閉環(huán)溫度控制系統(tǒng).doc

摘要 本文介紹了一種小型溫度測量與控制系統(tǒng)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的設(shè)定，也可以通過計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的串行通訊，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程中的交互式PID控制。該原理是用溫度傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過變送器使輸出電信號隨輸入溫度信號呈線性關(guān)系。之后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入PC機(jī)中，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差。對此偏差經(jīng)PID算法進(jìn)行修正，求得對應(yīng)的控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換來控制驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。本學(xué)期主要設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試直流穩(wěn)壓電源和變送器,了解信息測試、校準(zhǔn)和控制的過程,不僅提高了電子工程設(shè)計(jì)和實(shí)際操作方面的綜合能力,而且培養(yǎng)了研發(fā)工程項(xiàng)目中所具備的基本素質(zhì)和要求。目錄一、 課題背景3 二、 需求分析3三、 方案論證3 (一)穩(wěn)壓電源方案選擇3 (二)變送器方案選擇4四、 電路設(shè)計(jì)5(一) 直流穩(wěn)壓電源部分 1.工作原理5 2. Protel99 SE 自主繪制電路原理圖6 3.所需元件7 4.芯片介紹8 (二)變送器部分 1.工作原理9 2.所需元件11 3.芯片介紹11 4.參數(shù)計(jì)算13五、電路調(diào)試13六、故障分析17七、結(jié)果與收獲18八、致謝 19九、參考文獻(xiàn) 20一、 課題背景 第一階段我們主要解決閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源和變送器這兩部分。要求在工業(yè)生產(chǎn)中降低成本，降低材料、能源消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。二、 需求分析 穩(wěn)壓電源和變送器的功能和指標(biāo)如下:1. 溫度測量范圍: 0+1002. 溫度測量誤差: 不大于2(在次要求下盡量提高指標(biāo))3. 變送器輸出電壓: 05V4. 測量誤差: 滿刻度1%（0.05V或1 ）5. 要求線性規(guī)律控制電壓溫度6. 保證電路性能穩(wěn)定可靠,具有一定的抗干擾能力7. 注意各電路之間的可靠配合與保護(hù)問題(過流、斷路、過熱保護(hù))三、 方案論證 （一）穩(wěn)壓電源方案選擇 要求輸入9 V和14 V的交流電壓,輸出5 V和12 V的直流電壓。有兩種設(shè)計(jì)方案，分別是集成線性穩(wěn)壓電路和集成開關(guān)穩(wěn)壓電路。對于集成線性穩(wěn)壓電路,其紋波、噪聲小,效率低,有過流和短路保護(hù), 實(shí)現(xiàn)電路相對簡單,成本低。而集成開關(guān)穩(wěn)壓電路,雖然效率高,但是紋波、噪聲大,實(shí)現(xiàn)電路相對復(fù)雜,成本較高。交流供電電壓低，輸出功率較小。從實(shí)現(xiàn)電路簡單，低成本的角度考慮應(yīng)選擇集成線性穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)方案。 集成線性穩(wěn)壓電源電路框圖如下: 集成開關(guān)穩(wěn)壓電源電路框圖如下: （二）變送器方案選擇 變送器有三個選擇方案,分別是恒流補(bǔ)償變送器、恒壓補(bǔ)償變送器和反相加法平移變送器。鑒于后兩者電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,所 用器件較多,因此選擇恒流補(bǔ)償變送器。四、電路設(shè)計(jì)（一） 直流穩(wěn)壓電源1. 工作原理集成線性穩(wěn)壓電源的工作原理 2. Protel99 SE 自主繪制電路原理圖 3. 所需元件 芯片:LM 7805CT、LM7812CT、LM7912CT 各1片 整流橋：1A100V 2片 電解電容: 2200u/25V電解電容 2只 3300u/16V電解電容 1只 220u/16V 電解電容 3只 保險管：1A250V 3只配6只管座 接插件：DIP8 IC插座 3只 26線雙排插針 2排 線路板：1塊 其它：螺釘、導(dǎo)線、焊錫若干4. 芯片介紹LM7805CT芯片該芯片是單輸出型穩(wěn)壓器,其輸出電壓為+5V,常用于三端集成穩(wěn)壓電路。 LM7812CT功能介紹: 該芯片封裝圖與LM7805CT一樣,是三端集成穩(wěn)壓器,輸出電壓是+12V。 LM7912CT功能介紹: （二）變送器電路 1.工作原理選AD592做測溫傳感器。因?yàn)榧蓽囟葌鞲衅鰽D592具有價格低、精度高、線性好、防水、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。利用AD592設(shè)計(jì)的電路可以將溫度或溫差轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓，還可以將溫度轉(zhuǎn)換為4mA20mA的電流或相應(yīng)的數(shù)字信號，從而與DDZ-儀表或單片機(jī)相連組成溫度測控系統(tǒng)。此外,AD592 輸出電流與溫度成線性關(guān)系, 抗干擾能力強(qiáng)，精度滿足設(shè)計(jì)要求，響應(yīng)速度快，信號調(diào)理電路容易實(shí)現(xiàn)。AD592 特性分析 在溫度從0100范圍內(nèi)記錄流過AD592的電流,并根據(jù)流過它的電流,畫出溫度與電流的對應(yīng)關(guān)系。變送器特性分析要求溫度從0100范圍內(nèi)變化,變送器的輸出電壓須達(dá)到05V,并且溫度與電壓呈線性關(guān)系。我組采用恒流補(bǔ)償原理變送器,其原理圖如下:設(shè)置T = 0，調(diào)整VR1阻值，改變補(bǔ)償電流，使V0=0V設(shè)置T = 100，改變IV轉(zhuǎn)換電阻VR2阻值,使V0=5V 2.所需元件芯片: 雙極性運(yùn)算放大器OP07, 集成溫度傳感器AD592(實(shí)驗(yàn)臺自帶) 二極管: 1N4148 2個 , 9.1V 穩(wěn)壓管1個 固定電阻: 1K 3個 , 39K、47K各一個 滑動變阻器: 10K 2個 電容: 100uF電解電容1個,1000pF(102) 1個,0.1uF(104) 2個 3.芯片介紹(1)OP07芯片它是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。 OP07芯片特點(diǎn)： 超低偏移： 150V最大 低輸入偏置電流： 1.8nA 低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 超穩(wěn)定，時間： 2V/month最大高電源電壓范圍： 3V至22V 其引腳圖如下: (2)1N4148 二極管類型:小信號 電流, If 平均:150mA 電壓, Vrrm:100V 正向電壓 Vf 最大:1V 時間, trr 最大:4ns 電流, Ifs 最大:500mA 封裝形式:DO-35 針腳數(shù):2 外徑:1.85mm 外部長度/高度:4.25mm 4電路參數(shù)計(jì)算 恒流補(bǔ)償電路 提供 273uA 恒定補(bǔ)償電流 限流電阻 R1 取 39K，VR1 取 10K滑變。增益控制電路 控制輸出滿度電壓為 5V滿度輸入電流為 電阻 R3 取 47K，VR2 取 10K。 五、電路調(diào)試 (一)調(diào)試步驟 1. 電源板焊接完畢，對照原理圖認(rèn)真檢查一遍然后開始測試； 2. 測試時，電源板負(fù)責(zé)交流電源輸入的插座與調(diào)試臺標(biāo)有9V、14V的插座連接，另一端插座懸空；3. 連接完畢后，打開調(diào)試臺電源遠(yuǎn)離電源板12分鐘，觀察電路板有無異味或異常響動，如果一切正常可以開始進(jìn)一步的測試；4. 用數(shù)字多用表按電源板左插座直流電源引出定義，檢測+5V、+12V、-12V輸出；。 5. 若+5V、+12V、-12V輸出不正常，需要重新檢查有無錯焊、漏焊、虛焊，并重復(fù)2、3、4的步驟；6. 輸出正常的電源板，替換模板上的電源板后，若模板正常運(yùn)行，電源板的設(shè)計(jì)工作結(jié)束。否則，檢查電路板的左右插座有無虛焊、脫焊等問題；7. 電源板調(diào)試成功后,即可調(diào)試第二塊恒流補(bǔ)償變送器電路板；8. 無需拆電源板,直接將變送器電路板負(fù)責(zé)直流電源輸入的插座與調(diào)試臺標(biāo)有+5V、+12V、-12V的插座連接，另一端插座懸空；9. 重復(fù)步驟3；10.隨著溫度從0100范圍內(nèi)調(diào)節(jié),測試變送器輸出電壓是否從0+5V按線性規(guī)律變化。若滿度輸出電壓達(dá)不到+5V,則通過調(diào)節(jié)滑變VR1、VR2實(shí)現(xiàn),直到輸出達(dá)到要求為止。(二) 過程展示 直流穩(wěn)壓電源電路: 恒流補(bǔ)償變送器電路: 六、故障分析 常見故障主要有以下幾點(diǎn):1. 焊接問題，主要包含焊點(diǎn)不實(shí)，焊點(diǎn)相互接觸（短接），導(dǎo)線虛焊等問題。2. 在包線時容易將導(dǎo)線剪斷，我組曾多次遇到這種叫人撓頭的問題。3. 器件接反。電路中如二極管、電容等器件容易接反。電容反接或是耐壓不夠還有可能發(fā)生爆炸。（我們班有一組同學(xué)就遇到了這種情況）。在焊接時，我組也曾經(jīng)把電容反接，幸虧及時發(fā)現(xiàn)并更正。這種問題最好的解決方法就是安下心來多檢查幾遍電路,爭取一次焊對。要嚴(yán)重杜絕器件反接現(xiàn)象的發(fā)生。4. 器件選擇問題，器件選擇錯誤會影響電路工作性能指標(biāo)。5. 整流橋接錯或損壞,可導(dǎo)致嚴(yán)重后果, 造成無整流輸出或輸出不正常。6. 如果集成穩(wěn)壓電路引腳接錯或損壞,就會出現(xiàn)無穩(wěn)壓輸出或輸出不正常的現(xiàn)象。7. 集成穩(wěn)壓電源電路中,如果保險管損壞,則整流橋無輸入。8. 在恒流補(bǔ)償變送器電路中,若放大器增益控制的電阻過小,則輸出達(dá)不到滿刻度5V。9. 如果運(yùn)算放大器損壞,會使輸出不隨輸入變化;如果運(yùn)算放大器開環(huán),會使輸出接近正或負(fù)電源電壓。10. 如果保護(hù)電路限流電阻過大,那么會造成加載后輸出有明顯的衰減。11. 有的時候由于粗心大意會犯很低級的錯誤, 像運(yùn)算放大器電源漏 接,那肯定是沒有輸出的。再如接地保護(hù)9.1V穩(wěn)壓管漏接,那么輸出總是低于0.7V。 七、結(jié)論與收獲 本次實(shí)驗(yàn)相對比較簡單，我們在實(shí)驗(yàn)中并沒有遇到太多困難。但我們也總結(jié)了一些實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。如，在焊接時導(dǎo)線時，先給導(dǎo)線鍍錫是極為方便焊接的；包線時要選擇包線鉗合適的空洞；器件的排布在電路板焊接中十分重要，好的排布可以使焊接工作變得更加輕松，同時這也告訴了我們印刷電路板的便利性與必要性；Protel99 SE軟件的操作十分復(fù)雜，使用中需要十分細(xì)心，尤其是在導(dǎo)線的連接上要特別注意，連好的器件移動位置后不會造成斷路。此外想要把畫好的電路清晰地呈現(xiàn)在word文檔中也不是一件容易事。 總體來說,這次試驗(yàn)我組完成的比較成功。由于在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了良好的設(shè)計(jì)和在操作中反復(fù)檢查電路，使得我組的實(shí)驗(yàn)一次成功，并取得了比較理想的性能指標(biāo)。 溫度電壓關(guān)系表T/ 3 13 23 33 43 53 63 73