大学生电子设计大赛设计报告

评阅成绩2012年湖南省大学生电子设计竞赛设计报告（题号：A）竞赛题名称：温度的测量和控制参赛队编号：16085评阅人签名：2012年8月27日竞赛题名称：温度测量和控制一．设计思路描述：（一）.系统及功能简介本设计是以MSP430为控制核心，基于PT100的温度测量系统设计。在本设计中，测温的模拟电路采用桥式电路测温的方法，把当前PT100热电阻传感器的电阻值转换为模拟电压量，对其输出的电压模拟值再用仪用放大器进行放大和滤波便得到一个相对稳定的电压模拟量，通过MSP430G2553内部自带的10位A/D转换器进行电压信号的采集并转化进行数字滤波，然后将结果送至LCD1602进行显示，显示温度切换可通过键盘设置。另外，本设计采用的是WZP型PT100的测量电路，使用10位A/D转换器以及运用PID算法使温控精度在23℃～80℃范围内达到±0.1℃。该系统的特点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围适中；使用对象广。（二）.方案论证与选择1.PT100测温电路设计选择方案一：设计一个恒流源通过Pt100热电阻，通过检测Pt100上电压的变化来换算出温度，但误差较大，且成本较高。方案二：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的（或两个恒定一个滑变），另一个用Pt100热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。而本设计考虑成本的问题，采用方案二。电路结构如下图1-1：A图单臂桥式B图恒流源式图1-2PWM控制电路图1-1两种测温结构电路(光耦隔离驱动电路)2．PWM波形电路设计选择方案一：考虑到大电流与小电流地的问题，采用继电器来控制功率晶体管从而进行隔离，此电路结构简单，易于搭建，但是速率较慢，波动比较大，且继电器是机械式的容易损坏。方案二：采用光电耦合器进行隔离，并应用普通三极管当做电子开关来控制功率晶体管进而对电阻的温度进行控制，效率高，且波动小。综合考虑采用方案二（如图1-2）。（三）.系统整体方案设计本系统主要包括温度信号采集单元，PWM控制及光耦隔离驱动单元，单片机数据处理单元，温度显示及键盘设置单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度信号获取电路（采样）、放大电路、A/D转换电路。系统的总结构框图如图1-3所示。图1-3系统的总结构框图二．硬件电路图：1．-5V精密辅助电源电路设计（如下图2-1）：2．信号调理电路（如下图2-2）：MSP430G2553单片机A/D转换信号放大电路调理PWM控制电路LCD1602显示电路独立按键控制电路T100温度传感器光耦隔离驱动电路3．PWM控制电路（光耦隔离驱动电路）（如图1-2）。三．算法数学描述：1.仪表运放INA128放大倍数G=1+50KΩ/RG=1+50/2.68=20，输出电压Vout1=G*（+Vin-（-Vin））。2.A/D转换Nout=1023*Vin2/VrefVin2=Vout1，Vref选择1.5V参考电压。3.温度控制部分PID算法差分方程：ΔUn=Un-Un-1=Kp[en-en-1+Ts*en/Ti+Td*(en-2en-1+en-2)]，Un为第n个采样时刻的控制量，Ts为采样周期。4.温度转换采用分段的方法，利用分度表进行离线的数学拟合，得到各段的数学模型系数:T1=1.6Nout/17+28.06，T2=16.1Nout/172+28.12,T3=6Nout/65+28.07。四．软件流程图：YNYN开始系统初始化温度动态显示设置参数LMP0设加温时间是否有键按下判断标志位外部中断温度处理与显示温度显示启动A/D转换设温PWM设置稳定与报警处理设PID参数是否有键按下判断标志位外部中断温度动态显示入口设置参数入口五．测试方法描述：根据题目的要求，首先将电桥进行调零，使运放的输出端为零，然后根据输出不同的PWM进行加热，等待其稳定后记录相应的A/D转换值，将测量范围分段，然后查出该段的数学模型的各个系数，然后计算出温度值，利用分度表进行离线的数学拟合，得到各段的数学模型系数。最后设定指定温度，进行加热，用带温度测量功能的万用表进行校验，观察其误差。六．测试数据：温度电压测试表温度℃3035404550556065707580电压mV40116193301348422498560639718797七．数据分析与结论：由于给电桥供电的电压源不是恒压源，故输出电压的变换不太稳定，造成数据的误差；系统输出纹波小，采用光电隔离的方式将大电流与小信号分离开并进行数字滤波。采样采用仪用放大器，有效地抑制了共模噪声，采样值相对精确。系统采用数字PID控制，造成相应的响应滞后，带来不稳定因素，但能够较精确的控制温度。参赛队编号：16085