温度测量控制系统课程设计(张仁红)

1任务书一．课程设计内容设计题目：温度测量控制系统设计内容：1．设计一个独立的两路温度测量控制系统。2．温度控制在38℃--40℃之间,测温精度±0。1℃。3．要求显示测量的温度信号。二．课程设计应完成的工作1．设计文本不少于5000字；2．图纸：A3电路原理图一张。3．文本格式：（1）封面；（2）任务书；（3）摘要；（4）目录；（5）引言（绪论或前言）；（6）设计正文（选题背景、方案论证、设计过程，结果分析与仿真、总结）；（7）参考文献。三．课程设计进程安排序号课程设计各阶段名称日期、周次1查找资料，进行方案论证3.15~3.17第3周2输入电路的设计3.18~3.19第3周3控制单元和显示电路的设计3.22~3.24第4周4设计说明书的撰写3.25~3.26第4周四、设计资料及参考文献[1]孙梅生电子技术基础课程设计[M].高等教育出版社.1990年[2]江晓安模拟电子技术[M].西安:电子科技大学出版社.2007年[3]江晓安数字电子技术[M].西安:电子科技大学出版社.2008年[4]王毓银数字电路逻辑设计[M].北京:高等教育出版社1999年[5]李建忠单片机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社20052摘要本文采用了AD590作为温度传感器把热信号转变成电信号，电信号再经过放大，经过模数转换再输入到CPU。控制器采用PID控制算法，温度控制的原理是通过调整晶闸管的导通时间来调节加热主回路的有效电压,从而达到温度控制的目的。系统由AT89C51单片微机、温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统。系统控制程序采用模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。系统采用过零触发等技术，省去了传统的D/A转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。关键字：AT80C51、AD590、A/D0809、光耦合器件3目录任务书.........................................................1摘要..........................................................2目录··························································3引言..........................................................4一方案论证与比较..............................................51.0采用DSP控制的温度控制系统................................51.1采用单片控制的温度控制系统................................51.2方案比较.................................................61.3方案总结.................................................7二硬件电路···················································82.0温度传感器..............................................82.1模数转换器ADC0809.......................................92.2单片机控制核心部分······································102.3输出显示···············································112.4加热电路···············································122.5降温电路···············································13三软件编程....................................................14致谢···························································18参考文献.......................................................19附录...........................................................204引言电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，根式将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能。人们可以完成各种各样的控制。然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就是运用而生的内嵌微型计算机。它将微机的cpu，存储器，I/O接口、定时器/计数器等集成在一块芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。另外，单片机是依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，只能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求及其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化时人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产、生活。多点温度控制采用常用的AT89C51单片机进行设计，温度采集使用具有非常高的线性输出性能的DA590温度传感器，根据精度要求利用8为分辨率的ADC0809模数转换器。利用译码芯片MC14495外接LED显示器对温度信号进行显示输出。5一、方案论证比较1.0、采用DSP控制的温度控制系统方案设计流程图：本温控系统是将温度传感器DS18B20检测到的温度值与给定温度值进行比较，得出差值，然后通过模糊PID算法计算出控制量。该控制量控制DSP中PWM的输出，PWM的输出通过光电耦合器送至驱动电路控制热电模块的功率。在温控中采用两路PWM，经功率放大后分别控制制冷单元和加热单元。同时PC机上设计了用户操作界面，利用DSP的串行口与PC机进行串行通信，可以实现系统工作参数的设定和控制曲线的显示等任务。1.1、采用单片控制的温度控制系统方案流程图：1路信号2路DSP控制芯片（TPS320LF2407）键盘设定显示驱动电路温度采集制冷元件加热元件温控箱单片机AT98C51温度传感器运算放大器显示译码芯片MC14495A/D0809转换器外围温度信号温度控制模块（加热，制冷）6本文采用了AD590作为温度传感器把热信号转变成电信号，电信号再经过放大，经过模数转换再输入到CPU。由AT89C51单片微机、温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统。系统控制程序采用模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。系统采用过零触发等技术，省去了传统的D/A转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。1.2、方案比较目前看来，单片机比DSP应用范围更广，但是DSP比单片机功能更强大。单片机一般用于要求低的场合，如4/8位的单片机。DSP适合于要求较高的场合，DSP主要面向数字信号处理设计，而单片机主要面向系统控制应用设计。DSP是单片机的一个分支。它有专门的FFT算法需要的特殊指令，流水线指令处理。能以较高的速度进行运算。与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。下面是单片机与DSP的比较图。DSP单片机DSP的优势总线结构哈佛/改进型哈佛结构冯.诺依曼结构消除总瓶颈，运行速度更快乘加运算利用硬件乘法器，用单指实现多指令实现减少所需指令周期数7寻址方式利用硬件数据指针，实现逆序寻址普通寻址大大减少FFT运算寻址时间指令运行方式“流水线”方式，允许程序与数据存储器同时访问顺序运行在单条指令执行时间相同的情况下，大大提高运算速度指针配置专用运算器，复合指令可以在寄存器、运算单元处理变量的同时，使用指针访问数据存储器无复合指令功能采用并行方式，提高数据处理能力循环控制利用硬件循环控制结构，实现无消耗循环控制每次循环都将消耗机器时间较好解决了高速运行和精简程序的矛盾多处理系统提供具有很强同步机制的互锁指令无专用指令保证了高速运算中通信和结果的完整1.3、方案总结从单片机和DSP的比较来看，本设计采用了性价比较高的单片机作为控制核心。8二、硬件电路2.0、温度传感器温度传感器的非线性是影响测温精度的主要因素之一，模拟式测温仪表如增大量使用的XCZ动圈仪表，就因非线性难以得到校正而影响了精度。采用单片机进行测温时，必须首先了解温度传感器的工作原理及特性，才能发挥单片机的优势，用软件的方法对非线性进行补充。根据课题要求和查资料，我采用了AD590作为本课题的温度传感器。下面是对AD590性能的简单介绍：1、AD590的特征：1）、线性电流输出：1uA/K,正比于热力学温度。2)、测宽温度范围：-55····+150℃。3）、精度高：激光校准精度到℃5.0。4）、线性好：满量程范围℃3.0。5）、电源范围宽:+4····+30℃。6）、温度每增加1℃，它会增加1uA输出电流。其输出电流时以绝对零度（-273℃）为基准，每增加1uA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=273+25=298uA。基本电路图为：92、本设计的温度采集及放大部分为：电路分析：1）、AD590的输出电流I=（273+T）uA，因此测量的电压V=（273+T）uA×10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又不使输出电流I分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。2）、由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V。3）、接下来我们使用差动放大器输出V0为（100K/10）×（V2-V1）=T/10,如果现在为摄氏28℃，输入电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线性比例关系。2.1、模数转换器ADC0809A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。1、A/D转换器的主要技术指标1）、分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小