溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、一概述溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為一電加熱爐，輸入為加在電阻絲兩斷的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。輸入和輸出的傳遞函數(shù)為：G(s)=2/(s(s+1)。控溫范圍為100500，利用PID控制算法進(jìn)行溫度控制。二溫度控制系統(tǒng)的組成框圖采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，組成部分見下圖。其中數(shù)字控制器的功能由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。圖1.1溫度控制系統(tǒng)的組成框圖三溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述圖1.2溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中由420

2、mA變送器，I/V，A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集爐內(nèi)的溫度信號(hào)。其中，變送器選用XTR101，它將熱電偶信號(hào)（溫度信號(hào)）變?yōu)?20mA電流輸出，再由高精密電流/電壓變換器RCV420將420mA電流信號(hào)變?yōu)?5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，以供A/D轉(zhuǎn)換用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入AT89C51單片機(jī)中與與爐溫的給定值進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際爐溫和給定爐溫的偏差，其偏差被PID程序計(jì)算出輸出控制量。由AT89C51輸出電信號(hào)送至SCR觸發(fā)電路，觸發(fā)晶閘管并改變其導(dǎo)通角大小，從而控制電加熱爐的加熱電壓，起到調(diào)溫的作用。四溫度控制系統(tǒng)硬件與其詳細(xì)功能介紹1. AT89C51介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍

3、可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。2.SCR觸發(fā)回路和主回路圖2.1 SCR觸發(fā)回路和主回路如圖所示為一晶閘管觸發(fā)電路。包括脈沖觸發(fā)器（單穩(wěn)態(tài)電路，由IC1和IC2組成），控制門，光電耦合器4N25

4、，放大器和雙向晶閘管。由全波整流電路得到的同步電壓使晶體管BG1每半波導(dǎo)通一次。當(dāng)控制端為“1”高電平的時(shí)候，BG1的每次導(dǎo)通都會(huì)經(jīng)由單穩(wěn)電路由IC2輸出一個(gè)負(fù)脈沖，該脈沖經(jīng)IC3反向后由光電耦合器和放大電路發(fā)大后觸發(fā)晶閘管，在這一半周內(nèi)晶閘管基本上處于全導(dǎo)通狀態(tài)。若控制端為“0”低電平的時(shí)候，則單穩(wěn)態(tài)電路不輸出脈沖，在這一半周內(nèi)晶閘管也不導(dǎo)通。因此，可以改變控制端的電平，控制單穩(wěn)態(tài)電路每秒輸出的脈沖數(shù)，從而改變晶閘管每秒鐘內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間，達(dá)到調(diào)壓的目的。3.熱電偶的選擇熱電偶是常用的測(cè)溫元件，它利用不同材料的導(dǎo)體一端緊密連接在一起產(chǎn)生的熱電勢(shì)效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電勢(shì)信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用K型熱電偶鎳

5、絡(luò)-鎳硅，對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，參比端溫度為20。由以下公式可以計(jì)算出K型熱電偶分別在100，200，300，400，500時(shí)候的輸出電勢(shì)：E(100,20)=E(100,0)-E(20,0)=4.096mV-0.798 mV=3.298 mVE(200,20)=E(200,0)-E(20,0)=8.138mV-0.798 mV=7.34 mV E(300,20)=E(300,0)-E(20,0)=12.209mV-0.798 mV=11.411 mV E(400,20)=E(400,0)-E(20,0)=16.397mV-0.798 mV=15.599 mV E(500,20)=E(500,0)-

6、E(20,0)=20.644mV-0.798 mV=19.846 mV4.I/V轉(zhuǎn)換器RCV420RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將420mA的環(huán)路電流變?yōu)?5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電源。對(duì)環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25+85和070的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓1mA，總的變換誤差0.1%，電源電壓范圍518V。5.420mA變送器XTR101XTR101為420mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測(cè)溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測(cè)溫范圍，在-40+85的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不

7、超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓2.5mV，輸入失調(diào)電流20nA。XTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝。6.定A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的CMOS型8位28條引腳A/D轉(zhuǎn)換器。采用逐次逼近技術(shù)，輸出的數(shù)字信號(hào)由TTL三態(tài)緩沖器順序控制，可以直接與數(shù)據(jù)總線相連。分辨率為8位，精度為7位，時(shí)鐘頻率范圍在101280kHz之間，單一+5V電源供電，數(shù)據(jù)具有三態(tài)輸出能力，易于和微處理器相連。7.LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片ICM7218AICM7218是一種多功能LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，能驅(qū)動(dòng)8位共陽或者共陰數(shù)碼管，且輸出可以直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。

8、其內(nèi)部主要由控制器，8*8靜態(tài)RAM，BCS譯碼，B碼和顯示字段譯碼器，掃描振蕩控制電路和顯示驅(qū)動(dòng)器等組成。ICM7218的外引線有寫入控制線2條：WR和MODE；數(shù)據(jù)線8條：ID0ID7;LED顯示驅(qū)動(dòng)線16條；電源線2條。WR為寫選通信號(hào)，低電平有效。MODE為寫入控制字的寫入顯示數(shù)據(jù)控制線，當(dāng)MODE=1時(shí)，寫控制字；當(dāng)MODE=0是，寫數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)這次課程設(shè)計(jì)，遇到了很多方面的問題，在老師的輔導(dǎo)，同學(xué)的幫助下，很好的解決了這些問題。第一次學(xué)會(huì)了很多新的東西。這些東西不僅僅只是知識(shí)方面的，也有能力方面的提高了自己查閱各種資料，分析和解決問題的能力以及一種實(shí)事求是的精神。這份設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：

9、SCR觸發(fā)回路的設(shè)計(jì)，很大程度上減少了諧波對(duì)系統(tǒng)的干擾；變送器XTR101和I/V轉(zhuǎn)換器RCV420的配合，可以使得最后的信號(hào)可遠(yuǎn)傳；K型熱電偶鎳絡(luò)-鎳硅的選擇，線性度好，使得測(cè)量結(jié)果精確。單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄（一）設(shè)計(jì)任務(wù)與要求；1（二）設(shè)計(jì)方案1（三）硬件設(shè)計(jì)6（四）軟件設(shè)計(jì)7（五）調(diào)試過程10（六）小結(jié)11（七）參考資料11（一）設(shè)計(jì)任務(wù)與要求；溫度控制實(shí)驗(yàn)掌握ADC0809的使用方法。掌握通過8255A并行口傳輸數(shù)據(jù)的方法，以控制發(fā)光二極管的亮與滅以及數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。了解集成溫度傳感器AD590的工作原理和應(yīng)用，熟悉小信號(hào)放大器的工作原理和零點(diǎn)、增益的調(diào)整方法，了解微機(jī)對(duì)溫度采樣

10、控制的基本方法。編制程序，利用ADC0809將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過8255A并行口傳輸數(shù)據(jù)的方法，通過數(shù)碼管顯示出來，并根據(jù)溫度的高低控制發(fā)光二極管的亮與滅。設(shè)定單點(diǎn)溫度控制點(diǎn)為30C，當(dāng)小于30C時(shí)，L1指示燈亮，模擬電熱器加熱；當(dāng)大于30C時(shí)L1滅，L2亮，模擬關(guān)掉電熱器。（二）設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)思路： 本文介紹一種性能可靠、功能齊全、穩(wěn)定性好的溫度控制器，溫度顯示采用數(shù)碼管，帶動(dòng)發(fā)光二極管進(jìn)行顯示。設(shè)定30 C為溫度控制點(diǎn)，溫度小于30 C，實(shí)驗(yàn)箱上L1燈亮；大于30 C，L1滅、L2亮。 設(shè)計(jì)電路先使用AD590溫度傳感器來獲取溫度。AD590溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、穩(wěn)定性好

11、、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，是電流輸出型溫度傳感器。AD590傳感器輸出信號(hào)通過10K電阻取出的電壓信號(hào)，經(jīng)零點(diǎn)調(diào)整，小信號(hào)放大后，輸出的電壓信號(hào)VT，供ADC0809采樣用。將AD590采集到的溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。再通過8255A并行口傳輸數(shù)據(jù)，顯示七段LED數(shù)碼管顯示以及發(fā)光二極管的亮與滅。各使用到的芯片及其作用：AD590 由于科學(xué)研究、工業(yè)和家用電器等方面對(duì)測(cè)溫和溫控的需要,各種新型的集成電路溫度傳感器不斷被研制出來,AD590 便是其中之一。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。AD590 可直接輸出與熱力學(xué)溫度成比例的電流信號(hào),在輸出端

12、串聯(lián)一個(gè)電阻則轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。 圖2-1 AD590 的外形電路圖 圖2-2 集成溫度傳感器電路符號(hào) 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)特性分擋,AD590 的后綴以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1 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2-2 所示。AD590 的主特性參數(shù)如下:工作電壓:430V;工作溫度: - 55 + 150 ;保存溫度: - 65 + 175 ;正向電壓: +

13、 44V;反向電壓: - 20V;焊接溫度(10 秒) :300 ;靈敏度:1A/ K。 圖2-3感溫部分的核心電路 圖2-4 AD590 的內(nèi)部電路 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。 圖中的T1T4相當(dāng)于圖3 中的T1、T2 , 而T9 , T11 相當(dāng)于圖3 中的T3、T4。R5、R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻,供出廠前調(diào)整之用。T7、T8 , T10 為對(duì)稱的Wilson 電路,用來提高阻抗。T5、T1

14、2 和T10 為啟動(dòng)電路,其中T5 為恒定偏置二極管。T6 可用來防止電源反接時(shí)損壞電路, 同時(shí)也可使左右兩支路對(duì)稱。R1 ,R2 為發(fā)射極反饋電阻,可用于進(jìn)一步提高阻抗。T1T4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接方式。而C1 和R4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使得T9 , T10 , T11 三者的發(fā)射極電流相等,并同為整個(gè)電路總電流I 的1/ 3。T9 和T11 的發(fā)射結(jié)面積比為8 :1 ,T10 和T11 的發(fā)射結(jié)面積相等。T9 和T11 的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻R5 和R6 上,因此可以寫出:UBE = (R6 - 2 R5) I / 3R6 上只有T9 的發(fā)射極電流,而R5

15、 上除了來自T10 的發(fā)射極電流外, 還有來自T11 的發(fā)射極電流,所以R5 上的壓降是R5 的2/ 3。162 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)表2-5 AD590溫度與有關(guān)參數(shù)一覽表溫度AD590電流經(jīng)10K電壓零點(diǎn)調(diào)整后電壓放大5倍后電壓VTADC數(shù)字量0273.2A2.732V0.0V0V00H10283.2A2.832V0.1V0.5V1AH20293.2A2.932V0.2V1V33H30303.2A3.032V0.3V1.5V4DH40313.2A3.132V0.4V2V66H50323.2A3.232V0.5V2.5V80H60333.2A3.332V0.6V3V99H70343.2A3.4

16、32V0.7V3.5VB3H80353.2A3.532V0.8V4VCCH90363.2A3.632V0.9V4.5VE6H100373.2A3.732V1V5VFFH ADC0809 ADC0809是CMOS8位A/D轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。芯片內(nèi)有一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)比較器、一個(gè)帶有樹狀模擬開關(guān)的256R分壓器和一個(gè)逐次逼近的寄存器，其內(nèi)部邏輯框圖如圖2- 所示。ADC0809有8路模擬量輸入通道。ALE為地址鎖存信號(hào)，高電平有效時(shí)，ADDCADDA被鎖存，從而可通過對(duì)ADDC、ADDB、ADDA 3端輸入的地址譯碼，選通8路模擬量輸入（IN0IN7）的任意一路進(jìn)入片內(nèi)，進(jìn)

17、行A/D轉(zhuǎn)換。 圖2-6 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖2-7 ADC0809引腳圖引腳說明及工作時(shí)序VCC ,GND :電源和地IN0IN7 :8 路模擬量的輸入端,當(dāng)模擬量的變化頻率很高時(shí),需進(jìn)行采樣保持后再接入輸入端; ADDA、ADDB、ADDD : 輸入地址選擇端, 當(dāng)(ADDC、ADDB、ADDA) 從000 變化到111 時(shí),分別選擇IN0 到IN7 通道進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換; START:為A/ D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào),啟動(dòng)脈沖的上升沿將所有內(nèi)部寄存器清零,下降沿開始轉(zhuǎn)換; AL E:地址鎖存允許信號(hào), 上升沿將輸入地址(ADDC、ADDB、ADDA) 鎖存,確定相應(yīng)的模擬通道以便進(jìn)行A

18、/ D 轉(zhuǎn)換;OE:數(shù)據(jù)輸出允許端,高電平時(shí)打開片內(nèi)的三態(tài)鎖存緩沖器,將輸出寄存器(存放著A/ D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果)的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上;EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),高電平有效,在START 信號(hào)上升沿之后08 個(gè)周期內(nèi)變?yōu)榈碗娖?轉(zhuǎn)換結(jié)束變?yōu)楦唠娖?可用作查詢或中斷信號(hào)用;CL K:時(shí)鐘信號(hào), ADC0809 工作頻率f 不大于640kHz , 一般利用擴(kuò)展槽上的CLOCK 信號(hào)(4. 77MHz) 8 分頻得到的596kHz 信號(hào)。 樹狀開關(guān)和256R分壓器組成一個(gè)基本D/A轉(zhuǎn)換器。當(dāng)給ADC0809一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)（START）后，通過控制與時(shí)序電路以及逐次逼近寄存器，采用逐步逼近的方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

19、ADC0809的START是A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效，EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平有效，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢，EOC的高電平可用作中斷請(qǐng)求信號(hào)。ADC0809轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過三態(tài)緩沖器輸出，當(dāng)輸出允許OE=1時(shí)，打開三態(tài)輸出門輸出數(shù)字量。 圖2-8 地址碼與輸入通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系 圖2-9 ADC0809時(shí)序圖8255A 8255A是Intel系列的并行接口芯片，由于它是可編程的，可以通過軟件來設(shè)置芯片的工作方式，用其連接外部設(shè)備時(shí)，通常不需要再附加外部電路，給使用帶來極大的方便。因此，常用它作為微型計(jì)算機(jī)與其它外設(shè)之間的接口。可由程序來改變其功能，通用性強(qiáng)、使用靈活。通過8255A，CPU可

20、直接同外設(shè)相連接，是應(yīng)用最廣的并行I/O接口芯片。 8255A是一個(gè)具有兩個(gè)8位（A口和B口）和兩個(gè)4位（口分高低位）并行/O端口的接口芯片，它在Intel系列CPU與外設(shè)之間提供與TTL 電平兼容的接口，適應(yīng)多種數(shù)據(jù)傳送方式（如無條件傳送、查詢傳送和中斷傳送）的要求。與此相應(yīng)，8255A設(shè)置了方式0、方式1和方式2（雙向傳送）三種工作方式。用戶可根據(jù)外設(shè)條件，通過向8255A寫入工作方式控制字來靈活構(gòu)成多種接口電路。 通信方式0是一種基本的輸入輸出方式,該方式適用于較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合,這種場(chǎng)合可以不使用聯(lián)絡(luò)線。該方式的特點(diǎn)是:輸出有鎖存,而輸入不被鎖存,而且方式0是單向的I/O,即一次初始化指定了輸入或輸出,不能再改變;如果改變,則必須重新初始化。不能指定同一端口同時(shí)既為輸入又為輸出。 通信方式1是選通輸入/輸出方式。在這種方式中,A口和B口用于輸入/輸出的