电子系统设计温度控制系统实验报告.docx

1、电子系统设计温度控制系统实验报告电子系统设计实验报告温度控制系统的设计姓名：杨婷班级：信息21学校：西安交通大学1、问题重述本次试验采用电桥电路、仪表放大器、AD转化器、单片机、控制通断继电器和烧水杯，实现了温度控制系统的控制，达到的设计要求。设计制作要求如下： 1、要求能够测量的温度范围是环境温度到100oC。 2、以数字温度表为准，要求测量的温度偏差最大为1oC。3、能够对水杯中水温进行控制，控制的温度偏差最大为2oC，即温度波动不得超过2oC，测量的精度要高于控制的精度。 4、控制对象为400W的电热杯。 5、执行器件为继电器，通过继电器的通断来进行温度的控制。 6、测温元件为铂热电阻P

2、t100传感器。7、设计电路以及使用单片机学习板编程实现这些要求，并能通过键盘置入预期温度，通过LCD显示出当前温度。二、方案论证1、关于R/V转化的方案选择 方案一是采用单恒流源或镜像恒流源方式，但是由于恒流源的电路较复杂，且受电路电阻影响较大，使输出电压不稳定。 方案二是采用电桥方式，由电阻变化引起电桥电压差的变化，电路结构简单，且易实现。2、关于放大器的方案选择 方案一是采用减法器电路，但是会导致放大器的输入电阻对电桥有影响，不利于电路的调节。方案二是采用仪表放大器电路，由于仪表放大器内部的对称，使电路影响较小，调整放大倍数使温度从0到100度，对应的电压为0-5V。3、电路的设计1、电

3、桥电路 通过调节电位器R3使其放大器输出端在0度的时候输出为0实现调零，然后合理选择R1、R2的阻值配合后面放大器的放大倍数实现热电阻阻值向电压值的转化。 通过调节电位器R3使其放大器输出端在0度的时候输出为0实现调零，然后合理选择R1、R2的阻值配合后面放大器的放大倍数实现热电阻阻值向电压值的转化。本次实验中：R1=R2=10K，R3为500的变阻器。 2、仪表放大器 合理选择R1、 R2 、R3、 R4、 R5、 Rf，调节Rg可以实现放大倍数可变的电压差分放大。令R3=R4=R5=Rf，R1=R2，输出端Vo与输入电压差值关系为 Vo= Rf/R3（2R1/Rg+1）Vin。 本实验中：

4、Rf=R3=R4=R5=10K，R1=R2=10K，Rg为500的变阻器，这个电路放大倍数大概为128倍左右。3、TLC1549（10位）模拟数字转换器（A/D）10位分辨率A/D转换器，其引脚图如下： TLC1549器件有两个数字输入和一个3态输出、片选（CS ），输入输出时钟（ I/O时钟）和数据输出（数据）的提供三线接口，串口主机处理器。管脚说明:ANALOG IN(2):模拟信号输入。外部驱动源的模拟,应该有一个十毫安电流能力。CS(5):芯片选择。高向低过渡的重置内部计数器和控制，使数据和I/O时钟内最 大的一个设置时间加上两个属于边缘内部系统时钟。低到高过渡禁用I/O 时钟设置时间

5、内下降的边缘加两个的内部系统时钟。DATA OUT(6):这3态串行输出的A/D转换结果是在高阻抗状态时，以有效的芯片 选择，数据是从高阻抗状态，并动相应的逻辑电平的最高有效位先前的转 换结果。下一个下降沿的I/O 时钟驱动器DATAOUT的逻辑水平相应的下 一个最重要的一点，其余位转移，以便与LSB的出现在第九个下降沿的 I/O时钟。十下降沿的I/O时钟，数据驱动低逻辑电平的串行接口，使数 据传输的超过10个时钟产生的未使用的零LSBs。GND(4):接地I/O CLOCK(7):输入/输出时钟。 I/O时钟接收串行I/O时钟输入和执行下列三个功能： 在第三个下降沿的I/O时钟，模拟输入电压

6、开始充电电容阵列和继续这 样做，直到第十下降沿的I/O时钟。 其余九位前转换数据上的数据。 转让控制转换的内部状态控制器的下降沿十时钟。REF+(1):上参考电压值（标称虚拟通道连接）适用于参考+。最大输入电压范围 为所确定的差别电压适用于参考+和电压适用于参考-。REF(3):较低的基准电压值（标称地面）适用于参考-。VCC (8):正电源电压4、单片机中的1602液晶显示器其引脚图如下： 1602采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使

7、用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存 器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW 为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：空脚。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日

8、文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）5、继电器驱动电路、继电器电路、烧水壶利用单片机输出的控制信号（高低电平），通过继电器驱动电路，控制继电器的通断时间比例，从而控制烧水的温度。四、测试方案与测试结果1、实验所需器件表电阻：10KW/0.5w8个LM324四运放集成芯片1个102电位器2个Pt100铂热电阻1个数

9、字温度计1个51单片机文具盒1个继电器驱动电路1个继电器电路1个烧水杯1个螺丝刀1把万用表1个示波器1台导线若干2、水温控制测量调试方法 通过铂热电阻Pt100 将温度变化转换为电阻值的变化，再通过电桥间温度变化转换为电压变化，之后通过仪表放大器将电压放大一定的倍数（128倍左右），使输出电压在0-5 V，将输出电压送入A/D转换器（TLC1549）转换为数字信号（10位二进制数）送入单片机，单片机对数字信号进行处理并将其输出至液晶显示屏（1602LCD）上显示。为控制水温使之稳定，我们引用了PID控制算法，通过PID值控制继电器的占空比，继电器连接着电热杯的开关，所以可以使温度稳定在设定值。

10、（1）PID控制算法： 在测出目前水温的前提下，采用PID控制算法，即比例微分积分控制算法，将测得的水温与设定的温度值做差，利用温差做PID算法，产生控制信号，控制水的温度。增量式PID算法如下：控制信号u=Kp*E(k)+Ki*E(k)+E(k-1)+E(1)+Kd*E(k)-E(k-1)控制信号增量u=Kp*E(k)-E(k-1)+Ki*E(k)+Kd*E(k)-2E(k-1)+E(k-2) 利用控制信号的增量不断修改控制信号，实现对温度的控制。这种增量式算法相比位置式算法，没有积分项的长叠加，避免了随着控制时间变长导致的计算时间增加的问题出现。（2）关于AD转化的数据处理 由于A/D转换

11、送进来的信号是一个10位的二进制数（0-1023）代表一个温度为0 oC -100 oC的温度，为了方便数据的处理，我们使0对应0 oC，1000对应100oC，所以只需要对信号除以10即可得到温度值，由于液晶显示的时候只能一位位显示，所以将信号的百、十、个位分别取出来放入数组中，方便液晶显示输出。 （3）继电器控制水温的方法 PID算法的输出值这里设定为一个0-100的数字，不超过最大值100，超过使其等于100，然后利用单片机内部的定时器控制单片机的一个端口的通断占空比，PID的控制量值越大，端口通的时间越长。将此端口与一个继电器相连，控制继电器的开断，继电器连接在烧水壶的电源线上，继电器

12、的开端比决定了烧水壶的通断电时间比，从而控制了烧水壶的烧水功率。实现了对水温的控制。（4）零度和满度校准的问题 实验中我们采用24度室温和65度高温两个温度下校准，低温时调整电桥的电位器，高温时调整放大器的电位器，在数字测温计示数稳定的前提下，将单片机的目前温度与数字测温计读数调为一致，反复调整几次，即可达到最佳状态。3、测试结果分析 在单片机键盘输入设定温度65度，在单片机控制下烧水杯开始烧水，当单片机的实测温度低于设定温度大约5度左右，即60度左右，继电器开始通断，并且随着实测温度的升高，继电器的通断比越来越小，最终温度稳定在设定温度65度左右，达到的实验要求。五、结束语 通过本次实验，我对控制系统有了更加真实的体会，了解到要控制一个系统，并且达到一定的精度要求，要充分考虑到多个方面的影响因素，了解现有器材的缺陷，尽可能利用较小误差的测量方法。另外，通过本次试验对于单片机液晶屏显示的应用，我也更加的熟悉单片机的原理和编程方法。最后，感谢老师的辛勤指导，我也深刻体会到自己通过理论与实际的结合，学到不少实际设计中的知识，但是也深刻感受到自己的不足，今后仍需努力。