波等操作处理环节。
1.2.1 信号放大电路
设计选用三运放高共模抑制比放大电路[5],其最大的优点就是拥有很高的共模抑制比(CMRR)。一般情况下,其CMRR≥120 d B,共模输入电压范围为+6 V到-10 V。这无疑能提高电路的整体抗干扰能力。此外,它的输入阻抗在300 MΩ左右,容易与传感器的输出阻抗相匹配;它有着低的功率(μW数量级),失调和漂移,且增益可以调节,总增益在1~1 000之间,放大倍数稳定。正是由于三运放具有上述的特点,使得它在整体上表现出了令人满意的优良性能。然而,要保证它优点的发挥,就要尽量使其电路中的运放和电阻相匹配,尤其是在第一级的差动放大输入部分。如图3所示。
在三运放电路的实际应用中,传感器和测量放大电路间通常用屏蔽电缆连接,屏蔽层接地,这会使电缆芯线和屏蔽层间形成电容的结构,进而降低共模抑制比的能力。如果温度的测量需要高精度,则可以采用共模电压自举的方法,来构成有源屏蔽驱动电路,来消除上述的缺陷,而如果对精度要求不高,则不用考虑。
1.2.2 信号分离电路
原始信号经过传输放大后,往往会混有各种不同的噪声信号[6](如白噪声),这必定会影响有用信号的获得。因而,通常会根据不同噪声的特点,采用各种效果的滤波器来除去噪声信号。鉴于传感器所输出的信号的频率较小,近乎于直流,因此,在这里,选用低通滤波器,又考虑到有用信号的频率较干扰信号的频率小,在对性能要求不是很高的情况下,可以用一阶有源滤波器,其结构简单,同时能减少负载对它的影响。其实,如果想减少成本,简化结构,可以不用运算放大器,而直接用一阶无源滤波器[7],如图4。
根据实际情况,将该一阶低通滤波器的截止频率f设定为10 Hz左右,则根据公式f=1/(2πRC);可以对电阻R和电容C进行适当的数值选取(R=1 kΩ,C=16μF)。
1.2.3 信号调零电路
尽管三运放测量放大电路有着低的失调电压,低的漂移,但整个电路的零点漂移[8]还是存在的,这就需要用调零电路来进行处理,稳定零点。
调零电路的结构如图5,在运放的同向端加入一个通过电位器输出的可调直流电压,即可对电路进行调零操作。此外,在这电路中,还增加了一个增益调节的电位器,根据实际需要,进行增益的适当控制及调试。
此外,信号经过放大、滤波和调零后,将要进入A/D转换器中,如果信号强度过大,很容易使得A/D转换器受到损坏。因此,通常,会在滤波电路与A/D转换器之间加上一个稳压二极管,从而可以保证之后电路的安全性,见图5。
1.3 驱动保护电路
由于执行器(继电器)工作时所需的额定电压或电流较大,这就很容易影响到采集卡中的D/A转换器,一旦电流过大,造成强电效应,就会把D/A转换器烧坏。因而,考虑采取光电耦合[9]的方式对电路进行保护,因为光电耦合技术目前已经很成熟了。然而,经过光电耦合后的输出电流(光电流)一般都很小,只有5~10 m A,因此,要驱动继电器正常工作很难。为此,就在光耦保护电路的基础上,加上了一级晶体管进行电流的适当放大,从而能保证达到继电器的吸合电留流的要求,如图6。
1.4 执行器和加热装置
此处采用的是十分常见的执行器,即电磁继电器。其所对应的程序算法(开关算法)较简单,但控制是不连续的。结合到实际情况,可以考虑选用,几类常用的超小型电磁继电器,如JRC—5M型,其触点负载为1 A,5~36 VAC[10]。
加热装置其实很简单,就是利用继电器触点的合与闭,来决定加热器是否进行正常的加热工作状态,加热装置具体的型号根据被测物体而决定。
1.5 电源电路
从整个系统的电路部分来看,一共需要用到2种恒压源来供电,即+12 V和-12 V。其中,电路中的各种运放和调零电阻需要±12 V电源来供电,继电器部分需要+12 V来供电。根据上述的要求,结合实际以及相关的降压,整流,滤波和稳压的知识[11],可以设计出如下的电源电路。如图7。
其工作原理,可简述为:±220 V交流电经变压器降压后成为±12 V的交流电,然后,经硅整流二极管(桥式整流)对其进行全波整流,分三路;接着,各路的电容再对其进行滤波处理,最后由三端稳压管稳压(78系列和79系列[12])进行稳压输出,便得到了+12 V和-12 V的电源。此外,电路还应用了放倒灌保护电路,以此来加强电源输出的安全性(如图7中最后的输出端部分)。
2 计算机处理与控制
计算机通过数据采集卡,得到测量电路的电压参数,然后根据由普朗克公式推导出来的被测物体表面温度和电压之间的关系,得到温度值,再根据需要通过执行器控制加热装置,进而形成一个温度可控网络系统。
3 结束语
基于温控理论的相关知识,提出了一种简易红外温控系统的设计方案,并对该温度控制系统的主要组成模块进行了具体的设计分析(不包括采集卡部分),从理论上,可以实现温度测量及控制的功能。该设计方案具有结构简单,成本低,易于实现等特点。然而,受到全辐射测温原理和环境光等方面的影响,该系统的精度不高,且只能测物体表面温度,因此对其进行适当的温度补偿方面的改进,会有助于测量精度的提高。
参考文献
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[10]陈小华,黎有勇.现代控制继电器实用技术手册[M].北京:人民邮电出版社,1998.
[11]王增福,李昶,魏永明.新编线性直流稳压电源[M].北京:电子工业出版,2004.
可网络控制的温控实验系统的设计 篇7
1 温控电路设计
自动控温电路示意图见图1。由电桥测温电路、测量放大器、滞回比较器、驱动电路和功率管加热五部分组成。
1.1 电桥测温电路
由热敏电阻构成的电桥用来提供差分电压。
当各桥臂发生微小变化时, 电桥失去平衡, 由于∆R很小, 即∆R□R, 电桥又开始平衡, 即R1R3=R2R4
所以输出为:
实际使用中, 为了简化桥路设计, 同时也为了得到电桥的最大灵敏度, 往往取桥臂电阻相等。
1.2 测量放大器
经过一个增益可达800倍的测量放大器将这个差分电压放大。
1.3 滞回比较器
通过滞回比较器, 当这个电压从大到小或者从小到大达到某一个值的时候产生一个正负电压的跳变。用滞回比较器输出的电压来控制功率驱动电路。
1.4 功率驱动电路
功率驱动电路用来驱动功率管, 功率管和热敏电阻绑在一起;当驱动电路导通的时候, 功率管加热, 热敏电阻阻值变小, 电桥压差跳变, 经过测量放大器放大, 滞回比较器比较输出之后关闭功率电路, 功率管开始冷却。之后热敏电阻的阻值又渐渐回升, 电桥压差再次跳变, 经过测量放大器放大, 滞回比较器比较输出之后开启功率电路, 功率管开始加热。如此循环, 达到温度恒定在某一个范围内, 实现控温的效果。
在此基础上, 安装步进电机和线绕电位器用来控制相关参数, 安装液晶显示屏用来显示相关参数和可调参数, 并安装本地按键来键入参数, 调整系统的工作状态。这样系统只要通过键入参数就可以实现电阻的调节了。
1.5 功率管加热
人工用键盘设定某一温度后, 单片机控制加热电阻开始加热, 当被加热物体到达指定温度后, 单片机自动控制加热电阻停止加热。当被加热物体的温度冷却到指定温度以下时, 单片机自动控制加热电阻开始加热。
2 控制界面设计
网络通信是远程控制系统得以正常运转的核心部分。这个部分由客户端即设备端与服务器端组成。为了减少程序代码量, 也由于所处理的业务对于实时要求不高, 因此, 在许多层次上, 直接使用了FTP服务器和客户端。通过对系统整体的需求分析, 设计出该远程控制系统的总体架构如图2所示。
Lab VIEW界面编写程序十分简单, 应用图形化界面设计, 很容易看懂。
3 测试结果
打开系统, 选择好控制端口, 就能同步收到实际电路发回来的数据, 同时在示波器上面显示。当现在系统处于加热状态下时, 加热指示灯会不停地闪烁。
同时可以再发送数据区编辑指令, 如+50或者-50, 点击发送数据, 数据就会发送到实际电路, 能看到电机在向左或者向右转动。
整个系统的功能基本完成了, 而且与实际电路上面液晶显示的值保持一致, 无错。
4 结语
本文介绍了一种可网络控制的温控实验系统设计。测试结果与实际存在一定的误差, 由于在数据传送中引入的信号干扰造成的, 不过, 对结果不会产生很大的影响。经测试最终能够满足设计要求。因此该设计在远程实验教学中有显著意义。
摘要：该系统是以Kenetis K60单片机作为微处理器。系统由硬件电路将温度信号进行滤波、放大和整形处理, 通过一个滞回比较器, 实现对温度的自动控制。通过单片机对电桥上面的一个电阻进行控制, 实现对温度控制间隔的调节。最后运用读取电桥一端电压, 将得到的数据传送到TFT液晶彩屏显示。通过串口将单片机控制模块与PC连接起来, 就可以实现在PC上对实验数据进行监测以及对单片机进行控制。同时利用LebVIEW制作一个操作界面, 发布到WEB上面, 实现远程监控。
关键词：Keneti,单片机,温度控制,LabVIEW
参考文献
[1]徐健.基于LabVIEW的温度控制实验教学系统研究与开发[D].中南大学, 2013.