電子系統(tǒng)設(shè)計-溫度控制系統(tǒng)實驗報告

電子系統(tǒng)設(shè)計試驗報告溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計姓名：楊婷班級：信息21學(xué)校：西安交通高校問題重述本次試驗采納電橋電路、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)化器、單片機(jī)、限制通斷繼電器和燒水杯，實現(xiàn)了溫度限制系統(tǒng)的限制，達(dá)到的設(shè)計要求。設(shè)計制作要求如下：1、要求能夠測量的溫度范圍是環(huán)境溫度到100oC。2、以數(shù)字溫度表為準(zhǔn)，要求測量的溫度偏差最大為±1oC。能夠?qū)λ兴疁剡M(jìn)行限制，限制的溫度偏差最大為±2oC，即溫度波動不得超過2oC，測量的精度要高于限制的精度。4、限制對象為400W的電熱杯。5、執(zhí)行器件為繼電器，通過繼電器的通斷來進(jìn)行溫度的限制。6、測溫元件為鉑熱電阻Pt100傳感器。7、設(shè)計電路以及運(yùn)用單片機(jī)學(xué)習(xí)板編程實現(xiàn)這些要求，并能通過鍵盤置入預(yù)期溫度，通過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納單恒流源或鏡像恒流源方式，但是由于恒流源的電路較困難，且受電路電阻影響較大，使輸出電壓不穩(wěn)定。方案二是采納電橋方式，由電阻改變引起電橋電壓差的改變，電路結(jié)構(gòu)簡潔，且易實現(xiàn)。2、關(guān)于放大器的方案選擇方案一是采納減法器電路，但是會導(dǎo)致放大器的輸入電阻對電橋有影響，不利于電路的調(diào)整。方案二是采納儀表放大器電路，由于儀表放大器內(nèi)部的對稱，使電路影響較小，調(diào)整放大倍數(shù)使溫度從0到100度，對應(yīng)的電壓為0-5V。電路的設(shè)計1、電橋電路通過調(diào)整電位器R3使其放大器輸出端在0度的時候輸出為0實現(xiàn)調(diào)零，然后合理選擇R1、R2的阻值協(xié)作后面放大器的放大倍數(shù)實現(xiàn)熱電阻阻值向電壓值的轉(zhuǎn)化。通過調(diào)整電位器R3使其放大器輸出端在0度的時候輸出為0實現(xiàn)調(diào)零，然后合理選擇R1、R2的阻值協(xié)作后面放大器的放大倍數(shù)實現(xiàn)熱電阻阻值向電壓值的轉(zhuǎn)化。本次試驗中：R1=R2=10KΩ，R3為500Ω的變阻器。2、儀表放大器合理選擇R1、R2、R3、R4、R5、Rf，調(diào)整Rg可以實現(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=Rf/R3（2R1/Rg+1）△Vin。本試驗中：Rf=R3=R4=R5=10KΩ，R1=R2=10KΩ，Rg為500Ω的變阻器，這個電路放大倍數(shù)也許為128倍左右。3、TLC1549（10位）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）10位辨別率A/D轉(zhuǎn)換器，其引腳圖如下：TLC1549器件有兩個數(shù)字輸入和一個3態(tài)輸出、片選（CS），輸入輸出時鐘（I/O時鐘）和數(shù)據(jù)輸出（數(shù)據(jù)）的供應(yīng)三線接口，串口主機(jī)處理器。管腳說明:ANALOGIN(2):模擬信號輸入。外部驅(qū)動源的模擬,應(yīng)當(dāng)有一個十毫安電流實力。CS(5):芯片選擇。高向低過渡的重置內(nèi)部計數(shù)器和限制，使數(shù)據(jù)和I/O時鐘內(nèi)最大的一個設(shè)置時間加上兩個屬于邊緣內(nèi)部系統(tǒng)時鐘。低到高過渡禁用I/O時鐘設(shè)置時間內(nèi)下降的邊緣加兩個的內(nèi)部系統(tǒng)時鐘。DATAOUT(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，以有效的芯片選擇，數(shù)據(jù)是從高阻抗?fàn)顟B(tài)，并動相應(yīng)的邏輯電平的最高有效位從前的轉(zhuǎn)換結(jié)果。下一個下降沿的I/O時鐘驅(qū)動器DATAOUT的邏輯水平相應(yīng)的下一個最重要的一點(diǎn)，其余位轉(zhuǎn)移，以便與LSB的出現(xiàn)在第九個下降沿的I/O時鐘。十下降沿的I/O時鐘，數(shù)據(jù)驅(qū)動低邏輯電平的串行接口，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)某^10個時鐘產(chǎn)生的未運(yùn)用的零LSBs。GND(4):接地I/OCLOCK(7):輸入/輸出時鐘。I/O時鐘接收串行I/O時鐘輸入和執(zhí)行下列三個功能：在第三個下降沿的I/O時鐘，模擬輸入電壓起先充電電容陣列和接著這樣做，直到第十下降沿的I/O時鐘。其余九位前轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)上的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)讓限制轉(zhuǎn)換的內(nèi)部狀態(tài)限制器的下降沿十時鐘。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):正電源電壓4、單片機(jī)中的1602液晶顯示器其引腳圖如下：1602采納標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，運(yùn)用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平常選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平常選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平常進(jìn)行讀操作，低電平常進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平?？梢詫懭胫噶罨蛘唢@示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平?？梢宰x忙信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平?？梢詫懭霐?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常，液晶模塊執(zhí)行吩咐。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15～16腳：空腳。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點(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、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。1602液晶模塊內(nèi)部的限制器共有11條限制指令，如下表所示。它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）繼電器驅(qū)動電路、繼電器電路、燒水壺利用單片機(jī)輸出的限制信號（凹凸電平），通過繼電器驅(qū)動電路，限制繼電器的通斷時間比例，從而限制燒水的溫度。四、測試方案與測試結(jié)果1、試驗所需器件表電阻：10K/0.5w8個LM324四運(yùn)放集成芯片1個102電位器2個Pt100鉑熱電阻1個數(shù)字溫度計1個51單片機(jī)文具盒1個繼電器驅(qū)動電路1個繼電器電路1個燒水杯1個螺絲刀1把萬用表1個示波器1臺導(dǎo)線若干2、水溫限制測量調(diào)試方法通過鉑熱電阻Pt100將溫度改變轉(zhuǎn)換為電阻值的改變，再通過電橋間溫度改變轉(zhuǎn)換為電壓改變，之后通過儀表放大器將電壓放大肯定的倍數(shù)（128倍左右），使輸出電壓在0-5V，將輸出電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器（TLC1549）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（10位二進(jìn)制數(shù)）送入單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理并將其輸出至液晶顯示屏（1602LCD）上顯示。為限制水溫使之穩(wěn)定，我們引用了PID限制算法，通過PID值限制繼電器的占空比，繼電器連接著電熱杯的開關(guān)，所以可以使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。（1）PID限制算法：在測出目前水溫的前提下，采納PID限制算法，即比例微分積分限制算法，將測得的水溫與設(shè)定的溫度值做差，利用溫差做PID算法，產(chǎn)生限制信號，控制水的溫度。增量式PID算法如下：限制信號u=Kp*E(k)+Ki*[E(k)+E(k-1)+……+E(1)]+Kd*[E(k)-E(k-1)]限制信號增量△u=Kp*[E(k)-E(k-1)]+Ki*E(k)+Kd*[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]利用限制信號的增量不斷修改限制信號，實現(xiàn)對溫度的限制。這種增量式算法相比位置式算法，沒有積分項的長疊加，避開了隨著限制時間變長導(dǎo)致的計算時間增加的問題出現(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)來的信號是一個10位的二進(jìn)制數(shù)（0-1023）代表一個溫度為0oC-100oC的溫度，為了便利數(shù)據(jù)的處理，我們使0對應(yīng)0oC，1000對應(yīng)100oC，所以只須要對信號除以10即可得到溫度值，由于液晶顯示的時候只能一位位顯示，所以將信號的百、十、個位分別取出來放入數(shù)組中，便利液晶顯示輸出。（3）繼電器限制水溫的方法PID算法的輸出值這里設(shè)定為一個0-100的數(shù)字，不超過最大值100，超過使其等于100，然后利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器限制單片機(jī)的一個端口的通斷占空比，PID的限制量值越大，端口通的時間越長。將此端口與一個繼電器相連，限制繼電器的開斷，繼電器連接在燒水壺的電源線上，繼電器的開端比確定了燒水壺的通斷電時間比，從而限制了燒水壺的燒水功率。實現(xiàn)了對水溫的限制。（4）零度和滿度校準(zhǔn)的問題試驗中我們采納24度室溫柔65度高溫兩個溫度下校準(zhǔn)，低溫時調(diào)整電橋的電位器，高溫時調(diào)整放大器的電位器，在數(shù)字測溫計示數(shù)穩(wěn)定的前提下，將單片機(jī)的目前溫度與數(shù)字測溫計讀數(shù)調(diào)為一樣，反復(fù)調(diào)整幾次，即可達(dá)到最佳狀態(tài)。3、測試結(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)限制下燒水杯起先燒水，當(dāng)單片機(jī)的實測溫度低于設(shè)定溫度大約5度左右，即60度左右，繼電器起先通斷，并且隨著實測溫度的上升，繼電器的通斷比越來越小，最終溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度65度左右，達(dá)到的試驗要求。五、結(jié)束語