温度的测量与控制总结报告

温度的测量与控制总结报告作者：张永福、吴炜、李季红指导老师：周维龙、密茜一、设计要求：设计并制作一套能在30℃到80℃范围内实现温度测量与控制的电路系统。系统中采用20Ω/30W的空心瓷管电阻（或水泥电阻）做为电热元件，用直流稳压电源（30V/2A）做为供电电源，用PT100做为温度传感器。二、设计任务：基本要求：（1）设计一个温度测量电路，其输出电压能随电热元件温度的变化而变化；记录温度在30℃~60℃范围内每变化5℃对应的模拟电压值（填写表1）；（2）以数字方式显示温度值；（3）先将电热元件温度稳定地控制在40℃（保持至少一分钟）；然后快速升温到60℃并将温度稳定地控制在60℃（保持至少两分钟）；并分别用LED指示灯指示升温中、温度达到40℃和温度达到60℃。提高要求:（1）可以将电热元件温度稳定地控制在30℃~80℃之间的任一指定温度值，温度值可以设定；尽量减短升温时间，减小温度起伏；（2）从40℃升温到60℃的时间可以设置；并尽量保持匀速升温；（3）自由发挥。说明：（1）以具有测温功能的万用表做为标准温度计。（2）竞赛和测试都使用学生配给的一套设备。（3）竞赛系统和万用表的测温传感器可以贴近粘贴在电热元件上。（4）为缩短测试周期，正式测试前可风扇等强制降温方法，将电热元件的温度保持在较低温度的状态；尽量在两个升温过程中完成所有参数的测试，可以两组交替测试。三、总体思路：温度的测量和控制主要分为四个步骤进行：1.温度的采集：利用PT100对温度进行采集，通过采集电路，输出一个电压信号即温度采集信号。2.数据的处理：对采集到的电压信号，输入到G2553系统，通过AD转换及一定的换算公式，输出一个PWM控制信号。3.加热的控制：以达林顿管做开关管，采用PWM方式调节功率。把采集的数据经PID算法处理得到调整的PWM信号，通过光耦将控制电路与加热电路隔离，控制开关管导通占空比来控制加热功率。4.数据的显示：把处理的数据，通过1602显示出来。为方便对PID算法分析，采用串口线定时将采集的数据与调整的PWM传送到PC机，再用Excel生成图表直观分析。四、主要模块的设计思想：1.温度的采集：温度采集有很多种选择的方案，由于元器件原因，我们选的是利用铂热电阻9（PT100）来进行温度的采集。PT100两端因材料不同，在相同温度下，电阻值不同产生电势差，电势差通过放大器，就可以得到一个电压信号，这个电压信号即是温度的信号。把硬件电路焊好之后，打一瓶热水，利用两个万用表，一个测电压值，另一个和PT100放一起测温度，每隔一摄氏度就记录一次电压值。这样就完成了温度电压对照表，找出它们的对应关系。图1温度采集的原理电路图2.数据的处理：当被测物理量与传感器或仪表的输出之间呈线性关系时，采用线性变换。变换公式为式中：Y0—被测量量程的下限；Ym—被测量量程的上限；Y—标度变换后的数值；N0—Y0对应的A/D转换后的数字量；Nm—Ym对应的A/D转换后的数字量；X—Y所对应的A/D转换后的数字量；对采集到的温度和电压数据，进行一定的计算，找出电压温度的对应关系，通过AD转换，把采集电路的输出电压，转换成温度，然后为温度的控制及显示做好数据准备。并作出温度电压的对照表。0000()mmYYYYXNNN3.温度的控制：对于温度控制的电路，我们采用的是三极管驱动模式。设计思路：1）根据负载特性来选择驱动管根据设计要求，加热电源为30V/2A，则最大加热功率为60W，最大电流为2A，负载要求≥15Ω/60W。则驱动管的UCEO≥45V，ICM≥3A，可选TIP41(参数)（100V\6A\65W）。2）根据驱动管来设计前级放大电路。驱动管在深度饱和状态时，其电流放大倍数一般在10---20，这就要求前级的驱动电流≥200mA，对三极管的要求UCEO≥45V，ICM≥400mA，可选2SC1008(参数)。3）光耦的选型与设计选择光耦时主要考虑：开关速度（高速光耦或低速光耦），线性光耦与非线性光耦。常用的光耦型号如下：线性光耦（4脚）：PC817A/B/C、PC111、TLP521等；非线性光耦：4N25、4N26、4N35、4N36等；高速光耦：6N135、6N136、6N137等。除此外，还应考虑光耦的以下参数：发光二极管电流IF、光电三极管电流IC、三极管耐压UCEO、电流传输比IC/IF、隔离电压等。选择TLP521-1时（参数），对开关脉冲的要求：开关频率1KHz时，占空比10%--100%；开关频率100Hz时，占空比1%--100%。4）根据光耦的参数设计前级驱动电路三极管选S9013（参数），驱动电流约8mA。5）三极管的选型选择三极管时，主要考虑以下参数：集电极最大电流ICM、集电极最大耗散功率PCM、CE间击穿电压UCEO、电流放大系数（典型值）、最高工作频率等。当三极管工作在开关状态时，还应考虑：电流放大系数（最小值）、饱和压降UCE(sat)、UBE(sat)、电压转换速度等。R14.7K+5VR2510T1S9013IC1P521-1C1104R310KT22SC1008R45.1KT3TIP41R5150/5W+30V负载C2104图2加热控制电路图4.数据的显示：把温度采集到的电压信号和数据处理产生的温度通过1602显示出来，利用按键来设置加热温度的预设值也显示出来。采用串口线定时将采集的数据与调整的PWM传送到PC机，再用Excel生成图表直观分析。5.软件设计：由于MSP430G2553单片机IO较少，为实现所需功能，软件设计初期合理的规划十分重要，通过合理规划。管脚分配如下：图3管脚分配图软件设计上主要采用经典PID调节算法,使用TA1定时器每隔0.5S进一次中断，执行ADC采样、刷新1602显示。每隔5S计算一次PID数据，调节PWM输出并通过串口上传检测值与控制值到PC。程序流程图如下：开始程序初始化启动ADC、PWM输出待机模式每隔0.5sTA1中断在LCD上刷新显示电压、温度计时到5S？Y计算PID调节量调节PWM输出上传检测值、输出值到PC启动ADC采样N退出中断图4程序流程图五、系统调试结果：1.仿真设计与结果：使用proteus软件，对模拟电路部分仿真，对电路参数合理调整。LM324是通用四通道运放，电路设计上采用LM324的三个通道搭建仪表放大器，具有高输入阻抗，对PT100电桥电路影响小，精度高，放大倍数选定50位。经仿真分析，在30-60度范围内有较好的线性度，输出电压在0-2.5V之间，符合MSP430单片机内部AD2.5V基准电压范围。2.测量到的温度与电压对照表：通过用一杯热水与带测温功能的数字万用表为基准参考，对温度采集电路实测结果下。限于实验条件，记录的数据存在一定误差，可以看到实物和仿真结果相近，具有较好的线性度。表1温度——电压对照表温度实测电压仿真电压280.3690.33290.3920.4300.470.46310.540.52320.570.59350.7580.77360.8440.84411.1571.15431.2921.27441.3881.34461.5021.46501.7851.71511.8321.77531.951.89552.072.02572.182.14602.382.32图3温度——电压对照关系3、温度调整测试采用增量式PID算法控制，由于实物温度采集滞后性很大，PID参数整定效果尚不理想，存在较大的超调量。通过串口发回的数据用Excel表格建立图表如下：六、总结：在做温度测量与控制这个课题的开始，通过学习运放相关知识，再参照课件，发现课件中的电路图TL431精密稳压IC的外围电阻参数存在问题，通过计算选用合适的阻值，运放部分我参照相关资料重新设计为放大倍数50位的仪表放大器。在电桥电路部分，与PT100平衡的桥避我采用200欧电位器，实际制作时使用50欧定值加100欧电位器，实现电路在要求测温范围内输出电压可调节到AD基准电压内。PID算法方面，选用增量式，第一次使用PID算法，经验不足，加之加热实物的温度采集与水泥电阻内部温度存在很大的滞后性，PID参数整定不理想。