電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(共8頁(yè))

1、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)(shj)實(shí)驗(yàn)報(bào)告溫度(wnd)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓名(xngmng)：楊婷班級(jí)：信息21學(xué)校：西安交通大學(xué)問(wèn)題(wnt)重述本次試驗(yàn)采用電橋電路、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)化器、單片機(jī)、控制通斷繼電器和燒水杯，實(shí)現(xiàn)了溫度控制系統(tǒng)的控制，達(dá)到(d do)的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)制作(zhzu)要求如下： 1、要求能夠測(cè)量的溫度范圍是環(huán)境溫度到100oC。 2、以數(shù)字溫度表為準(zhǔn)，要求測(cè)量的溫度偏差最大為1oC。能夠?qū)λ兴疁剡M(jìn)行控制，控制的溫度偏差最大為2oC，即溫度波動(dòng)不得超過(guò)2oC，測(cè)量的精度要高于控制的精度。 4、控制對(duì)象為400W的電熱杯。 5、執(zhí)行器件為繼電器，通過(guò)繼電器的通斷來(lái)進(jìn)行溫度的控

2、制。 6、測(cè)溫元件為鉑熱電阻Pt100傳感器。7、設(shè)計(jì)電路以及使用單片機(jī)學(xué)習(xí)板編程實(shí)現(xiàn)這些要求，并能通過(guò)鍵盤置入預(yù)期溫度，通過(guò)LCD顯示出當(dāng)前溫度。二、方案論證1、關(guān)于R/V轉(zhuǎn)化的方案選擇 方案一是采用單恒流源或鏡像恒流源方式，但是由于恒流源的電路較復(fù)雜，且受電路電阻影響較大，使輸出電壓不穩(wěn)定。 方案二是采用電橋方式，由電阻變化引起電橋電壓差的變化，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易實(shí)現(xiàn)。2、關(guān)于放大器的方案選擇 方案一是采用減法器電路，但是會(huì)導(dǎo)致放大器的輸入電阻對(duì)電橋有影響，不利于電路的調(diào)節(jié)。方案二是采用儀表放大器電路，由于儀表放大器內(nèi)部的對(duì)稱，使電路影響較小，調(diào)整放大倍數(shù)使溫度從0到100度，對(duì)應(yīng)的電壓為

3、0-5V。電路的設(shè)計(jì)1、電橋電路 通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R3使其放大器輸出端在0度的時(shí)候輸出為0實(shí)現(xiàn)調(diào)零，然后合理選擇R1、R2的阻值配合后面放大器的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)熱電阻阻值向電壓值的轉(zhuǎn)化。 通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R3使其放大器輸出端在0度的時(shí)候輸出為0實(shí)現(xiàn)調(diào)零，然后合理選擇R1、R2的阻值配合后面放大器的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)熱電阻阻值向電壓值的轉(zhuǎn)化。本次實(shí)驗(yàn)中：R1=R2=10K，R3為500的變阻器。 2、儀表(ybio)放大器 合理選擇(xunz)R1、 R2 、R3、 R4、 R5、 Rf，調(diào)節(jié)Rg可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)可變的電壓差分放大。令R3=R4=R5=Rf，R1=R2，輸出端Vo與輸入電壓差值關(guān)系為 Vo=

4、Rf/R3（2R1/Rg+1）Vin。 本實(shí)驗(yàn)(shyn)中：Rf=R3=R4=R5=10K，R1=R2=10K，Rg為500的變阻器，這個(gè)電路放大倍數(shù)大概為128倍左右。3、TLC1549（10位）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）10位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，其引腳圖如下： TLC1549器件有兩個(gè)(lin )數(shù)字輸入和一個(gè)3態(tài)輸出、片選（CS ），輸入輸出時(shí)鐘（ I/O時(shí)鐘）和數(shù)據(jù)輸出（數(shù)據(jù)）的提供三線接口(ji ku)，串口主機(jī)處理器。管腳說(shuō)明(shumng):ANALOG IN(2):模擬信號(hào)輸入。外部驅(qū)動(dòng)源的模擬,應(yīng)該有一個(gè)十毫安電流能力。CS(5):芯片選擇。高向低過(guò)渡的重置內(nèi)部計(jì)數(shù)器和控制，

5、使數(shù)據(jù)和I/O時(shí)鐘內(nèi)最 大的一個(gè)設(shè)置時(shí)間加上兩個(gè)屬于邊緣內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘。低到高過(guò)渡禁用I/O 時(shí)鐘設(shè)置時(shí)間內(nèi)下降的邊緣加兩個(gè)的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘。DATA OUT(6):這3態(tài)串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是在高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)，以有效的芯片 選擇，數(shù)據(jù)是從高阻抗?fàn)顟B(tài)，并動(dòng)相應(yīng)的邏輯電平的最高有效位先前的轉(zhuǎn) 換結(jié)果。下一個(gè)下降沿的I/O 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器DATAOUT的邏輯水平相應(yīng)的下 一個(gè)最重要的一點(diǎn)，其余位轉(zhuǎn)移，以便與LSB的出現(xiàn)在第九個(gè)下降沿的 I/O時(shí)鐘。十下降沿的I/O時(shí)鐘，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)低邏輯電平的串行接口，使數(shù) 據(jù)傳輸?shù)某^(guò)10個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生的未使用的零LSBs。GND(4):接地I/O CLOCK(7):輸入/輸

6、出時(shí)鐘。 I/O時(shí)鐘接收串行I/O時(shí)鐘輸入和執(zhí)行下列三個(gè)功能： 在第三個(gè)下降沿的I/O時(shí)鐘，模擬輸入電壓開(kāi)始充電電容陣列和繼續(xù)這 樣做，直到第十下降沿的I/O時(shí)鐘。 其余九位前轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)上的數(shù)據(jù)。 轉(zhuǎn)讓控制轉(zhuǎn)換的內(nèi)部狀態(tài)控制器的下降沿十時(shí)鐘。REF+(1):上參考電壓值（標(biāo)稱虛擬通道連接）適用于參考+。最大輸入電壓范圍 為所確定的差別電壓適用于參考+和電壓適用于參考-。REF(3):較低的基準(zhǔn)電壓值（標(biāo)稱地面）適用于參考-。VCC (8):正電源(dinyun)電壓4、單片機(jī)中的1602液晶(yjng)顯示器其引腳圖如下(rxi)： 1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中： 第1腳：VSS為地電源。

7、第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí) 對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存 器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS 和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第1516腳：空腳。16

8、02液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。1602液晶模塊內(nèi)部(nib)的控制器共有11條控制指令，如下表所示。它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)(shxin)的。（說(shuō)明：1為高電平、0為低電平）繼電器驅(qū)動(dòng)(q dn)電路、繼電器電路、燒水壺利用單片機(jī)輸出的控制信號(hào)（高低電平），通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電路，控制繼電

9、器的通斷時(shí)間比例，從而控制燒水的溫度。四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、實(shí)驗(yàn)所需器件表電阻：10K/0.5w8個(gè)LM324四運(yùn)放集成芯片1個(gè)102電位器2個(gè)Pt100鉑熱電阻1個(gè)數(shù)字溫度計(jì)1個(gè)51單片機(jī)文具盒1個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)電路1個(gè)繼電器電路1個(gè)燒水杯1個(gè)螺絲刀1把萬(wàn)用表1個(gè)示波器1臺(tái)導(dǎo)線若干2、水溫控制測(cè)量調(diào)試方法 通過(guò)鉑熱電阻Pt100 將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再通過(guò)電橋間溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，之后通過(guò)儀表放大器將電壓放大一定的倍數(shù)（128倍左右），使輸出電壓在0-5 V，將輸出電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器（TLC1549）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（10位二進(jìn)制數(shù)）送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并將其輸

10、出至液晶顯示屏（1602LCD）上顯示。為控制水溫使之穩(wěn)定，我們引用了PID控制算法，通過(guò)PID值控制繼電器的占空比，繼電器連接著電熱杯的開(kāi)關(guān)，所以可以使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。（1）PID控制算法： 在測(cè)出目前(mqin)水溫的前提下，采用PID控制算法，即比例微分積分控制算法，將測(cè)得的水溫與設(shè)定的溫度值做差，利用溫差做PID算法，產(chǎn)生(chnshng)控制信號(hào)，控制水的溫度。增量(zn lin)式PID算法如下：控制信號(hào)u=Kp*E(k)+Ki*E(k)+E(k-1)+E(1)+Kd*E(k)-E(k-1)控制信號(hào)增量u=Kp*E(k)-E(k-1)+Ki*E(k)+Kd*E(k)-2E(k-1

11、)+E(k-2) 利用控制信號(hào)的增量不斷修改控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。這種增量式算法相比位置式算法，沒(méi)有積分項(xiàng)的長(zhǎng)疊加，避免了隨著控制時(shí)間變長(zhǎng)導(dǎo)致的計(jì)算時(shí)間增加的問(wèn)題出現(xiàn)。（2）關(guān)于AD轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)處理 由于A/D轉(zhuǎn)換送進(jìn)來(lái)的信號(hào)是一個(gè)10位的二進(jìn)制數(shù)（0-1023）代表一個(gè)溫度為0 oC -100 oC的溫度，為了方便數(shù)據(jù)的處理，我們使0對(duì)應(yīng)0 oC，1000對(duì)應(yīng)100oC，所以只需要對(duì)信號(hào)除以10即可得到溫度值，由于液晶顯示的時(shí)候只能一位位顯示，所以將信號(hào)的百、十、個(gè)位分別取出來(lái)放入數(shù)組中，方便液晶顯示輸出。 （3）繼電器控制水溫的方法 PID算法的輸出值這里設(shè)定為一個(gè)0-100的數(shù)字，不

12、超過(guò)最大值100，超過(guò)使其等于100，然后利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器控制單片機(jī)的一個(gè)端口的通斷占空比，PID的控制量值越大，端口通的時(shí)間越長(zhǎng)。將此端口與一個(gè)繼電器相連，控制繼電器的開(kāi)斷，繼電器連接在燒水壺的電源線上，繼電器的開(kāi)端比決定了燒水壺的通斷電時(shí)間比，從而控制了燒水壺的燒水功率。實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溫的控制。（4）零度和滿度校準(zhǔn)的問(wèn)題 實(shí)驗(yàn)中我們采用24度室溫和65度高溫兩個(gè)溫度下校準(zhǔn)，低溫時(shí)調(diào)整電橋的電位器，高溫時(shí)調(diào)整放大器的電位器，在數(shù)字測(cè)溫計(jì)示數(shù)穩(wěn)定的前提下，將單片機(jī)的目前溫度與數(shù)字測(cè)溫計(jì)讀數(shù)調(diào)為一致，反復(fù)調(diào)整幾次，即可達(dá)到最佳狀態(tài)。3、測(cè)試結(jié)果分析 在單片機(jī)鍵盤輸入設(shè)定溫度65度，在單片機(jī)控制下燒水杯開(kāi)始燒水，當(dāng)單片機(jī)的實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定溫度大約5度左右，即60度左右，繼電器開(kāi)始通斷，并且隨著實(shí)測(cè)(sh c)溫度的升高，繼電器的通斷比越來(lái)越小，最終溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度65度左右，達(dá)到(d do)的實(shí)驗(yàn)要求。五、結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)控制系統(tǒng)有了更加真實(shí)的體會(huì)(thu)，了解到要控制一個(gè)系統(tǒng)，并且達(dá)到一定的精度要求，要充分考慮到多個(gè)方面的影響因素，了解現(xiàn)有器材的缺陷，盡可能利用較小誤差的測(cè)量方法。另外，通過(guò)本次試驗(yàn)對(duì)于單片機(jī)液晶屏顯示的應(yīng)用，我也更加的熟悉單片機(jī)的原理和編程方法。最后，感謝老師的辛勤指導(dǎo)，我也深刻體會(huì)到自己通過(guò)理論與實(shí)際的結(jié)合，學(xué)到不少實(shí)際設(shè)計(jì)中的知識(shí)，但