294901634549021西安电子科技大学05级课程设计《恒温自动电路控制系统》.docx

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294901634549021西安电子科技大学05级课程设计《恒温自动电路控制系统》

恒温控制电路设计

一．概述：

本设计的主要内容是用单片机系统进行温度实时采集与控制。

温度信号由AD590K和温度／电压转换电路提供，对AD590K进行了精度优于正负0.1°C的非线性补偿，温度实时控制采用分段非线性和积分分离PI算法，其分段点是设定温度的函数。

控制输出来用脉冲移相触发可控硅来调节加热丝有效功率。

系统具备较高的测量精度和控制精度。

二．实施方案：

本题目是设计制作一个恒温箱控制系统，为测量和温度调节方便，内加2L纯净水，加热器为100W电炉。

要求能在40度到100度范围内设定控制水温，静态控制精度为0.2°C，并具有较好的快速性与较小的超调．含有十进制数码管显示、温度曲线打印等功能。

关键词：

非线性补偿：

大多数被测参数与显示值之间呈现非线性关系，为了消除非线性误差，必须在仪表中加入非线性补偿电路。

常用的方法有：

模拟式非线性补偿法、非线性数模转换补偿法、数字式非线性补偿法等。

分段非线性：

由于热敏电阻的阻值与温度之间的关系存在着非线性，需通过计算机进行非线性改正，消除非线性的影响。

为克服非线性的影响，采用分段线性法补偿。

如果该温度计的测量范围为5℃至45℃，将整个温度测量范围等分为10个小区间，每4度为一个区间，在每个区间内温度与频率的关系可视为线性。

过零检测光耦：

过零检测光藕就是在交流电网过零检测光藕.在电网过零时干扰最小,不会影响模拟测量的结果，这种光耦是在直流电时导通的.它的前级结构是二极管。

热惯性：

系统在升温过程中，加热器温度总是高于被控对象温度，在达到设定值后，即使减小或切断加热功率，加热器存储的热量在一定时间内仍然会使系统升温，降温有类似的反向过程，这称之为系统的热惯性。

超调：

系统在达到设定值后一般并不能立即稳定在设定值，而是超过设定值后经一定的过渡过程才重新稳定。

传感器滞后是指由于传感器本身热传导特性或是由于传感器安装位置的原因，使传感器测量到的温度比系统实际的温度在时间上滞后，系统达到设定值后调节器无法立即作出反应，产生超调。

三．主要元器件介绍：

1.8098单片机

简介：

80年代中期，单片机的应用进入了16位单片机的时代。

Intel公司继MCS-51单片机之后，于1983年推出16位单片机8098，1988年年底Intel公司推出了具有8位机价格16位机性能的8098单片机，从而使MCS-96系列单片机的应用有了飞跃性的突破。

在此基础上，Intel公司又推出了性能更强的CMOS芯片80C196/80C198，它们除保留了8096BH/8098的功能外，还增加了许多内部功能和指令功能，且速度相当于9096BH/8098的两倍，使其在高层次的应用中有很大的前景。

引脚图如下：

主要引脚功能如下：

。

Vcc——主电源（+5V）。

。

Vss——数字地（0V），有两个Vss，须同时接地。

。

Vpd——RAM备用电源（+5V）。

正常操作期间，此电源必须接通。

在掉电情况下，当Vcc尚未降至RAM所需规范电压值以下时（Vpd正常供电），RESET信号有效，则片内寄存器顶部的16个字节内容得以维持不变，在掉电期间RESET必须保持低电平，直至Vcc恢复正常且振荡器达到稳定时为止。

。

Vref——片内A/D的参考电压（+5V），同时也是A/D模拟部分的电源电压及读P0所用逻辑电路的供电电压。

。

ANGND——A/D的模拟地，通常应与Vss保持同电位。

。

Vpp——片内EPROM的编程电压针对8795BH而言。

。

STAL1——片内反相振荡器的输出，也是片内时钟发生器的输入，通常接外部晶体。

。

STAL2——片内反相振荡器的输出，通常接外部晶体。

。

RESET——复位信号输入，低电平有效，两个状态周期以上的低电平输入可使芯片复位。

RESET再变为高电平时（高电平持续时间大于10个状态周期）可产生10个周期的内部复位序列。

。

EA——存储器选择输入端。

当EA=0时，CPU对外部存储器操作，当EA=1时，CPU对片内存储器（EPROM/ROM）的2000H––3FFFH单元操作，地址在4000H以后，访问外部存储器，此引脚内部有下拉作用，若引脚无驱动，它总保持低电平。

。

ALE/ADV——地址锁存允许或地址输出有效（由芯片控制器CCR选择）。

当ALE为高电平时，表示地址/数据总线上传送的是存储器地址，ALE下降沿将地址锁存到地址锁存到地址锁存器中。

。

RD——外部存储器读信号，输出低电平有效。

。

WR——外部存储器写信号，输出低电平有效。

。

READY——准备就绪信号（输入）。

它用来延长对外部存储器的访问周期，以便与慢速存储器或动态存储器接口。

它也可用于总线共享，总线周期最多可延长至1μs。

通过CCR寄存器可控制插入总线周期中的状态数。

该引脚内部有微弱的上位作用，在无外部驱动器时，为高电平。

。

HIS——高速输入（HIS。

0~HIS。

3）引脚，其中HIS。

2和HIS。

3与两个高速输出引脚公用。

。

HSO——高速输出（HSO。

0~HSO。

5）引脚，其中HSO。

4和HSO。

5与两个HIS引脚公用。

。

P0口——4路高阻输入口，既可作为A/D转换器的模拟量输入（ACH4~ACH7），又可作为数字量输入（P0.4~宽。

7），也可同时输入模拟信号和数字信号。

。

P2口——4位多功能口（P2.0，P2.1，P2.5）。

它们除用作标准的I/O口之外，还具有复用功能，表13.5给出P2口各引脚的基本功能和复用功能。

。

P3/P4口——均为8位双向I/O口，具有两种功能，既可用作具有漏极开路输出的双向口，也可作为系统总线。

用作系统总线时，P3口传送低8位地址及8位数据，P4口传送高8位地址，此时，引脚内部有上位作用。

2AD590K

（双腿集成电路温度传感器）

封装及引脚图如下：

主要功能介绍：

3.OP07（精密运算放大芯片）

引脚及封装图：

主要功能介绍：

4AD1674（高精度模数转换芯片）

封装及内部结构图：

主要功能介绍：

四．电路设计部分

1．测量部分

采用温度传感器AD590K。

它具有较高精度和重复性，其良好的非线性可以保证优于正负0.1°C的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到正负0.1°C测量精度。

2．驱动控制部分

（1）电炉有效功率控制

采用移相控制交流电压的有效功率，依据HIS口得到的过零检测信号控制HSO口输出同步脉冲，移相量由温度误差计算给出，这样对交流电的单个周期的有效值周期性调节．以保证系统的动态指标。

（2）交流电过零检测电路设计

交流电源经变压器降压后进行过零检测，再通过光电耦合器件输出过零检测信号，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高，见下图。

实施方案：

根据以上分析，采用如下方案：

1，温度测量部分采用集成温度传感器AD590K，加上软件非线性补偿来实现高精度测量，见下图

2动按制部分采用脉冲移相触发可控硅改变电炉的有效功率，见下图：

五．系统实现与理论分析

1．系统硬件设计

系统硬件以8098单片机为核心，详细结构如下图所示：

2．控制算法

实验表明，水温控制系统中，采用单纯的PID始终具有较大的超调，而且出现水温

超调．只能靠自然冷却，这就使得调节时间大大延长。

因此，在水温控制系统中要缩短调节时间，就必须做到基本无超调。

通过反复实验，采用分段非线性加积分分离PI进行温度控

制。

在偏差较大时，控制量采用由实验总结出的经验值，当偏差较小时切换为积分分离PI算法。

理论证明，这种控制方式可以加快系统阶跃响应、减小超调量，并且具有较高的温度控制精度。

3．系统静态测温误差分析

测温部分采用温度传感器AD590K。

它具有较高的精度和线性度。

经分析能完全满足要求。

六系统软件设计：

1．软件主要功能

（1）温度没定即设定控制温度为4度到100度。

（2）信号滤波频率设定程序中设有信号的一阶惯性滤波，通过此功能可设定滤波截止频率。

（3）控制参数设定可设定的控制参数有比例系数、积分速度、积分饱和门限等。

（4）报警门限设置与报警通过键盘设定报警的上下限开关，报警启动后，程序依据设

置进行报警处理。

（5）打印设置软件除具有题目要求的温度曲线自动打印功能外，还可通过键盘在线启

动曲线与数据的打印功能。

（6）传感器的非线性补偿为了获得正负0.2度的控制精度，温度的测量精度必须优于

0.2度。

利用AD590K的正负0.1度的重复性，软件中设有分段插值程序，对AD590K的信号进行非线性补偿以获得正负0.1度的测量精度。

2．程序流程图如下

调试过程：

使用的主要仪器仪器：

电脑一台；数字万用表一只；示波器一只；WD型微机电源一台；温度计一只；8098开发系统。

传感器标定：

由于AD590K测温精度为0.3度，其测温重复性优于0.1度，在使用软件插值算法进行线性化后．系统侧温精度达到0.1度。

步骤如下：

（1）传感器粗调0度点校正：

在保温杯中加入冰水混合物，放人传感器探头，用高精度数字电压表测量变送器输出电压，等变送器输出稳定后调节变送器中的P1电位器（调

零电位器）．使测得电压为0V。

（2）增益调整将传感器探头放人沸水中，调节变送器中的P2电位器（增益调整电位据），使测得电压为99V。

经过以上粗调后，传感器的变送器输出为100毫伏/度．在0-100V

时对应电压为0V—10．0V，测量精度可达到0．3度。

（3）传感器精确杯定AD590K的测湿精度由于其非线性特性，只能达到正负0.3度，要进一步提高测温精度，必须精确标定温度变送器在不同温度下的输出电压，将温度一电压的对应关系存人表格，在测控软件个进行插值运算。

在此使用了测温精度为0.1度的高精度水银温度计，精确测量水温，同时通过高精度A／D采集变送器的电压值。

通过在保温杯中加冰和加开水调节水温，将温度与电压的对应关系记录在电脑的文件内，再利用此对应恒存测控软件中建立插值表，在实时控制时对温度采样进行插值运算，这样就将系统测温精度提高至正负0.1度。

七：

总结：

整个系统的设计思想是提高静态控温精度，减小调节时间和超调量。

整个系统综合有如下几个特点：

（1）集成线性温度传感器AD590K和信号调理电路与软件线性化处理相结合，进一步提高了测温精度。

（2）8098单片机的采用，不仅便于数据采集和处理，而且扩展了各种功能．如存储、显示、打印、外部中断等。

（3）采用AD1674，可以保证测量精度。

（4）在电路设计中充分考虑了系统可靠性和安全性。

动态性能也达到较高指标。

参考资料：

·8098.PDFOP07.PDFAD590K.PDFAD1074.PDF

·《全国大学生电子设计大赛获奖作品汇编》北京理工大学出版社

·《精通PROTELDXP》中国青年出版社

·《PROTEL2004原理图设计与PCB制作》国防工业出版社