溫度傳感與溫度過程控制.doc

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1 前 言11 課題的背景與意義 在近四十年的時(shí)間里，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模集成電路這樣四個(gè)階段，尤其是隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的飛躍發(fā)展，七十年代初誕生了一代新型的電子計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)，使得計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣泛；而單片微型計(jì)算機(jī)的問世，則更進(jìn)一步推動(dòng)了這一發(fā)展趨勢(shì)，使計(jì)算機(jī)應(yīng)用滲透到各行各業(yè)，達(dá)到了前所未有的普及程度。一個(gè)由微電子技術(shù)為先導(dǎo)，計(jì)算機(jī)技術(shù)為標(biāo)志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多種學(xué)科在內(nèi)的新技術(shù)革命正在興起。 在國內(nèi)，由于單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性好、和價(jià)格低廉等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此，在智能儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)智能終端、家用電器、兒童玩具等許多方面，都已得到了很好的應(yīng)用，因而受到人們高度重視，取得了一系列科研成果，成為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造和新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機(jī)種，具有廣闊的發(fā)展前景。12 課題的應(yīng)用與展望 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測(cè)，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測(cè)，如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和控制。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。對(duì)于不同場(chǎng)所、不同工藝、所需溫度高低 范圍不同、精度不同，則采用的測(cè)溫元件、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對(duì)溫度的測(cè)控方法多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。目前, 單片微機(jī)已普遍地作用于生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制領(lǐng)域中。單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低廉、可用其構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的智能控制單元和可靠性高等特點(diǎn), 受到廣大工程技術(shù)人員的重視。溫度是生產(chǎn)過程中最常見的物理量, 許多生產(chǎn)過程是以溫度作為其被控參數(shù)的。因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。13 課題舉例簡介在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用MCS-51單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。下面介紹一種功能簡化后的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。假設(shè)某烘干道采用過熱蒸汽為熱源，蒸汽管道經(jīng)熱交換器加熱空氣并通過風(fēng)機(jī)向烘箱送熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)膠布（帶）的循環(huán)加熱，烘箱的溫度變化范圍為0120。根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)如下功能和指標(biāo)： 溫度給定值在85左右且現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)； 溫度控制誤差2； 實(shí)時(shí)顯示溫度值，保留1位小數(shù)；溫度超過給定值10時(shí)聲光報(bào)警； 控制參數(shù)可在線修改。2 總體方案 根據(jù)功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從元件級(jí)開始設(shè)計(jì)，選用MCS-51單片機(jī)為主控機(jī)。通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)烘箱溫度的測(cè)量和控制。21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，由溫度測(cè)量變換、測(cè)量放大、大功率運(yùn)放、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器、輸入光電隔離、驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤顯示、存儲(chǔ)器共同組成。在系統(tǒng)中，溫度和時(shí)間的設(shè)置、溫度值及誤差顯示、控制參數(shù)得設(shè)置、運(yùn)行、暫停及復(fù)位等功能由鍵盤及顯示電路完成。圖2-1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)方案原理示意圖傳感器把測(cè)量的烘箱溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入主機(jī)（單片機(jī)8031）。22 具體設(shè)計(jì)考慮1、由于溫度測(cè)量范圍為0120，控制精度也不高，可選用8路8位ADC0809作A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率可達(dá)0.5；為了方便操作，系統(tǒng)可不擴(kuò)展專用鍵盤，溫度給定輸入可用2位BCD碼撥盤開關(guān)置數(shù)；溫度顯示可用4位LED；為了實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)蒸汽流量控溫，可擴(kuò)展8位DAC0832作D/A轉(zhuǎn)換器。于是，單片機(jī)基本系統(tǒng)應(yīng)為：8031+2764+8255+ADC0809+DAC0832+4位LED。2、溫度測(cè)量可以選用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590，它的響應(yīng)速度快，與單片機(jī)接口簡單。其測(cè)溫范圍為-55+150，工作電壓430V，輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，即為1A/K。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可選用ZKZP-型線性電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，用它來調(diào)節(jié)通入烘箱的蒸汽流量。調(diào)節(jié)閥用D/A轉(zhuǎn)換器輸出的可調(diào)電流控制，0mA對(duì)應(yīng)閥門完全關(guān)閉，10mA對(duì)應(yīng)閥門全打開。 3、可采用帶死區(qū)的比例積分（PI）控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。烘箱溫度與給定值的偏差小時(shí)，調(diào)節(jié)閥不動(dòng)作，以減少閥的機(jī)械磨損；偏差較大時(shí)，經(jīng)PI算法運(yùn)算后，單片機(jī)通過D/A輸出控制信號(hào)控制閥門的開度，為了使控制參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)，可用3個(gè)電位器產(chǎn)生3路可調(diào)電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)PI算法的3個(gè)參數(shù)（比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)KI、控制周期Tc）在線整定。這種方法不僅可使參數(shù)調(diào)整方便，而且具有掉電保護(hù)功能。4、為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間進(jìn)行光電隔離。使電動(dòng)閥和單片機(jī)之間不共地。3 元器件簡介31 AT89C51單片機(jī)311 概述AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。312 主要特性AT89C51的主要特性如下：（1）壽命達(dá)1000寫/擦循環(huán)（2）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 （3）全靜態(tài)工作：0Hz24MHz （4）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定（5）1288位內(nèi)部RAM （6）32可編程I/O線 （7）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（8）6個(gè)中斷源（9）可編程串行通道（10）低功耗閑置和掉電模式（11）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路313 引腳功能AT89C51引腳排列如圖3-1所示，引腳功能如下：圖3-1 AT89C51的引腳排列 VCC（40）：5V GND（20）：接地 P0口（3932）：P0口為8位漏極開路雙向I/O口，每個(gè)引腳可吸收8個(gè)TTL門電流。 P1口（18）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個(gè)TTL門電流。 P2口（2128）：P2口為內(nèi)部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個(gè)TTL門電流。 P3口（1017）：P3口是8個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個(gè)TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。 RST（9）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持RST引腳2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG（30）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)，在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6，它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的，要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過1個(gè)ALE脈沖。 PSEN（29）：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取值期間，每個(gè)機(jī)器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這2次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP（31）：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，外部程序存儲(chǔ)器地址為（0000HFFFFH）不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出。 32 AD590溫度傳感器321 概述AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。實(shí)際上，中國也開發(fā)出了同類型的產(chǎn)品SG590。這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測(cè)量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性。即使電源在5-15V之間變化，其電流只是在1A以下作微小變化。AD590是電流型溫度傳感器，通過對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分檔，AD590后綴以I、J、K、L、M表示。AD590L、AD590M一般用于精密溫度測(cè)量電路，其電路外形如圖所示，它采用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V+，2腳為電流輸出端I0，3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號(hào)如圖3-2所示。322 主要特性圖3-2 AD590的外形電路圖及電路符號(hào)AD590的主要特性參數(shù)如下工作電壓：430V 工作溫度：-55+150 保存溫度：-65+175 正向電壓：+44V 反向電壓：-20V 焊接溫度（10秒）：300靈敏度：1A/K323 AD590工作原理在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和5-30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè)1K的恒值電阻，此電阻上流過的電流與被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有1mV/K的電壓信號(hào)。其基本電路如圖3-3所示。圖3是利用URE特性的集成PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但T3實(shí)質(zhì)上是由n個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結(jié)電壓URE3和URE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所以R上端電壓為URE。因此，電流II為：II=URE/