MCS51单片机温度控制系统设计与实现

本文介绍了一个基于MCS51单片机的温度控制系统，该系统采用热电阻作为温度检测元件，特别是Pt100热电阻，因其在40℃~90℃温控范围内具有较高的准确度和稳定性。系统中，热电阻通过桥路测量电路转化为电压信号，再通过低频增益可调放大电路进行放大。为了提高精度，使用了压控振荡器将电压信号转换为频率信号，然后通过FPGA测量脉冲宽度并由单片机进行PID运算。输出驱动电路采用了交流调功电路，通过调节双向晶闸管的开通和断开时间来控制加热负载的功率，实现温度控制。 1. 温度检测元件选择 - 热电偶、热电阻和热敏电阻是常见的温度检测元件。热电偶适合宽温域测量，但需要冷端补偿。热敏电阻灵敏度高但线性度差，不适合高精度需求。 Pt100热电阻在40℃~90℃范围内的非线性误差可通过零点和增益调整降至可接受范围，是合适的选择。 2. 放大电路 - 使用桥路测量电路确保输出电压与温度无关，通过调整调零电阻实现零点校准。低频增益可调放大电路（如图3所示）用于将微小电压信号放大，增益范围满足设计要求。 3. A/D转换 - 由于A/D转换的分辨率限制，系统采用压控振荡器将电压转换为频率，再通过计数器转化为数字信号，提高精度。FPGA用于测量脉冲宽度，单片机进行后续处理。 4. 控制器 - PID控制用于温度反馈偏差，FPGA负责实时信号处理，单片机负责数据处理、显示和PID计算。两者结合优化了响应速度和处理能力。 5. 输出驱动电路 - 交流调功电路（图5所示）通过双向晶闸管控制交流电源的通断，平滑调节负载功率，减少开关损耗。 6. 软件设计 - FPGA程序设计专注于测量压控振荡器的高脉宽，单片机程序设计包括数据接收、计算、显示和PID控制。PID算法采用增量形式，简化计算，同时利用最小二乘法进行非线性误差校正。 该系统通过合理选择温度检测元件和信号处理电路，实现了精确的温度控制。软件层面的优化进一步确保了系统的稳定性和控制精度。