温度控制系统

第1篇：温度控制系统

智能温度控制系统

摘要：温度检测广泛用于医疗、工业生产和食品加工等领域。在常规的环境参数中，由于温度受其他因素影响较大，且难以较准，温度也是最难准确测量的一个参数。本文设计出一款精确的数字温度计，选用集成数字温度传感器DS18B20、STM32单片机、LCD1602、按键、蜂鸣器等电子元器件来完成智能温度控制系统的设计。

关键词：温度检测;高精度;单片机;DS18B20

1 绪论

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在化工、冶金、建材、食品、石油、机械等行业中，占据相当重要的作用。随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，单片机测量和控制技术得到了广泛的应用和迅猛的发展。单片机具有运行速度快、功耗低、处理能力强等诸多优点，特别是在温度检测与温度控制方面，能满足控制简单方便，测量精度较高，范围广等优点，因而得到广泛应用。

特别是在电加热恒温控制系统中。它是医疗、工业生产和食品加工等领域的关键，因此对温度的测量及控制始终占据着重要的地位。市场上常见的温度传感器以电压输出为主要形式，不同的传感器其非线性曲线也各不相同，缺乏一个产品应具备的通用性和互换性。温度传感器应用范围很广、使用数量很大，但是在常规的环境参数中，由于温度受其他因素影响较大，而且难以校准，因此，温度也是最难准确测量的一个参数。常规方法测量温度误差大、准确度低、测量滞后的时间长。

2 系统方案总体设计

2.1系统设计任务

本设计是基于单片机的数字温度计的设计，主要完成以下功能：

[1] 该数字温度计工作温度在-10～85℃;

[2] 测量值能精确到0.1℃;

[3] 温度检测刷新时间为小于2秒;

[4] 温度过高会自动控制制冷，温度过低会自动控制加热。

2.2系统总体设计

本系统的总体架构见图3.1所示，控制器STM32通过控制集成温度传感器DS18B20。实时读取当前温度值信号。并将当前温度值实时显示在LCD1602液晶屏上。同时，系统设计有一个具有4个按键的独立键盘。用户通过键盘可预设一个温度控制范围。即最高温度和最低温度。控制器实时将温度传感器读回的值同设定温度范围相比較。当温度在该范围内时，显示为温度正常。当数字温度计检测到温度超过范围，或高于最大值或低于最小值时，控制器将开启报警电路，控制蜂鸣器发出警报声报警，同时将点亮相应的状态指示灯指示当前的超标温度类型。

3系统硬件电路设计

3.1 DS18B20温度检测电路

本设计采用DS18B20集成温度传感器，该电路为单总线结构，其硬件电路简单。只需按标准的单总线结构电路设计即可完成温度传感器器电路设计，具体电路如图3.1所示。

3.2 控制单元模块

本文所采用的STM32微控制器正是这一类高性能的微控制器，它是基于ARM M3内核进行开发，内部集成有运算器、放大器、寄存器、地址总线、定时器等电路，其工作频率为72MHz， I/O引脚数量为112个，还集成了ADC转换器、PWM信号发生器等电路。STM系列微控制器从性能上而言，要比传统的51系列单片机强大得很多，它能够完成更丰富系统功能的设计，为小型电子产品提供智能化的解决方案。本文采用STM32单片机作为控制器，结合外部时钟电路、按键复位电路和电源电路来搭建一个最小工作系统，用来实现对外围电路进行控制和交互。如图3.2所示为STM32的引脚图。

3.3 人机交互模块

其中人机交互模块包括预警声音提示电路、按键设定电路和LCD1602显示电路。

3.3.1 温度报警电路

本设计中采用蜂鸣器作为温度报警提示器。当温度超出预设范围时，蜂鸣器发声报警提示用户当前温度超标。同时通过点亮报警指示灯指示温度超标类型。

如图3.3为预警提示电路，Q1为PNP三极管，首先，设置STM32的Buzzer引脚为输出模式，当待机时，需要设置单片机的Buzzer端输出为高电平，因三极管为PNP型，所以三极管截止，蜂鸣器没有电流通过，不能发出声音。当单片机端口输出为低电平时蜂鸣器发出蜂鸣声。

3.3.2 按键设定电路

如图3.4所示为按键设定电路，其中电阻R3～R5为上拉电阻，大小为10K。本设计中每个按键一端接地，另一端通过一个上拉电阻接到VCC上。

3.3.3 LCD1602显示电路

1602液晶也叫1602字符型液晶，本设计中液晶主要用于显示设置系统设置信息，实时温度信号等状态。由于液晶显示以及程序设计灵活，可以省去数码管显示的繁琐操作。同时液晶显示更加人性化，且现在液晶成本低廉，在本设计中是一个很好的选择。图中单片机的P0口作为液晶显示的数据端口。由于51单片机设计者为了满足多电平的兼容性。在设计时P0口作输出时，设计为集电极开路输出，因此本设计作为液晶的数据端口，P0口输出增加上拉电R2将P0口输出上拉至VCC。以保证单片机输出1时，液晶数据口接收到的信号为高电平。如图3.5所示为LCD1602液晶显示模块。

3.4电源电路设计

本设计中电源部分采用线性电源，所接电源为220V交流市电。通过工频变压器将电压降压到9V后，整流滤波为直流电，然后再经过5V的三端稳压器将电压稳定为5V的直流电压输出整个系统供电。电源电路如图3.6所示。

3.5加热、制冷控制电路设计

加热制冷的控制是通过电磁继电器来控制外围负载来实现，电磁继电器是一种利用电磁感应原理的电子元器件，在通电的情况下，内部的衔铁在磁力的作用下，会带动动触点与静触点(常开触点)吸合，常开端会闭合;线圈断电后，线圈的磁力消失，衔铁返回初始状态，外回路又恢复到常开端。

加热电路则是通过继电器控制加热元件来实现的，由单片机输出高电平信号给继电器，继电器控制输出电源回路来实现加热电路的导通控制，见图3.7所示为加热电路的设计;制冷电路的工作原理也是如此，继电器接收到高电平时，会控制外围制冷回路开始工作，完成对需控温载体的操作，见图3.8所示为制冷电路设计。

4系统软件设计

本设计的软件需要完成的任务是：

1)实时读取DS18B20温度传感器的温度。

2)将读取的温度实时显示在液晶显示器上。

3)利用键盘实时设定温度预设范围。

4)当温度超过范围时可通过声光报警提示用户具体超标类型。

通过任务细分可将本设计中所要完成的任务分配在相应的程序段中完成。各程序段，主要包括DS18B20温度检测程序段、定时器T0程序段、LCD1602液晶显示程序段。

主程序流程图如图3.1所示。

5结束语

智能化温度控制系统一直是人们在生活和生产过程中被广泛应用的装备，在温控系统设计中，最核心的部分主要在于温度的采集，温度采集主要是由温度传感器来实现，由温度传感器来对环境中的温度进行拆解后，并由控制器进行处理，从而完成相应的控制动作。

参考文献

[1] 张毅刚、彭喜元，单片机原理与应用设计，电力工业出版社，2008.4.

[2] 稻叶.保. 模拟技术应用技巧101例. 北京：科学出版社，2010

[3] 求是科技. 单片机典型模块设计实例导航. 北京：人民邮电出版社，2004

[4] 谭浩强，张基温. C语言程序设计第二版，北京高等教育出版社，1998

[5] 于海生. 计算机控制技术.北京：机械工业出版社，2007

[6] 康华光. 电子技术基础-数字部分(第五版)，高等教育出版，2006.

[7] 伍时和. 数字电子技术基础，清华大学出版社，2009.

宝达冷热设备有限公司 江苏省 苏州市 215200

作者：胡振强

第2篇：蔬菜大棚智能温度控制系统探析

蔬菜大棚智能温度控制系统设计难度比较大，为了能够达到有效的温控目标，需要加强硬件以及软件设计，才能让整个系统具有智能化特性。现阶段，大型蔬菜种植基地基本上都会用到大棚，可充分满足蔬菜种植的四季需求。智能溫度控制系统保障大棚处于适宜恒温状态的关键，该系统自动化以及智能化程度较高，可结合实际情况完成温度调控，从而为蔬菜生长提供最佳的环境。基于此，研究蔬菜大棚智能温度控制系统具有一定的现实意义。

1 硬件设计

1.1 单片机

单片机的核心功能需要通过CPU设计来实现，通过运算器计算以及控制算法，可为整个系统的控制器提供有价值的参考数据。I/O是单片机的主要接口形式，包括输入与输出功能，所对应的连接对象是唯一的。要有效发挥单片机的功能需要结合蔬菜种植的温度需求编辑程序，并将其置入到储存器之中，单片机从外部获取环境数据并传输到储存器之中，再通过相关软件进行计算可以传输控制命令。需要注意的是，为了避免系统时延问题的影响，需要设计定时器对时延进行控制，这样才能保障系统稳定运行。

1.2 数字温度传感器

数字温度传感器与1/0线进行连接，可与其他传感设置进行结合，并共同完成信息交互工作。该装置的主要作用是能够将环境温度信息转化成为数字信息，并通过对应的显示屏进行呈现，例如，所监测的温度不在合理范围内，就会将信息传达给报警装置进行及时报警。数字温度传感器让大棚温度实现量化分析，温度转化的数据被写入到对应的存储器之中。传感器内部包括64位激光只读存贮器，借助数字脉冲振荡器在电路中的顺利程度对温度进行感应以及判断，如果顺利，意味着温度较低，反之意味着温度过高。

1.3 串口通信标准

串口通信可将各种器件全部串联，为信息稳定交互提供坚实的平台。因此需要确定串口通信标准，通常以“RS-232C”为标准;同时，系统内部设置有连接端口，可以作为两个通信装置的信息交互通道。

2 软件设计

2.1 关于软件的开发

蔬菜大棚智能温度控制系统的软件开发应当满足规范化的要求，首先，需要进行软件初步设计，在纠偏找茬的过程中逐步完成详细的设计。其次，将设计的内容转化成为代码，并对相关的程序进行编写。软件开发一定要考虑实际需求，例如，蔬菜在不同时间段、不同季节中对温度的实际需求，这样才能保障实际温度控制的精确度。相关软件系统主要包括标准参数修改、数据查询、历史数据储存、数据显示、串行通信等各大模块，通过软件分析并给出指令让大棚温度能够得到有效控制。

2.2 应用程序设计

在对应用程序进行设计的过程中，建议通过MATLAB软件对整个系统模型进行仿造，然后通过建模对设计与修改的工作进行完成。应用程序设计的内容包括设置功能、停止接收功能、查询功能、显示界面。其中显示界面要设计成为可视化窗口，并在界面之中设置当前温度值与当前温度值、通信端口，然后再设计确定、停止接收、设置、查询等功能，主要是为用户实际操作指明方向。

3 测试

设计出来的系统成品需要进行反复调试，达到相关标准之后才能进入应用环节。调试过程中，需要对测温数值进行检查校准，将数码管作为主要检查对象，并借助温度计对大棚温度进行测温，并将其作为实际温度标准数值;同时，需要检查数码管当中显示的数值，两者对比之后可判断系统是否存在偏差。如果存在偏差，需要调整温度值转换程序，让相关的参数规范化以及正常化。完成初步调整之后，还需要校正非线性误差，确保相关参数保持在温度差的范围之中。

作者：马毅 周建容

第3篇：蔬菜大棚温度自动控制系统设计

摘要随着现代化温室技术的发展与应用，以及人们对反季节蔬菜的庞大需求，温室在反季节蔬菜的培育中发挥着显著的作用，成为相关技术人员的关键课题之一。我国蔬菜大棚还处于发展的初期阶段，而国外的蔬菜大棚系统虽然趋于完善，但其经济性和适应能力却有待商榷。因此，需要创造一种基于我国环境的价格亲民、操作简单、功能稳定的现代化蔬菜大棚自动控制系统。通过对蔬菜大棚自动控制系统特性的分析，设计了基于可编程逻辑控制器(PLC)的蔬菜大棚温度数字化智能控制(PID)的自动控制系统。PLC将各种传感装置勘测的变量实时检测数据，通过和设定参数比较，对大棚内的温度进行调节。对系统进行仿真测试显示，该蔬菜大棚温度自动控制系统已经基本达到了控制目标，控制相对稳定可靠，具有较高的经济性。

关键词自动控制;可编程逻辑控制器;数字化智能控制

A

Key wordsAutomatic control;PLC;PID

我國人口众多，食品在国家命脉中占据着至关重要的位置，同时，人民对于绿色蔬菜的需要也骤然增加。然而我国长期以来都推行传统的作业栽培，手工生产和半自动化生产的绿色蔬菜食品远远不能够满足全国人民的需求。故而推动蔬菜温室技术革新，推进自动化温室控制系统显得尤为必要，同时还能创造良好的经济生态效益[1]。由于大棚蔬菜成长主要受温度、湿度、光度等相关因素干扰，自动蔬菜大棚主要总结微机理论、传感器理论等原理，在过去的蔬菜大棚基础上拓展完善。这在很大程度节省了大量的人力物力资源，扩大生产规模，实现快捷便利高效能地控制蔬菜大棚温室。

1我国蔬菜大棚温度自动控制系统的发展历史及研究意义

农业是国家的三大产业之一，农业的发展也为温室大棚的发展提供了契机，温室大棚可以在很大程度上促进农业的发展。但是据市场的调查显示，现在很多温室大棚主要还是靠人工进行控制，不具备科学性，很多指标都不能进行量化，精确性很差。简单地依据生产者自身的生产经验去进行温室大棚的调控，必然不能实现精确调控，影响到大棚内植物的生长，甚至影响了农业发展[2-3]。

1.1我国大棚的主要发展阶段

1.1.1手动化。这是发展的最初阶段，技術含量较低。这种控制的核心主要还是种植人员凭借自身的种植经验去调控整个温室大棚。该阶段调控效率低下，没有任何指标可以依据，调控也没有目标性，自然调整的效率就很低下，不能满足农业生产发展的需要，同时这样的调控方式对种植者的要求也很高，没有经验的种植者不能做好这方面的工作。

1.1.2自动化。在经过了手动化控制之后，自动化成为新时代农业控制技术发展的里程碑。在这个过程中，生产者在种植前根据各项技术参数和指标提前设置，在蔬菜的生长过程中，根据蔬菜大棚中各种传感器和变送器对蔬菜生长环境的检测对比，通过测量数值和设定数值之间的差别，可以有效地判断蔬菜生长环境的变动，从而通过可编程逻辑控制器(PLC)等相关的控制器进行误差调试，进而使蔬菜生长环境的温度等保持在一定的范围之内，保持蔬菜应有的生长条件。这种自动化控制技术大大提高了生产效益，易于扩大生产规模。

1.1.3数字智能化。数字化以及智能化是自动化技术的升级版，是现代温室发展和运用的顶级阶段，这项技术充分发挥了自动控制理论并建立在日常生产的经验上，这是综合蔬菜种植知识、技能和各项数据而成的一套专业系统，通过建立最完善的数学模型，开发出的最完美的专业控制系统。该系统是在手动、自动化控制发展之后发展起来的，因此更先进。

就我国的蔬菜温室大棚来看，我国目前对于现代温室技术的研究相对而言还是落后的，以普通的数字化智能控制(PID)调节为例，普通的PID调节只能够达到常见的温度控制系统的要求，在一些复杂变化的情形下难以实现有效控制。随着科技的进步，这些问题也终将被解决，我国农业正朝着信息化现代农业发展，为人民提供优质绿色的食品。

1.2蔬菜大棚温度自动控制系统研究目的及意义

尽管从表面上来看，我国基本上所有的蔬菜温室都安装了加热、降温、通风设施，然而很多系统都是通过人工操作使其运转，这对于大规模的蔬菜温室种植者来说作业强度非常大，而且无法精确适时地操作，也没有办法拓展。综合以上，笔者基于PLC设计的蔬菜大棚温度自动控制系统有着重要的意义。这套系统体现了PLC在控制方面精准的自我调节，能够确保蔬菜温室的温度保持在合理的范围内，同时这套系统易拓展，有利于蔬菜生产规模的扩大，大大提高了生产自动化的水平和效率，有利于蔬菜大棚温室技术的发展[4]。这种温室大棚减少了自然条件对蔬菜的影响，能够使蔬菜按照最佳模式生长，对温室的发展有重要意义。

2系统整体方案分析

2.1蔬菜大棚控制系统的选择

该研究以2个温室大棚A、B进行蔬菜大棚温度自动控制系统的模拟，需要设计出A号棚和B号棚的温控单位，分别控制A号棚和B号棚的内部环境变量[5]。

2.2PLC的特点和功能

PLC作为一种先进的控制设备，具有典型的可靠性高、通用性好的优点，这就大大满足了蔬菜大棚对于温度控制稳定可靠的需求。在工业使用中与普通控制装置相对比，PLC的主要特点和优势有：

能耗较低、性价比高;

采用模块化结构，适应性强;使用方便，编程简单;没有复杂的硬件接线，可靠性高;安装简单，维修方便;设计施工周期短。

2.3PLC的组成

虽然PLC的种类繁多，但是其最重要的成分就是中央处理器(CPU)，它通过循环扫描的方式工作，处理程序，PLC的基本结构一般如图1所示。

3蔬菜大棚温度自动控制系统设计

3.1系统功能结构

系统整体需要1个测量温度的变量当做模拟输入量，该测量输入主要用来检测大棚的温度变量，除此之外，系统还需要1个进气阀用来经PID调节调控进入的热气的模拟输入[6]。另外该系统需要1个PID调节的模拟输出的排气阀排出高温气体和1个送风风机，设开启、关停、紧急3个按键。2个按键分别控制开启、关闭整个系统，A号、B号棚互不干扰，自如控制。系统布局示意如图2所示。

该温室系统控制的运行过程也非常简便，首先，开动电机促进蒸气流动循环往复;接着，开动进气开关让热气进入大棚加温并控制温度;其次，若大棚内的温度过高，则开启排气开关排出热气降温控温。当总停止按键被按下之后，则风机排气扇等均将停止[7]。因此可知，总进排气开关受2个大棚的进排气开关影响。

3.2系统硬件设计

AIW0是A号温室大棚热敏电阻;AIW2是B号温室大棚热敏电阻。Q0.0是A号温室大棚排气阀;Q0.1是A号温室大棚电动机;Q0.2是B号温室大棚排气电磁阀;Q0.3是B号温室大棚排气电动机;Q0.4是总排气电磁阀;Q0.5是总进气电磁阀;AQW0是A号温室大棚进气阀;AQW2是B号温室大棚进气阀。为方便起见，现令A号为1号大棚，令B号为2号大棚。

3.3系统程序设计

3.3.1系统程序I/O接口分配。

蔬菜大棚温度控制系统的模拟量输入开关量如表1所示。蔬菜大棚温度控制系统模拟输出量如表2所示。

3.3.2程序设计部分。

该蔬菜大棚温度控制系统控制1号和2号大棚的控制程序用的是PID调节，通过控制系统的输出來控制阀门气流的大小，变化进气的数量，以满足控制要求。基于PLC的PID温度控制框图主要的结构图如图3所示。

该控制程序的初始化运行，经过第1次扫描，调子程序0，调定时中断0：时间间隔数值20 ms，把定時中断0加在INT_0上，全局中断启用。该控制程序启动/停止，在I0.6的上升沿使Q0.4得电启动;在I0.7的上升沿使Q0.4失电停止。当C1或C2的计数值≥600时，Q0.5得电启动。1号棚程序如图4所示，I0.0闭合M1.0置位，同时Q0.1得电;I0.1闭合M1.0复位;C1值≥600时Q0.0得电;I0.2闭合时Q0.0失电;当VD100VD104时将56000写入AQW2。2号棚控制程序和A号棚控制程序相似。1号棚控制程序的SBR0子程序如图5所示。主要是将传送1号棚温度控制的PID参数至相关的内存单元，执行检测判断，执行相应的动作。2号棚温度控制的SBR1子程序和1号棚温度控制的SBR0子程序相似。INT0中断子程序，INT0是对1号和2号大棚进行PID控制。中断程序对1号和2号大棚执行PID运算，并进行调温控制。

4结论

通过对该PLC控制的PID温度自动控制系统进行可靠性分析以及对上述系统程序的仿真测试，该蔬菜大棚温度控制系统功能仿真测试结果可靠、稳定准确、便捷高效而且易于操作，是实际温室控制系统的最佳选择，具备巨大的应用潜力。全力推动这套控制系统有利于大大提高生产自动化的水平和效率，扩大生产规模，对我国蔬菜大棚温室技术的发展有着极大的意义。

参考文献

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[2] 李先山.基于PLC的蔬菜大棚温度控制系统[J].兰州工业高等专科学校学报，2012，19(4)：14-16.

[3] 杨娟娟.蔬菜大棚智能温度控制系统应用探析[J].北京农业，2012(33)：42.

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[5] 李海南.温室蔬菜大棚监控系统研究与实现[D].长春：吉林大学，2015.

[6] 刘静.基于环境参数的蔬菜大棚监控系统研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[7] 孔国利，席红旗.蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统[J].农机化研究，2015(8)：184-188.

作者：冯程程　龚希武　刘要

第4篇：基于单片机的温度控制系统设计

摘 要：在现代化生产过程中，温度的控制越来越重要和严格。文章应用单片机对温度进行控制，具有控制方便、简单和灵活性大等优点，可大幅度提高被控温度的技术指标。

关键词：温度控制;MCS-51;热电偶

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是4种最常见的过程变量。其中，温度是非常重要的过程变量。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机对其进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可大幅度提高被测温度的技术指标，从而能大大提高产品质量和数量。本单片机温度控制系统的具体指标要求是，对加热器加热温度调整范围为600～1000℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。

1 设计思想及功能

为满足系统对温度的控制要求，本设计包括硬件电路设计和软件设计2部分。硬件电路设计主要包括：控制电路、数据采集、数据处理、模/数(A/D)转换;外部硬件包括接口、键盘和显示器3部分。软件部分主要运用MCS-51系列单片集中的8051单片机为主控制器，通过软件设计实现人机对话功能及温度控制。主程序是本系统的监控程序，用户可通过监控程序监控系统工作。

2 硬件设计

2.1 温度检测部分

本设计中，温度检测部位采用热电偶。热电偶式传感器适于测量温度较高的场所，在工业领域中，热电偶是最常用的温度检测元件之一。

①热电偶的种类及结构形式。A.热电偶的种类。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶2大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。B.热电偶的结构形式。为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对其结构要求有：a.组成热电偶的2个热电极的焊接必须牢固;b.2个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路;c.补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;d.保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

②热电偶冷端的温度补偿。由于热电偶的材料一般都较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端延伸到温度较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。热电偶补偿导线只起延伸热电极作用，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式2大类。通常来说，接触式测温仪表简单、可靠，测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要充分的热交金刚，需一定时间才能达到热平衡，所以存在测温延迟现象。同时受耐高温材料限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温通过热辐射原理测量温度，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限限制，也不会破坏被测物体温度场，反应速度一般较快;但受物体发射率、测量距离、烟尘和水气等因素影响，测量误差较大。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度最高，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

③热电阻测温原理及材料。热电阻测温基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性测量温度。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。

④热电阻的结构。A.精通型热电阻。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化直接通过热电阻阻值的变化来测量，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。B.铠装热电阻。铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体。其外径一般为φ2～φ8mm，最小可达φmm。C.端面热电阻。端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。D.隔爆型热电阻。隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引发爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla～B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

⑤热电阻测温系统的组成。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意：A.热电阻和显示仪表的分度号必须一致;B.为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

2.2 变换器

本文根据设计任务书的温度要求，选用了HD2011T型变送器模块。

①功能介绍。测量范围：5%～98%RH;温度测量范围：-50～200℃;温度精度：±0.25℃;输出：4～20mA，0～20mA，0～10V;

防护等级：IP67;负载：电流小于500欧，电压大于10000欧;供电：24VAC;工作温度：传感器-4～+150℃，变送器：-5～+50℃。

②特点。采用全密封防水结构，对传感器采用烧结头防尘处理、保证其在粉尘环境可靠工作;工作温度范围广，量程宽、响应时间短;有探头分体安装形式，可分离2m引线。

③工作原理。利用环境温度、湿度变化引起材料电特性变化的原理进行温、湿度测量。整機采用进口热敏器件，温敏芯片进行信号处理，并将其整理为标准信号输出。测量范围：T：0～50℃;输出信号：T：0～5VDC，4～20mA;测量精度：T：±0.5℃;工作温度：-10～60℃;负载能力：电压型输出负载≥3K;电流型输出负载≤500Ω/24VDC;电源需求：电压供电电压：12～24VDC。

2.3 ADC0809模块转换原理

①ADC0809模块内部结构。ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器。它的模数转换原理采用逐次逼进型，芯片有单个+5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行A/D转换，典型的A/D转换时间为100微秒左右。在同类型产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位。

②引脚功能说明。D7～D0：8位数字量输出，A/D转换结果;IN0～IN7：8路模拟电量输入，可以是：0～5V或-5V～+5V;+VREF：正极性参考电源;-VREF：负极性参考电源;START：启动A/D转换控制输入，高电平有效;CLK：外部输入的工作时钟，典型频率为500KHz;ALE：地址锁存控制输入，高电平开启接受3位地址码，低电平锁存地址;CBA：3位地址输入，其8个地址值分别选中8路输入模拟量IN0～IN7之一进行模数。C是高位地址，A是最低位地址;OE：数字量输出使能控制，输入高有效，输出A/D转换结果D7～D0;EOC：模数转换状态输出。当模数转换未完成时，EOC输出低电平;当模数转换完成时，EOC输出高电平;EOC输出信号可作为中断请求或查询控制;Vcc：芯片工作电源+5V;GND：芯片接地端。

③ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零;下跳沿时，开始进行A/D转换;转换期间ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束;否则表明正进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制3条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1，输出转换得到的数据;OE=0，输出数据呈高阻状态。D7～D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号须由外界提供，通常使用频率为500KHz。

2.4 过零触发电路

过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的间脉冲。可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生，更为详细的电路原理图如图1所示。图中，电压比较器LM311将50Hz正弦交流电压变为方波。方波的正边沿和负边沿分别作为2个单稳态触发器的输入触发信号，单稳态触发器输出的2个窄脉冲经二极管或门混合后即可得到对应于交流220V市电的过零同步脉冲。此脉冲一方面作为可控硅的出发同步脉冲加到温度控制电路，另一方面还作为计数脉冲加到单片机的P2.3/TCLK端。

单片机对温度的控制通过可控硅调功电路实现，双向可控硅和加热丝串接在交流220V，50Hz交流是电回路。在给定周期T内，单片机只要改变可控硅的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功率最大。可控硅接通时间可以通过可控硅门极上触发脉冲控制。该触发脉冲由单片机用软件在P1.3引脚上产生，经过零同步脉冲同步后再经光耦和驱动器输出送到可控硅的门极上。

2.4 外部硬件设备

外部硬件电路主要包括键盘和显示电路，在单片机应用系统中，键盘和显示器往往须同时使用，为节省I/O口线，可将键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。

整个系统也可划分为控制电路单片机单片机部分、加热电路温度检测元件部分和测量电路3部分。

3 温度控制系统的软件设计

在软件设计中，首先利用MCS-51语言设定初始化子程序，以便系统识别输入、输出端口及输出格式等，然后进行当前温度信息的检测，并通过调用通讯子程序把结果传递给远程单片机，然后进行读键，如果开始键按下，就要调用参数设置子程序，如果数据合格就进行监控操作，数据不合格就驱动加热器动作，控制温度的变换，如果开始键没按下就继续监控操作。主要包括主程序、中断服务程序和主要服务子程序3大部分。主程序是本系统的监控程序，用户可通过监控程序监控系统工作。在程序运行中，必须首先对系统初始化，为简化起见本程序只给出有关标志。大体说来，本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、8051本身的初始化、并行接口8155初始化、T0初始化、CPU开中断、温度显示和键盘扫描等程序。T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的触发脉冲等。同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8051利用等待T1溢出中断的空闲时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。8051从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序。主要服务子程序包括温度检测采样及数字滤波子程序、带符号双字节乘法子程序和标度转换。子程序目的是把实际采样取得的二进制值转换成BCD码形式的温度值，然后存放到显示缓冲区中，供显示子程序调用。

4 结论

本设计采用的单片机是作为现代工业中最常用的集成芯片，具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、易于推廣应用等显著优点，通过软件逻辑控制实现对温度的控制和调节。本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例。本设计中应用了许多单片机芯片和单片机常用的外部设备。单片机芯片如：ADC196，ADC0809，2732等。单片机外部设备如：温度检测元件热电偶，地址锁存器74LS373，电流/电压变送器，键盘和显示系统中的LCD显示器等。采用单片机控制可以提高温度的控制水平，减少引进设备的投资，为国家和企业贡献力量。

[参考文献]

[1]王连英.单片机原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

作者：蔡新梅

第5篇：润滑油调合温度控制系统改进及其应用

【摘 要】鉴于压力式温度计存在测温范围有限、热损失大、响应时间较慢、精度相对较低、毛细管传送距离有限制等状况，介绍了润滑油滨海分公司调合温度智能温度控制系统的改进，剖析了控制系统在在现场运行中出现的问题与原因，采用软件设计、硬件设计、技术指导、现场安装等实施步骤，优化了设备的实施方案，设计出稳定性好、可靠性高、精确度高、使用寿命长、测量范围宽等特点的温度控制系统，对润滑油调合温度控制起到改进的作用，同时做到提高劳动生产率，降低工人操作强度，有效规避质量风险，达到节能降耗的要求，在润滑油滨海分公司持续改进项目中发挥了更大优势。

【关键词】润滑油;调合;智能温度控制

引言

分公司对润滑油调合温度进行优化控制时，发现压力式温度计不仅存在测量误差较大的问题，而且读取表数需要操作人员攀爬到调合罐顶部进行取数，增加操作劳动强度。鉴于此，笔者介绍了运用智能温度控制仪能够将温度测量控制在一个稳定、准确的范围内，可以改进油品调合温度，提高精度，进行系统有效地现场运用。

1、原调合温度测量设备技术原理和存在的问题

压力式温度计的原理是基于密闭测温系统内蒸发液体的饱和蒸气压力和温度之间的变化关系，而进行温度测量的。当温包感受到温度变化时，密闭系统内饱和蒸气产生相应的压力，引起弹性元件曲率的变化，使其自由端产生位移，再由齿轮放大机构把位移变为指示值。

压力式温度计示值的最大允许误差与准确度等级之间的关系符合表1的规定。

目前调合油品测温使用的是准确度等级为2.5的压力式温度计，最大允许误差为±2.5℃，虽然调合温度能够控制在操作文件规定范围内，由于误差较大，对质量控制仍有可能存在一定的风险，同时对能源的使用不好控制，不能很好的达到节能降耗的效果。

2、智能温度控制系统设计和改进

2.1 提出方案并确定最佳方案

运用头脑风暴，从多个角度提出意见和观点，得出以下三种方案，方案一：选择K型热电阻、AT89C51单片机、AD590传感器、数码管、电阻、电容、晶振、5V蜂鸣器，小组人员进行硬件和软件的设计和安装;方案二：选择AT89C51单片机开发板，编制程序进行实验调试，验证后进行现场安装;方案三：选择PT100热电阻和智能温度控制仪表，进行软件和硬件的设计，现场进行安装调试，和现有设备数据进行比对。

方案一和方案二需要选择设备后进行焊接和调试，考虑到所需原器件较多，耗时较长，自行调试存在诸多困难，因此选用方案三，经过市场调研，方案三能够满足生产需要，且精度准确。

2.2 最优方案选择和分解

2.2.1 热电阻的选择

选择PT100热电阻，PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。表2为PT100铂电阻RT曲线图表[1]。

PT100热电阻的湿度与阻值变化关系，它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。

它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候它的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线[2]。

2.2.2 智能温度控制仪选择

选用XMT系列智能温度控制仪，此仪表采用单片机技术、多重数字滤波电路、抗干扰自动恢复系统、PID控制及自整定等先进技术，从而保证了仪表具有测控精度高(±0.5℃)、控温稳定性好、抗干扰能力强、操作简单等优点，性价比较高。

此温度控制仪表具有上限报警系统，超过温度设定报警点时有触点转换输出，同时报警灯亮，蜂鸣器自动启动。

3、方案实施

(1)根据油品性质和温度要求选择合适的热电阻，并根据调合罐体的位置定制传感器的尺寸，以便进行安装。同时选择适宜的智能温度控制仪和蜂鸣器。

(2)设备选型后将热电阻安装于罐体，输出采用三线制，进行引线并与控制室的智能温度控制仪进行接线，按照接线图做好控制电路的接线。

(3)根据以上软件和硬件的安装与控制，对调合油品温度进行采集，并与压力式温度计进行比对，同时用红外线温度计进行数据采集与比对。

4、应用效果验证

效果验证采取用压力式温度计、智能温度控制仪、紫外线温度计测量数据进行比对。选取一个月(30天)的数据作为比对。

由以上图表可以看出，压力式温度计、智能温度控制仪、紫外线温度计温度差值在1℃的差值范围内,数据符合操作文件要求。

5、结论

(1)安装油品调合温度自动显示系统，提高温度测量精度，保证油品质量和提高劳动生产率。智能温度控制仪能够直接在控制室读取表数，同时设有温度上限报警系统，相比于压力式温度计，不需要攀爬到调合罐顶进行数据读取，大大降低工人劳动强度，提高劳动生产率。2011年滨海分公司共调合油品569批次，每调合一批油品需要工人爬到罐顶5次，全年共计2845次，安装智能温度控制仪只需在控制室就能读取表数，节省了大量重复劳动。

(2)紧跟行业发展和技术进步，对系统所需元件以及技术进行了解，进行硬件的布置和软件的设计，并进行设备选型以及安装调试。运用智能控制仪表能够精确测量出油品调合温度，提高调合车间的劳动生产率，降低单位成本，力求做到小投入大产出。

参考文献

[1]王红萍.铂电阻温度传感器测温研究[J].抚顺石油学院学报,2003,23(2)：17-19.

[2]王芳.熱电阻式温度传感器的测温原理与应用[J].黑龙江冶金,2007(1)：33-35.

作者：杨海明

第6篇：基于PLC的温度控制系统设计与实现

摘要：针对锅炉温控系统响应慢、精度低的问题，文章基于PLC结合传统的PID控制，进一步引入模糊控制算法实现系统的总体设计。通过MATLAB仿真验证了系统具有较高的控制精度及抗干扰性。

关键词：温控系统;PID控制;模糊控制算法

1 引言

随着传感器技术和控制算法的发展，温度控制要求更高的精度和响应速度。温度控制广泛应用于各工业生产过程，通常采用PID控制方法，针对不同的控制对象选择不同的PID参数。模糊PID控制是一种模仿人类思维和经验的控制算法，稳定性高，且可应用于不同的控制对象。PLC控制与模糊控制算法的结合，是工业控制领域的研究热点之一[1]。

2 系统设计

2.1系统硬件

该系统由四个模块组成，即采集模块，控制模块，显示模块和执行模块。采集模块包含PT100温度传感器和变送器，温度传感器采集被测体的温度，转换成电信号，通过变送器将电信号转换成4～20mA标准电流信号。然后由PLC扩展模块EM235提供的模拟输入通道传给PLC，经PLC运算处理后，将控制量发送给加热及冷却装置来调节温度，同时通过PLC的文本显示屏来显示实时温度值。

2.2系统软件

软件部分基于S7-200 PLC平台编写程序，采用模糊PID算法进行温度控制，并在MATLAB平台上仿真实现。

3 模糊PID控制算法

CPU根据系统偏差(偏差=给定值-反馈值)和偏差变化率(偏差率=當前周期偏差-上周期偏差)查询相应的模糊控制表，得到Kp、Ki和Kd的设定值，然后进行PID控制。

模糊控制规则的形成来自操作员或专家的经验，他们将知识和经验的控制转化为控制决策表。这些规则可以用自然语言表达，通常只能形式化。模糊控制器用于模糊控制过程，系统偏差及偏差变化率作为模糊控制器的输入。该方法不仅可以保证系统的稳定性，还可以减少过冲和振荡现象。

PID控制对于线性时不变系统的控制是非常有效的，但对于非线性时变复杂系统来说控制效果不佳[2]。而模糊控制器可有效控制复杂或模型不清晰的系统。但模糊控制器缺少积分链接，很难完全消除系统静差，且在变量分类数量不足的情况下，经常在平衡点附近发现小的振荡[3]。本文结合这两种控制方法，建立一个兼具两者优点的模糊PID控制器。

4 软件设计

首先，温度控制系统的参数经过初始化，主要是设置控制温度和PID初始值，包括PID增益、积分时间，微分时间和采样时间的设置。然后，通过传感器在6400～320000范围内收集环境温度作为数字信号。由于模糊PID算法需要实际格式温度信号输入，因此在PID算法处理之前需要对温度信号进行A/D转换。采集的数字信号被转换成双整数信号，然后转换成实数。实际温度由温度计算公式计算并作为控制器输入信号，经模糊PID算法处理。输出控制量给热电阻和冷风机来调节箱体温度。

5 仿真验证

假设系统具有开环传递函数G(s)=1/S(2*S+5)，并在Matlab中建立模糊控制系统，如图1所示。此时，放大器增益=-1000，增益1=0.05，增益2=0.01。选择受控对象及其参考模型，我们可以得到如图2所示的仿真曲线。

6 结语

文中采用S7-200 PLC作为控制器，引入模糊PID控制算法，通过冷风机和热电阻作为执行器来控制箱体温度，并实时显示实际温度。系统控制具有精度高，稳定性强的特点，且不易受外界干扰，有一定应用前景。

参考文献：

[1]李雪，刘燕，朱二光等，智能温度模糊控制PID系统设计[J].信息记录材，，2018(11)：118-120.

[2]李旻，基于模糊PID的电烘箱温度控制系统设计与实现[J].机械制造与自动化，2018(5)：235-237.

[3]黄良沛，邹东，升陈磊等，一种模糊PID控制器的设计与仿真[J]. 机械工程师，2018(11)：7-9，13.

作者简介：单素素(1988-)，女，硕士研究生，山东协和学院助教，研究方向：计算机控制技术。

作者：单素素

第7篇：发酵罐温度控制系统的设计

计算机控制技术课程答辩论文

洛阳理工学院

计算机控制技术与应用课程设计

题 目：发酵培养基温度控制系统设计学生姓名：学 号：班 级：专 业：

I

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摘 要

本题要设计的是发酵培养基温度控制系统，发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响。因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。

本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。

本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。

关键词：温度控制,PID控制器,V/I转换,比较机构

1

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目录

前

言........................................................................................ 错误!未定义书签。

1.1.1 发酵培养基简介 3

1.1.2工艺背景：................................................................ 错误!未定义书签。 1.2温度对发酵的影响...................................................... 错误!未定义书签。

1.2.1温度影响微生物细胞生长................................. 错误!未定义书签。 1.2.2温度影响产物的生成量..................................... 错误!未定义书签。 1.2.3温度影响生物合成的方向................................. 错误!未定义书签。 1.2.4温度影响发酵液的物理性质............................. 错误!未定义书签。 1.3、影响发酵温度变化的因素：..................................... 错误!未定义书签。 1.4发酵热的测定................................................................ 错误!未定义书签。 1.5最适温度的选择与发酵温度的控制............................ 错误!未定义书签。

1.5.1温度的选择....................................................................................... VII 2 培养基温度控制系统的设计.................................................. 错误!未定义书签。

2.1总体设计方案.............................................................................................. VII 2.1.1 系统总框图...................................................................................... VII 2.2硬件设计................................................................................................... VIII 2.2.1温度采集电路.................................................................................. VIII 2.2.2 PLC与计算机的通信......................................................................... IX 2.3软件部分......................................................................................................... X 3总结........................................................................................................................ XIII 参考文献：............................................................................................................... XIII

- III

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1 工艺过程概述

1.1.1 发酵培养基

培养基(Medium)是供微生物、植物和动物组织生长和维持用的人工配制的养料，一般都含有水、氮源、无机盐(包括微量元素)、碳源、生长因子(维生素、氨基酸、碱基、抗菌素、色素、激素和血清等)等。

培养基由于配制的原料不同，使用要求不同，而贮存保管方面也稍有不同。一般培养基在受热、吸潮后，易被细菌污染或分解变质，因此一般培养基必须防潮、避光、阴凉处保存。对一些需严格灭菌的培养基(如组织培养基)，较长时间的贮存，必须放在3-6℃的冰箱内。由于液体培养基不易长期保管，均改制成粉末。 1.1.2工艺背景

啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品--啤酒。

啤酒发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。发酵过程中的温度的变化直接影响到啤酒质量和生产的效率。因此，对发酵过程中的温度进行控制显得十分重要。啤酒发酵的全过程分成多个阶段，各个阶段都有对应的温度曲线。为了使啤酒有更好的品质，需要让发酵罐的温度根据工艺温度曲线变化。

1.2温度对发酵的影响

温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制 除这些直接影响外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度。基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。

1.2.1温度影响微生物细胞生长

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随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。 1.2.2温度影响产物的生成量 1.2.3温度影响生物合成的方向 1.2.4温度影响发酵液的物理性质

温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生物的生物合成。 1.3影响发酵温度变化的因素：

发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。生物热主要是培养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为CO

2、NH3时释放出的大量能量。主要用于合成高能化合物，供微生物生命代谢活动及热能散发。菌体在生长繁殖过程中，释放出大量热量。

生物热的大小与菌种遗传特性、菌龄有关，还与营养基质有关。在相同条件下，培养基成分越丰富，产生的生物热也就越大。 1.4发酵热的测定

通过测量一定时间冷却水的流量和冷却水的进、出口温度，由下式计算出发酵热：

Q发酵=G.CW.(t2-t1)/V (1-1) 式中：G——冷却水的流量(kg/h);CW——水的比热[kJ/(kg•℃)]; t2 t1——分别为冷却水的进、出口温度(℃); V--发酵液的体积(m3)。

通过发酵罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置,测定温度随时间上升的速率，按下式计算发酵热：

Q发酵=(MlCl+M2c2).S (1-2) Ml一系统中发酵液的质量(kg);M2一发酵罐的质量(kg);

Cl—发酵液的比热[kJ/(kg•℃)];C2—发酵罐材料的比热[kJ/(kg•℃)); S—温度上升速率(℃/h)。 1.5最适温度的选择与发酵温度的控制

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1.5.1温度的选择

最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。

工业上使用大体积发酵罐的发酵过程，一般不须要加热，因为释放的发酵热常常超过微生物的最适培养温度，所以需要冷却的情况较多。

2发酵罐温度控制系统的设计

2.1总体设计方案

发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下段温度的方法，通过上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制，其原理图如图1所示。

发酵罐液氨进液氨出液氨罐图1 发酵罐控制过程原理图

2.1.1 系统总框图

设计在本设计中采用闭环控制系统，温度采集电路从发酵罐中采集温度，通过模拟量控制模块，把采集的模拟信号转换成对应的数值信号送入PLC中，与给1

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定的温度信号进行比较，经过PID运算后，通过输出差值信号来调节电磁阀的开关状态，从而来控制进入发酵罐冷却夹套中液氨的多少来调节发酵罐的温度。图2是发酵罐温度控制系统总框图。

变送器温度采集给定温度-调节器调节阀对象图2 发酵罐温度控制系统总框图

2.2硬件设计

2.2.1温度采集电路

图3是实际的测量电路。图中，AD581输出一个标准的+10V电压，RP1用于调零，RP2用于调满刻度。AD590输出电流在R1和RP1上产生压降，该电压经过运算放大(R2+RP2)/(R1+RP1)倍后输出。调整过程分别在0℃(冰水混合物中)和100℃(沸水中)两点温度进行，通过运算放大器A放大使输出灵敏度为100mV/℃， 即在0℃时， 调整RP1时输出0V，在100℃时，调整RP2使输出为10V。

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R1Pt-100RP11KR291K -15V-OP07++15VRP210KAD58136KR327KAD590Uo-15V图3 温度采集电路

2.2.2 PLC与计算机的通信

设计系统中，采用一台PC机和多台PLC组成控制系统，计算机实行图形显示数据处理打印报表以及中文显示等功能，PLC则执行控制功能。图4是FX2N PLC与计算机连接图。

TXD DTRRXD DSRRXD接收DSR对方就绪TXD发送DTR自己就绪PLC RTSCTS转换器RTS请求发送CTS允许发送计算机图4 PLC与计算机连接图

- IXX

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开始对计数器C0清零定时器定时，定时到自身清零，计数器加1计数器满否否是将发酵液输送到发酵罐中返回 图8 还原双乙酰阶段流程图

(3) 停留观察，温度保持在6℃，流程图如图9所示;具体停留观察阶段设定为10个小时，用于检测发酵液体内的化学物质含量，并将发酵液中的酵母排出。在没有到达停留观察阶段时，其PID输出值为零;

开始时间到否否PID 输出为零是PID 运算输出对发酵罐降温时间到(10小时)，停止PID 运算返回图9 停留观察阶段程序流程图 (4) 储酒阶段，将温度控制到-1℃，直到发酵周期结束，流程图如图10所示。

- XII

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12012(5)

第8篇：电炉温度的模糊控制

电阻炉温度控制系统设计

引言电加热炉是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数情况下可以满足系统性能要求，但其性能取决于参数的整定情况。且快速性和超调量之间存在矛盾，使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势，但其理论并不完善， 引言

电加热炉是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数情况下可以满足系统性能要求，但其性能取决于参数的整定情况。且快速性和超调量之间存在矛盾，使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势，但其理论并不完善，算法复杂，控制过程会存在稳态误差。

将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统，利用模糊控制规则自适应在线修改PID参数，构成模糊自整定：PID控制系统，借此提高其控制效果。 基于PID控制算法，以ADuC845单片机为主体，构成一个能处理较复杂数据和控制功能的智能控制器，使其既可作为独立的单片机控制系统，又可与微机配合构成两级控制系统。该控制器控制精度高，具有较高的灵活性和可靠性。

2 温度控制系统硬件设计

该系统设计的硬件设计主要由单片机主控、前向通道、后向通道、人机接口和接口扩展等模块组成，如图l所示。由图1可见，以内含C52兼容单片机的ADuC845为控制核心.配有640 KB的非易失RAM数据存储器、外扩键盘输人、320x240点阵的图形液晶显示器进行汉字、图形、曲线和数据显示，超温报警装置等外围电路;预留微型打印机接口，可以现场打印输出结果;预留RS232接口，能和PC机联机，将现场检测的数据传输至PC机来进一步处理、显示、打印和存档。

电阻炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后，由单片机内部A/D转换器将其转换成数字量。此数字量经数字滤波、误差校正、标度变换、线性拟合、查表等处理后。一方面将炉窑温度经人机面板上的LCD显示：另一方面将该温度值与被控制值(由键盘输入的设定温度值)比较，根据其偏差值的大小，提供给控制算法进行运算，最后输出移相控制脉冲，放大后触发可控硅导通(即控制电阻炉平均功率)。达到控制电炉温度的目的。如果实际测得的温度值超过了该系统所要求的温度范围，单片机就向报警装置发出指令，系统进行报警。

2.1 系统主控模块

系统主控模块电路如图2所示，它主要由CPU及数据存储器，晶体振荡器、复位电路、图形液晶显示器(LCD)及控制电路、微型打印机接口控制电路、实时日历时钟，热电偶信号处理电路等构成。这里，该系统设计可测量3点温度。传感器选择K型(镍铬-镍硅)热电偶，可用于从室温到1 200°C的温度测量，测量范围宽，精度高。在温度测量范围内K型热电偶的输出热电势只有0～45.119 mV，为了和ADuC845的A/D转换器相匹配，采用ACl226和1B51作为信号调理电路，由AC12

26、1B51构成热电偶冷端温度补偿及信号调理器电路。当热端距测温仪表较远时，需利用热电偶匹配导线将冷端延长。CD4051为多路模拟开关，由ABC控制接通，当5～3接通时，输入接地，UO输出UOmin，用于零点校准;当4～3接通时，单片机1.25 V稳定参考电压Uref，再经电阻R

1、R2分压，得到毫伏级参考输入电压，UO输出UOmax，用于增益校准;当2～

3、1～

3、12～3分别分时接通时，依次输入3个热电偶正常测温所得变换电压，UO从而输出3个温度点所对应的电压UOA，UOB，UOC。在HI端与+UISO端之间串上一只220 MΩ上拉电阻，一旦热电偶开路，HI端即被偏置为+UISO，迫使1B51的输出电压超量程，由此判定热电偶已开路。多路模拟开关和测量数据采集过程在单片机协调下工作，每次数据采集都进行自动判断和校准阁。

2.2 控制输出驱动电路

对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现，如图3所示。双向可控硅管和硅碳棒串接在交流220 V、50 Hz交流市电回路中，图3中只给出了A相。移相触发脉冲由ADuC845用软件在P1.3引脚上产生的，零同步脉冲同步后，经光耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极。过零同步脉冲由过零触发电路产生，利用同步变压器和电压比较器LM311组成正弦交流电的正半波过零检测电路，它在交流电每一个正半周的起始零点处产生上升沿.并在正半周回零处产生一个下降沿，电压比较器LM311用于把50 Hz正弦交流电压变成方波。方波的正边沿和负边沿分别作为两个单稳态触发器的输入触发信号，单稳态触发器输出的2个窄脉冲经二极管或门混合后通过可重复触发集成单稳态触发器MC14528，单稳态输出的两路窄脉冲再叠加，就可得到对应于交流市电的100 Hz过零同步脉冲。脉冲宽度可由MC14528的外接电阻R4和外接电容C

1、C2调节。此脉冲加到ADUC845的TO作为计数脉冲和INT1中断口触发INT1中断。可控硅的过流、过压保护采用一般阻容保护电路。R5是触发器输出限流电阻，R3用以消除漏电流，防止KP150的误触发。

3 温度控制系统软件设计 3.1 主程序及其功能

软件设计采用模块化设计原则。控制程序主要由测量采样操作，温度参数设置界面的显示，操作按键的管理，测量过程，数据算法处理，输出控制的处理及测量结果显示等模块组成。主模块是为其他模块构建整体框架及初始化工作。调用运算和显示构成一个无限循环圈，温控的所有功能都在该循环圈中周而复始有选择执行。除非掉电或复位，否则系统程序不会跳出该循环圈。因浮点数运算占用时间较多，应将其作为单独模块。控制算法模块包括：PID运算模块和PID参数自整定模块两部分，主要是相应控制算法的初始化及运算程序。数学运算模块主要包括诸如带符号浮点数求补运算、带符号浮点数乘法、无符号浮点数除法以及浮点数加减法等运算子程序，供其他模块根据算法的需要随时调用。显示设定和操作界面由菜单显示，用INTO中断完成。界面中用线框框起来的符号和汉字表示当前起作用的按键，用“上下左右”按键移动光标和改变数据，按下确认键后选中有效，开始执行所选功能，按下返回键就回到上一级界面(菜单)。数据的采集及预处理模块由TO计数定时产生中断，包括数字滤波、标度变换、显示刷新等部分，完成数据预处理及人机交互功能。过零同步由交流过零触发产生INT1中断，并确定移相顺序，触发T1定时，产生移相脉冲，控制输出。一旦中断，首先判断具体的中断源。若是定时中断，则调用相应的模块完成定时服务;若是人机面板的按键中断，则在识别按键后，进入散转程序，随之调用相应的键盘处理服务模块。无论是哪一个中断源产生中断，执行完相应的程序后均返回主模块，必要时修改显示内容，并开始下一轮循环。图4所示为系统软件主程序流程。