温度控制系统计算机的控制课设要点.docx

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温度控制系统计算机的控制课设要点

中北大学

课程设计任务书

2012/2013学年第一学期

学院：

信息与通信工程学院

专业：

自动化

学生姓名：

学号：

09050542

课程设计题目：

温度程序控制系统设计

起迄日期:

2013年1月7日~2013年1月18日

课程设计地点:

中北大学

指导教师:

张艳兵张秀艳

系主任:

王忠庆

下达任务书日期:

2013年1月7日

课程设计任务书

1．设计目的：

设计一个计算机温度程序控制系统，可以对电阻炉的温度进行实时检测和控制。

通过设计，掌握数据采集系统、实时控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

（1）设计数据采集电路，对电阻炉的温度进行实时数据采集，要求温度的测量范围是：

0~200℃，精度为±1℃。

（2）设计控制和驱动电路，实现炉温的自动控制，使其最终稳定在150℃。

（3）选择控制算法，编写控制程序。

（4）写出设计说明书。

3.设计工作任务及工作量的要求（包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等）：

（1）查阅资料，确定设计方案

（2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图

（3）画出流程图，编写控制程序

（4）撰写课程设计说明书

课程设计任务书

4．主要参考文献：

1、李朝青.单片机原理及接口技术.北京：

北京航空航天大学出版社，2005

2、张艳兵、赵建华、鲜浩.计算机控制技术.北京：

国防工业出版社，2008

3、袁保生.Protel99SE电路设计实验指导.太原：

中北大学，2010

4、胡锦、蔡谷明、梁先宇.单片机技术使用教程.北京：

高等教育出版社，2003.

5、李勋.单片机实用教程.北京：

北京航空航天大学出版社，2000.

6、李晓莹.传感器与测试技术.北京：

高等教育出版社,2004.

5.设计成果形式及要求：

课程设计说明书1份

原理图和PCB图各1份

程序清单1份

6．工作计划及进度：

起迄日期

工作内容

2013年1月7日~1月8日

1月9日~1月11日

1月12日~1月14日

1月15日~1月16日

1月17日~1月18日

查阅资料，确定设计方案

设计硬件电路

画出流程图，编写控制程序

撰写课程设计说明书

课程设计答辩

系主任审查意见：

签字：

年月日

基于单片机的电炉温度检测、控制系统

摘要：

本文主要解决对电炉的温度进行实时检测和控制的问题。

采集电炉的温度，并控制在一定的温度。

一．原理

电炉温度控制系统是闭合的反馈系统。

温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统组成框图如图1所示。

被控制对象是大容量、大惯性的电炉温度对象，是典型的滞后环节，在这里近似为包含有纯滞后的一阶滞后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，

图1

温度控制系统结构图如下：

图2

二．硬件电路设计

1.传感器的选择

（1）铂金电阻Pt100具有高精度、高稳定、宽泛的工作温度范围。

测温范围为-200~850℃。

Pt100只需经适当的数据处理就可传输、显示并记录温度输出。

常温下，Pt100的热敏电阻阻值与温度成正比，设计时只需将已知电流通过热敏电阻就可得到与温度成正比的输出电压，再根据电阻-温度关系，计算出被测温度值。

（2）查询资料，XTR101是一款集成的电压/电流转换器，接收各类传感器传输的小信号，并转换成标准的4mA~20mA的二线制电流输出。

XTR101是以电流形式传输信号的，因此不受远距离传输线阻抗压降的影响，并对其他设备的噪声具有高抗干扰性。

它将热电偶信号（温度信号）变为4~20mA电流输出，再由高精密电流/电压变换器RCV420将4~20mA电流信号变为0~5V标准电压信号，以供A/D转换用。

XTR101转换温度信号的典型电路如下：

图3

（3）RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将4~20mA的环路电流变为0~5V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。

除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。

对环路电流由很好的变换能力。

RCV420工作电路如下：

图4

2.A/D转换电路

1）ADC0809芯片：

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

（1）ADC0809的内部逻辑结构

 由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图5

（2）ADC0809引脚结构

ADC0809各脚功能如下：

D7-D0：

8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：

8位模拟量输入引脚。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

地。

REF（+）：

参考电压正端。

REF（-）：

参考电压负端。

START：

A/D转换启动信号输入端。

ALE：

地址锁存允许信号输入端。

（以上两种信号用于启动A/D转换）.

EOC：

转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。

OE：

输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：

时钟信号输入端（一般为500KHz）。

A、B、C：

地址输入线。

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。

A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。

VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

3.D/A转换电路

1）DAC0832芯片：

DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。

所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图：

图6

D/A转换结果采用电流形式输出。

若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。

运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。

DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。

2）DAC0832引脚功能说明：

DI0~DI7：

数据输入线，TLL电平。

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。

CS：

片选信号输入线，低电平有效。

WR1：

为输入寄存器的写选通信号。

XFER：

数据传送控制信号输入线，低电平有效。

WR2：

为DAC寄存器写选通输入线。

Iout1:

电流输出线。

当输入全为1时Iout1最大。

Iout2:

电流输出线。

其值与Iout1之和为一常数。

Rfb:

反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.

Vcc:

电源输入线  （+5v~+15v）

Vref:

基准电压输入线  （-10v~+10v）

AGND:

模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.

DGND:

数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.

采用ADC0809实现A/D转换。

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。

如图4-82所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。

运算放大器输出的模拟量V0为：

图7

由上式可见，输出的模拟量与输入的数字量（）成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。

一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。

输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。

图4-83是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。

图8

DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。

实验线路如图4-84所示。

图9

4.TL494芯片

TL494根据输入的电压大小，通过调节占空比，输出不同的PWM波形。

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它主要为开关电源电路而设计。

其主要电路图如下：

图10

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的电阻RT和电容CT来进行调节，其振荡频率为：

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。

功率输出管Q1和Q2受或非门控制，仅当双稳触发器的时钟信号为低电平时才工作，亦即锯齿波电压大于控制信号期间工作。

因此，当控制信号增大时，输出的脉冲宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区电压比较器，一路送往误差放大器输入端。

死区电压比较器具有120mv的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%。

当输出控制端接地，最大输出占空比为96%，接参考电压时，占空比为48%。

当把死区时间控制输入端接上固定电压（范围在0~3.3V之间）时，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度比较器为误差放大器调节输出宽度提供了一种手段。

当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比下降到0。

两个误差放大器有相同的电压输入范围，从-0.3到VCC-2，这可被用于检测电源的输出电压和电流。

误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行或运算。

使用这种结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

当电容CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。

若输出控制端连接到参考电压源，那么脉冲交替输至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的频率的一半。

如果工作在单端状态，且最大占空比为50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1和Q2取得，输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。

在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需要将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器，此状态下，输出频率等于振荡器的频率。

TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流。

在典型的0~70℃温度条件下，该基准电源能提供±5%的精确度。

5.MOC3041的选择。

为了实现水温的PID控制，功率放大电路的输出不能是一个简单的开关量，输入电炉的加热功率必须连续可调；通过输出不同占空比的方波，控制光耦MOC3041的开关时间，这样就可以控制电炉的加热时间。

图11

三．电路

四．程序代码

1）A/D