智能温控系统设计与仿真.docx
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智能温控系统设计与仿真
目录
目录1
前言2
第1章基于PT100的智能温控系统方案设计与论证3
1.1功能与要求3
1.2方案的论证比较和确定3
1.3方案的确定4
第2章基于PT100的智能温控系统的硬件设计6
2.1硬件和相关数值的设定论证6
2.1.1传感器测温原理与设计6
2.1.2信号调理电路设计7
2.1.3A/D转换和单片机设计8
2.3系统硬件电路设计8
第3章温控系统上位机部分的设计10
3.1上位机工作流程图10
3.2前面板设计11
3.3串口接受的程序设计12
3.4相关算法的程序设计和说明12
3.5温度报警和其它相关介绍13
第4章温控系统的调试14
4.1硬件调试14
4.2软件调试14
4.3调试过程16
第5章设计体会与小结17
参考文献18
附录19
前言
近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。
国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。
国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，
传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术控制工程网版权所有，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。
作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。
本次课程设计是以温度为对象，制作和设计一智能仪器完成对温度采集显示和控制的目的。
要求有制作的实物，以及实物要完成要求的目的。
第1章基于PT100的智能温控系统方案设计与论证
1.1功能与要求
功能：
传感器采集的信号通过前端处理电路后经A/D转换进入单片机在由串口接上位机，在上位机上完成数据处理、数字滤波、上位机显示的功能。
要求：
该温控系统用PT100做温度传感器，传感器后的处理电路要有一定率波功能和一定得抑制干扰功能；上位机部分用LabVIEW编程完成线性或非线性的算法和处理功能。
上位机前面板要有读数据的显示，其他根据自己的爱好设计。
1.2方案的论证比较和确定
方案一：
由一个电阻和PT100配合使用构成温度传感前端
图1-1单臂桥电阻接法
方案二：
由三电阻和PT100构成电桥做传感器
图1-2电桥的电阻接法
方案三：
传感器后的运算处理方大器部分由数字控制的可变的仪用放大器芯片代替传统的三运放主成的仪用放大器。
图1-3PGA203电路图
方案比较与论证：
第一种方案有一定的可行性，其结构简单明了，温度变化使PT100电阻变化，使其电阻上的分压增大，达到将温度变化转为电信号变化的目的。
但其缺点也很大，结构简单注定其受环境因素影响较大。
方案二为方案一的改进型，也是目前主流的电阻类传感器设计方案，传感原理与方案相同。
方案三针对对象为放大电路部分，对于传统的仪用放大器其优点是可以通过电阻的变化来达到放大任意倍的要求。
因为设计要求没有温度上限值，所以可以自设温度，所以没有一固定的标准，可以用方案三即用PGA203代替三运放的仪用放大器，直接定义放大倍数，这样就减少了运算的麻烦，同样由于使用的是芯片，其封装的特性决定其稳定性和抗干扰能力都强于一般的模拟电路。
1.3方案的确定
方案的确定：
由上所述选方案二和方案三结合做A/D转化前的电路。
可靠性强，稳定高。
在一定的温度环境下，传感器会将这一温度量转换为一电压量，经前端放大率波后送入A/D转换器中将这一模拟量转换为数字量，再送入单片机之中，通过串口进入PC机，由于上位机有串口接收程序，上位机会自动接收这一数据在上位机中做一系列的算法处理。
最后在前面板显示出来。
由设计要求做系统框图如下：
图1-4系统框图
第2章基于PT100的智能温控系统的硬件设计
2.1硬件和相关数值的设定论证
2.1.1传感器测温原理与设计
三电阻与PT00构成电桥，电阻的确定。
图2.1电桥电路
由PT100热电阻分度表得在温度为0℃时，pt100的电阻为100
所以固定电阻的阻值设定为100
。
论证：
在温度为0℃时Rpt=100
，此时U1=2.5v,U2=2.5v;经仪用放大器的差分放大后输入到A\D转换的电压理论上为0v；所以由A/D转换输出的数字量为0。
由此可看出固定电阻取值100
时系统不需要做温度补偿。
当温度为2000℃时Rpt=175.86
此时U1=
2.5v，U2=
3.187v
=u2-u1=0.687v①
选用一定的放大后可以将此模拟量转换为数字量做为信号输入到单片机当中，所以可设定固定电阻阻值为100
。
如想进一步精确100
可用可变电阻代替，可变电阻值设定可与万用表配合使用确定。
2.1.2信号调理电路设计
选用的是PGA203可控增益放大器
图2.2PGA203原理图
由于选用的A/D转换器为ADC0809其最大的转换电压为5v，自定义最大可显温度值在200℃左右。
由温度在2000℃计算有结果①
放大倍数A=
=
=7.2.
PGA203可控增益可控增益倍数为1，2，4，8；对应A0A1数字输入分别为00，01，10，11.这里选增益为8最相近，对应的最大可显温度为190左右。
所以自定义最大可显温度为190
。
为使连线方便这里口A0，A1不与单片机相连。
A0A1直接挂+5v电压使A0A1状态为11.
因为系统主要做滤波在上位机那一块所以这里滤波电路用简单的RC低通滤波器。
图2.3一阶RC低通滤波
2.1.3A/D转换和单片机设计
传统的A/D转换和单片机的接法。
图2.4与PC机的串口数据连接电路
对于小于15m的串口连接一般用Rs232,这里我们用max232；单片机串口信号通过max232芯片后接入PC机.
2.3系统硬件电路设计
根据要实现的功能和要求，由硬件的可行性方案论证和硬件的相关参数论证后的总的硬件图如下：
图2.5温控系统的硬件电路
第3章温控系统上位机部分的设计
3.1上位机工作流程图
根据上位机要实现的功能，做流程图，信号通过串口将信号接收进来根据要求要做算法处理，所以进入的信号经过线性和滤波处理后用相关的输出显示部件将其温度值显示出来，另一方面处理的信号与设定值比较在通指示灯显示比较状态。
图3-1程序流程图
3.2前面板设计
前面板有温度计显示给人以直观的温度的显示，指针显示给以传统的显示，还有数字显示直观明了；有温度门控设置，给予设定任意需要的控制温度值；波形图显示实时温度变化的情况；此外前面板还有用以显示报警的报警灯，当温度达到设定或超过设定值会有亮灯显示。
图3-2上位机前面板显示
3.3串口接受的程序设计
图3-2串口接收程序
上图为串行通讯模块程序框图，其中串行通信的主要参数设置如下：
串口号COM1，波特率为9600bit/s，数据位为8，校验位为none。
如果初始化没有问题，就可以使用这个串口进行数据收发。
发送数据使用VISAWrite，接收数据使用VISARead。
3.4相关算法的程序设计和说明
滤波算法的编程
此次滤波主要抑制干扰或噪声的一种处理。
由于本系统不用考虑温度信号的相频特性，并且自定义要求滤波器在通带内没有波纹，对于巴特沃斯滤波器，其具有最大平坦幅度特性，故采用巴特沃斯滤波器。
所以用巴特沃斯滤波器为核心设计的滤波器。
数据的算法编程
用pt100在其分度表中注意到其电阻和温度的关系大体为线性在此用线性矫正的算法来计算相关参数后来编程如下：
图3-4线性算法程序
3.5温度报警和其它相关介绍
温度报警系统：
当温度值大于设定温度时有指示灯报警。
可以有声音报警但是对于此次设计没有特别要求，所以可以不用设计。
此外对于数据存储模块也很重要，可以加入示波器用以描述温度变化特征。
第4章温控系统的调试
4.1硬件调试
课程设计的实物设计和焊接时以DS18b20为传感器，CH451芯片为核心的人机接口的温控系统，硬件主要以提供的图为标准。
4.2软件调试
在专门的编程软件中输入所提供的程序，编译，连接，运行生产可执行文件后，有专门的下载程序软件的帮助下降程序下到单片机当中。
程序的主程序如下：
main（）
{unsignedcharTempH,TempL,i,j,m;
relay=1;
ch451_init（）;//初始化451
ch451_write（0x0403）;//开显示、键盘
ch451_write（0x580）;//设置BCD译码
EA=1;//开中断
while
（1）
{EX1=1;//允许键盘中断
flag=0;
if（setb==1）
{
Set_temp（）;
}
str[0]=TempH/100;//百位温度
ch451_write（CH451_DIG0|str[0]）;
str[1]=（TempH%100）/10;//十位温度
ch451_write（CH451_DIG1|str[1]）;
str[2]=（TempH%100）%10;//个位温度,带小数点
ch451_write（CH451_DIG2|str[2]）;
ch451_write（CH451_DIG3|0x0c）;
for（i=0;i<3;i++）
{
if（str[i]>showtemp[i]）//则停止加热
{
m=1;
i=i+3;
}
elseif（str[i]{
m=0;
i=i+3;
}
elsem=m;//继续比较
}
relay=m;
{
temp=ReadTemperature（）;
str[3]=0;
TempH=temp>>4;
TempL=temp&0x0F;
TempL=TempL*6/10;//小数近似处理
}
}
}
4.3调试过程
出现问题：
1.发现所有的数码不亮。
2.按下设定温度键没反应。
分析解决问题：
1.所有的数码不亮，由于数码管是人机接口那块，所以第一检查的模块是人机接口芯片CH451那块。
最有可能出问题的地方也是该模块。
认真分析和查看线路焊接和与单片机连接后发现是连接的问题，改正该问题解决，相关的所有要求和功能都可以实现。
2.按下设定温度键没反应。
这个问题是意料当中的事。
因为所编写的程序与硬件提供的键口顺序不同，改用适合的键盘后问题得以解决。
可键入想要的门控值。
第5章设计体会与小结
参考文献
1.陈锡辉张银鸿《LabVIEW8.20程序设计》清华大学出版社，2007
2.刘君邱宗明《计算机测控技术》西安电子科技大学出版社，2009
3.史健芳编著《智能仪器设计基础》电子工业出版社，2009
4.李群芳张士军黄建《单片机与接口技术》（第3版）电子工业出版社，2009
5.赵志刚吴海彬《ProtelDXP实用教程》清华大学出版社，2007
附录
PT100温度与电阻分度表
表2.1实验室下得到分度表
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