溫度的測量與控制(電子設(shè)計大賽培訓(xùn))

1、2022-4-221 溫度的測量與控制溫度的測量與控制 -湖南省大學(xué)生電子設(shè)計大賽試題（2012）懷化學(xué)院電子設(shè)計大賽培訓(xùn)內(nèi)容李曉帆 2013-07-192022-4-222基本情況介紹電子設(shè)計大賽的任務(wù)、要求和說明。 設(shè)計的基本依據(jù) 理解和分析 體現(xiàn)專業(yè)素養(yǎng)和能力2022-4-223任務(wù) 設(shè)計并制作一套能在3080范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度測量和控制的電路系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用20/30W的空心瓷管電阻（或水泥電阻）做為電熱元件，用直流穩(wěn)壓電源（30V/2A）做為供電電源，用PT100做為溫度傳感器。 2022-4-224基本要求（1）設(shè)計一個溫度測量電路，其輸出電壓能隨電熱元件溫度的變化而變化；記錄溫度在3

2、080范圍內(nèi)每變化5對應(yīng)的模擬電壓量（填寫表1）；（2）以數(shù)字方式顯示溫度值；（3）先將電熱元件穩(wěn)定地控制在40（保持至少1分鐘）；然后快速升溫至60，并將溫度穩(wěn)定地控制在60（保持至少2分鐘）；并分別用LED指示燈指示升溫中、溫度達到40和溫度達到60。2022-4-225發(fā)揮部分（1）可以將電熱元件溫度穩(wěn)定地控制在3080之間的任一指定溫度值，溫度值可以設(shè)定；盡量減短升溫時間，減小溫度起伏；（2）從40升溫至60的時間可設(shè)置，并盡量保持保持勻速升溫；（3）自由發(fā)揮。2022-4-226溫度電壓對照表溫度電壓V溫度電壓V2022-4-227說明1.以具有測溫功能的萬用表作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計。2.競

3、賽和測試都使用學(xué)生配給的儀器設(shè)備。3.競賽系統(tǒng)和萬用表的測溫傳感器可以貼近粘貼在電熱元件上。4.為縮短測試周期，正式測試前可用風(fēng)扇等強制降溫方法，將電熱元件的溫度保持在較低溫度的狀態(tài)；盡量在兩個升溫過程中完成所有參數(shù)的測試，可以兩組交替測試。2022-4-2282022-4-229分析 溫度范圍：3080 20/30W的空心瓷管電阻 ：加熱器（滑動變阻器） PT100：溫度傳感器 （了解PT100 ） 20/30W ，直流穩(wěn)壓電源（30V/2A）：控制部分電源30V，滑動變阻器20，電流為1.5A，最大電流2A 溫度的測量與控制：控制為閉環(huán)，測量（信號采集）數(shù)據(jù)分析與處理（微處理器）控制（執(zhí)行

4、）2022-4-2210PT100 PT100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0時它的阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。當(dāng)PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。 正溫度系數(shù) 溫度與阻值線性變化 精確測量需測定 注意電阻的變化范圍：100138.52022-4-2211分度表分度表溫度（ ）-50-40-30-20-10010203040506070阻值（）80.3184.2788.2292.1696.09100.00103.90107.79111.67115.541

5、19.40123.24127.08溫度（ ）8090100110120130140150160170180190200阻值（）130.90134.71138.51142.29146.07149.83153.58157.33161.05164.77168.48172.17175.86 鉑電阻元件有良好的長期穩(wěn)定性,例如CRZ-1632在0時的最大 溫度漂移僅為0.022022-4-2212應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 醫(yī)療、電機、工業(yè)、溫度計算、阻值計算等高精高精溫度設(shè)備，應(yīng)用范圍非常之廣泛。 常規(guī)產(chǎn)品的測試電流:Pt100為1mA, Pt1000為0.5mA,實際應(yīng)用時測試電流不應(yīng)超過允許值，例如Pt10

6、0當(dāng)測試電流為1mA時，溫升為0.05; 當(dāng)測試電流為5mA時，溫升為2.,并且自熱溫升的數(shù)據(jù)同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也有很大的關(guān)系，如保護 管的直徑，內(nèi)部填充物的種類，測試條件等。2022-4-22132022-4-2214要求分析o 設(shè)計一個溫度測量電路，其輸出電壓能隨電熱元件溫度的變化而變化；記錄溫度在3080范圍內(nèi)每變化5對應(yīng)的模擬電壓量 測量電路 在3080范圍內(nèi)每變化5對應(yīng)的模擬電壓量 PT100分度表： PT100非一致，有誤差，溫度電壓對照表 即分度表2022-4-2215o 以數(shù)字方式顯示溫度值 要求數(shù)字顯示，可考慮微處理器2022-4-2216o 先將電熱元件穩(wěn)定地控制在40（保持至少

7、1分鐘）；然后快速升溫至60，并將溫度穩(wěn)定地控制在60（保持至少2分鐘）；并分別用LED指示燈指示升溫中、溫度達到40和溫度達到60。 電熱元件穩(wěn)定地控制在40：控制，加熱（溫升），風(fēng)扇（溫降） 溫度為慢變信號 穩(wěn)定：選擇加熱和降溫方式 顯示3種狀態(tài)：升溫中，達到40和溫度達到60 快速升溫，保持至少1分鐘，保持至少2分鐘：控制方式 問題：控制對象是什么？空氣還是水？2022-4-2217o 可以將電熱元件溫度穩(wěn)定地控制在3080之間的任一指定溫度值，溫度值可以設(shè)定；盡量減短升溫時間，減小溫度起伏； 指定溫度：有設(shè)置功能 時間段，起伏?。嚎刂品绞?控制效果取決于：控制對象、控制方式、執(zhí)行單元2

8、022-4-2218o 從40升溫至60的時間可設(shè)置，并盡量保持保持勻速升溫； 時間設(shè)定：實時控制；控制對象、控制方式和執(zhí)行單元能匹配 沒定義控制對象2022-4-2219o 自由發(fā)揮 更多功能：界面控制，精度高，適應(yīng)性強（不同溫度傳感器、不同控制對象）等 切忌：畫蛇添足，考慮設(shè)計成本和系統(tǒng)復(fù)雜性 簡單，滿足要求2022-4-22202022-4-2221設(shè)計方案o 系統(tǒng)框圖2022-4-2222溫度測量（采集）u溫度測量與采集的方式多種。u惠斯頓電橋u學(xué)生設(shè)計方案1： 采用惠斯頓電橋電路，將Pt100 隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻值的變化轉(zhuǎn)變成微弱的電壓的變化再經(jīng)過差動放大電路后得到一個適合單片機

9、采集范圍的電壓，單片機根據(jù)采集的電壓值換算成對應(yīng)的溫度值，再與預(yù)設(shè)的溫度值進行比較，輸出控制信號通過驅(qū)動電路控制功率負(fù)載的加熱，從而達到溫度測量和控制的目的。2022-4-2223設(shè)計的框圖o 控制的方框圖預(yù)設(shè)溫度值采集當(dāng)前溫度與預(yù)設(shè)的溫度值比較產(chǎn)生控制信號（PWM）控制驅(qū)動電路空心瓷管溫度改變散熱怎樣采集當(dāng)前溫度，用什么電路實現(xiàn)呢？2022-4-2224溫度采集電路溫度采集電路o 采用惠斯頓電橋測溫電路，R1,R2，Pt100，R3構(gòu)成測量電橋并且用基準(zhǔn)源為壓塊驅(qū)動電橋(其中R1=R2，R3為100歐姆的精密電阻)當(dāng)Pt100 的電阻值和R3是的電阻值不相等時，電橋輸出一個毫伏級的壓差信號。

10、即將電阻的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化。2022-4-2225o溫度測量電路2022-4-2226差模放大電路差模放大電路o002022-4-2227推算o 放大倍數(shù)的計算： iR7=(u1-u2)/R7 uo1-uo2=iR7(R6+R7+R8) = (u1-u2)(R6+R7+R8)/R7 當(dāng)R9=R10,R11=R13時 uo=-R11/R9(uo1-uo2) =-R11/R9(u1-u2)(R6+R7+R8)/R7 所以得到輸出電壓uo正比于輸入電 壓(u1-u2)。2022-4-2228o INA128儀表放大器2022-4-2229單片機采集電壓單片機采集電壓ADC10CTL0 |= EN

11、C +ADC10SC+AD10ON; ADC10CTL1 = INCH0; _bis_SR_register(CPUOFF); AD=ADC10MEM;AD_temp=(int)(float)AD/1024)*3300); i+; sum_temp+=AD_tem; if(i=10000) i=0; v_temp=sum_temp/10000; 2022-4-2230ADC10.pdf2022-4-2231產(chǎn)生控制信號（產(chǎn)生控制信號（PWM波）波）int PID( int temp, int control)/temp是當(dāng)前溫度，control 設(shè)置溫度 float Kp=700; /比例系數(shù)

12、 float Ki=12; /積分系數(shù) float Kd=5; /微分系數(shù) ek=(control-temp); P=125-Kp*(ek-ek1)-Ki*Kd*(e2*ek1- k2)- 0.050*( control-300); ek2=ek1; ek1=ek; return P;2022-4-2232PID算法微分項的作用2022-4-2233PWM波的產(chǎn)生波的產(chǎn)生#include void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /StopWDTP1DIR |= 0 x01; / P1.0 outputCCTL1 = CCIE; / CCR1 inte

13、rrup enabledCCR1 = 50000; TACTL = TASSEL_2 + MC_2; /SMCLK,ContmodeBIS_SR(LPM0_bits + GIE); / LPM0 /interrupt#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR_interrupt void Timer_A(void) if(TA0IV) P1OUT = 0 x01; CCR1 = 50000; 2022-4-2234內(nèi)部電路2022-4-2235驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路的設(shè)計o MOSMOS管驅(qū)動電路：管驅(qū)動電路：空心瓷管接單片機pwm輸出2022-4-2236調(diào)試調(diào)試 程序在

14、編譯通過后不一定就能夠滿足本設(shè)計的預(yù)期要達到的目的，往往需要進一步更改或調(diào)整程序的某些參量值或代碼段已達到設(shè)計要求。 本設(shè)計需要調(diào)試的主要部分： 1、電橋的平衡，差模放大電路阻抗的匹配。 2、采集溫度的校準(zhǔn)。 3、PID算法調(diào)試。2022-4-2237PID參數(shù)的選擇2022-4-2238分析與理解惠斯頓電橋輸入電壓恒定考慮電阻的阻值不一致不完全的惠更斯電橋2022-4-2239 分析差模放大電路 分析差模放大電路與儀表放大器的電路 推導(dǎo)計算公式2022-4-2240 分析驅(qū)動電路 電路的設(shè)計值得商榷 考慮輸入電壓的范圍以及三極管的導(dǎo)通 采用達林頓管的電路 電路的基本功耗 是否考慮兩個電源的隔

15、離2022-4-22412022-4-2242o 學(xué)生設(shè)計方案2 采用惠斯頓電橋測溫電路，當(dāng)Pt100 的電阻值和R13是的電阻值不相等時，電橋輸出一個毫伏級的壓差信號，這壓差經(jīng)過差動放大電路放大到輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接通過Msp430g2553單片機內(nèi)部AD采樣，此方法誤差小，滿足精度要求，故采用此方案。 2022-4-2243系統(tǒng)框圖 Msp430單片機 系統(tǒng)LCD51100 鍵盤橋式電路儀表放大器PWM控制波形輸出Pt100溫度傳感器2022-4-2244信號采集與處理信號采集與處理 2022-4-2245電源濾波電源濾波 2022-4-2246功率控制功率控制 2022-

16、4-2247指示部分與電壓檢測指示部分與電壓檢測 指示電路電壓檢測電路2022-4-2248電橋關(guān)系式電橋關(guān)系式o 已知PT100允通電流5mA,取中間值2.5mA，選用5V的電源，則R4/R8=R5/R7=5V/2.5mA=2K,根據(jù)實際取R4、R5、R7、R8為4.7K。根據(jù)題目要求，溫度范圍30-80度和發(fā)揮部分，我們把溫度定在30-100度，再根據(jù)PT100分度表，PT100的電阻范圍大約為110到138ohm，所以R13取110ohm。 則電橋的輸出電壓和PT100電阻RL的關(guān)系為00RRRURRRUUiLLio2022-4-2249儀用放大部分 當(dāng)PT100為138ohm，時，電橋

17、輸出最大電壓為 單片機的采樣最高電壓為3.6V,所以后面的儀用放大器應(yīng)的放大倍數(shù)為 根據(jù)INA128的參數(shù)可得電阻R12的阻值為mvRRRURRRUUiLLiMAX4 .5300maxmax6853.4mv3600mvmaxMAXaduUUA7461685000012R2022-4-2250 溫度和PT100電阻值的關(guān)系可以通過資料得 將上式代入（1）式并代入數(shù)值可得一個最終公式)1090802. 31 (1003TRadadUUT39. 05 .111662246322908182022-4-2251軟件流程圖軟件流程圖2022-4-2252測試方法描述測試方法描述對儀用放大部分的測試把PT

18、100用一個200ohm的精密可調(diào)電阻代替，調(diào)節(jié)此電阻，使電橋輸出5mv、10mv、15mv50mv，并記錄數(shù)據(jù)。對總個系統(tǒng)的測試總個系統(tǒng)的測試要記錄AD采樣值與萬用表實測溫度，得到一個曲線圖，再和公式值去比較和修正。特別要注意的是溫度傳感器PT100和萬用表的傳感器有結(jié)構(gòu)的區(qū)別，倆個對溫度的反應(yīng)時間是不同的，一定要創(chuàng)造一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境使兩個傳感器核心溫度相同時，測得的數(shù)據(jù)才是有效的。2022-4-2253測試數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)o放大部分?jǐn)?shù)據(jù)放大部分?jǐn)?shù)據(jù)( (放大放大6868倍倍) )電橋輸出電壓（mv）5101520253035404550放大輸出（mv）34568810231361171020

19、382380272730653409理論值（mv）340680102013601700204023802720306034002022-4-2254o系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù) AD采樣（mv）626924112213191509170719112101229526932884307732753458公式溫度34.441.145.449.854.158.563.167.471.780.784.989.393.897.9修正公式溫度27.735.440.245.149.654.559.864.269.079.487.589.494.398.3實測溫度27.835.440.145.149.754.559.86

20、4.469.179.587.589.494.498.52022-4-2255數(shù)據(jù)分析與結(jié)論數(shù)據(jù)分析與結(jié)論 從放大部分所測得數(shù)據(jù)可以看出，放大部分基本和理論值相對應(yīng)，有些誤差可能的來源有：儀用放大器本身的誤差、人工測量誤差、萬用表的誤差等。 從總個系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)看，特別是看附表的曲線圖，實際和理論有比較大的誤差，這個是無法避免的，通過人為的修改后，取得了很好的效果。 總而言之，本系統(tǒng)實現(xiàn)了題目的基本要求的全部、發(fā)揮部分的大部！2022-4-2256附圖2022-4-22572022-4-2258學(xué)生設(shè)計方案3o 設(shè)計思路描述 本設(shè)計包括1mA恒流源電路、信號調(diào)理電路、MCU （MSP430G25

21、53）控制單元電路、加熱電路、LCD12864 液晶顯示電路、鍵盤矩陣電路。2022-4-22591mA恒流源電路2022-4-2260o 1mA恒流源電路：1mA恒流源電路由7809、7805、TL431、BSS138 （MOSFET）組成，負(fù)責(zé)驅(qū)動PT100，將PT100 的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。該恒流源能在電源或負(fù)載發(fā)生大范圍變化時，保持電流恒定不變。具有非常高的精度，完全能 勝任驅(qū)動PT100 的工作。2022-4-2261o 信號調(diào)理電路 信號調(diào)理電路由三片OP07CP精密運放構(gòu)成兩個射級跟隨器和一個差動放大器，射級跟隨器具有非常高的輸入電阻和非常小的輸出電阻，用以隔離PT100與

22、后級信號調(diào)理電路。差動放大器用以處理PT100 兩端的電壓，求出兩端對地的電壓差， 并將其放大十倍輸出，從而將PT100 的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。由于OP07CP 具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以，采用OP07CP 構(gòu)成的信號調(diào)理電路能夠完全對PT100 兩端的信號進行精密轉(zhuǎn)換。2022-4-2262加熱電路與過熱保護電路2022-4-2263o MCU 控制單元采用MSP430G2553 做為核心，由內(nèi)部的十位ADC 對信號調(diào)理電路輸出的信號進行采集，經(jīng)過數(shù)字濾波器等處理，將溫度值與電壓值送入LCD12864 顯示電路顯示。同時根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)改變送入加熱電路的PWM 的占空比，從而改變IR

23、F540 的導(dǎo)通量，即控制空心瓷管電阻的溫度。鍵盤矩陣為四線制的15按鍵矩陣，通過對15個按鍵進行二進制編碼，來實現(xiàn)按鍵輸入，按鍵用以輸入溫度設(shè)置等。LED溫度顯示電路對40C 和60C進行顯示。2022-4-2264算法數(shù)學(xué)描述o 系統(tǒng)初始化完成之后，控制按鍵調(diào)節(jié)PID 的初始值，同時開啟ADC10 采樣，將ADC10 采樣的值在PT100傳感器的分度表中進行查詢對照，得出兩個相鄰的溫度值，然后用比例法來確定其準(zhǔn)確的溫度值。 Tempreture= （Rx-R1）/(R2-R1)*1 (R2為較大電阻值) 2022-4-2265PIDo 將測得的溫度值反饋給PID，利用PID 自動控制輸出的

24、PWM 波來控制大功率空心瓷管電阻，從而使溫度達到設(shè)定的目標(biāo)值。 (E(t)為誤差，E(t-1)為上一次誤差，E(t-2)為上上次誤差，Kp 為比例系數(shù)，Ki 為積分系數(shù)，Kd 為微分系數(shù)。） 2022-4-2266算法數(shù)學(xué)描述及軟件設(shè)計要點1）軟件中我們使用了多個中斷，這樣有利于減少msp430 單片機系統(tǒng)的功耗及降低數(shù)字信號對模擬信號的干擾。例如鍵盤部分采用的是中斷法而非查詢法等等。 2）在單片機的控制部分，我們使用PID 來控制單片機信號的輸出，使單片機能夠更加智能化的輸出一個理想的信號。 3）在溫度顯示部分，我們將查詢法和比例法相結(jié)合，首先用查詢法將溫度值確定在兩個相鄰的溫度值之間，然

25、后根據(jù)溫度值在 1C 之內(nèi)是呈線性增長，我們就用比例法將較為精確的溫度值計算出來，最后將取得的溫度值在lcd12864 上顯示出來。 4）由于ADC10 采樣的電壓不可能是一個完全平穩(wěn)的直流電壓，所以在ADC10 采樣的時候必定會存在一定誤差，所以為減少誤差，我們在軟件里加入了數(shù)字一階低通濾波，這樣就可以將誤差控制在一定的范圍之內(nèi)，以達到更小的精度值。2022-4-2267測試方法描述4.1恒流源電路調(diào)試采用0.01精度的電阻箱調(diào)至100代替PT100，調(diào)整RP1使DZ1基準(zhǔn)端為2.5V，此時流過PT100的電流為1mA。大范圍改變電源電壓，保持電阻箱阻值不變，記錄TL431的基準(zhǔn)電壓，和恒流源電流值。大范圍改變電阻箱阻值，記錄恒流源電流值。4.2信號調(diào)理部分誤差調(diào)試，將調(diào)試好的恒流源和信號調(diào)理電路連接，仍然用電阻箱代替PT100，將電阻箱分別置于100、110、120、130。然后用萬用表測出電阻箱兩端的電壓，以及信號調(diào)理輸出的電壓，計算出對應(yīng)的誤差求出誤差平均值。4.3將調(diào)試好的恒