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1、 温度控制器设计 课程设计说明书1前 言随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式和三总线式方向发展。而数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和 A/D 转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和
2、锅炉中的温度进行检测和控制。采用 MCS-51 单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 温度控制器设计 课程设计说明书21 设计任务与要求1.1 基本要求高温锅炉在炼制底属时是必须严格控制温度的，要求熔炉中的温度变化范围在 1以内，以免在融化所要炼制的金属的同时也融化了其他杂质，以致炼出的金属纯度不够高。温度的范围可以人工设定。 （低熔点金属的比如铅、锡、铝等的熔点温度都比较低） 。1.2 性能指标 温度控制范围-50500，要求精
3、确到 0.1； 可人工设定温度范围内的任一温度点； 由单片机控制显示当前电炉内的温度； 系统性能稳定、误差范围小、操控性好。2 系统分析与论证2.1 方案分析方案一：由 220V 交流电压给电炉供电，在电炉内壁接入铂电阻 感温元件 PT100，感温元件所探测到的温度信号被转为很微小的电压信号，经过放大器放大后送入 A/D 转换器中得到一定精度的数字信号，再数字信号输入单片机内进行处理，判断出该对继电器发送通或断的控制信号。继电器主要由一个三极管和一个电阻线圈构成，当线圈通电时，它产生的电磁力使电炉的开关吸合，以提升炉内的温度；当线圈断电时，电磁力消失，电炉的开关自动断开，以降低炉内的温度。以铂
4、电阻感温元件为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图如图 2-1所示： 温度控制器设计 课程设计说明书3图 2.1 以铂电阻感温元件为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图方案二：由 220V 交流电压给电炉供电，在电炉内壁接入 热电偶温度计作为感温元件，热电偶温度计的测量范围达到-2701800，探测到的温度信号被转为很微小的电压信号，经过放大器放大后送入 A/D 转换器中得到一定精度的数字信号，再数字信号输入单片机内进行处理，判断出该对继电器发送通或断的控制信号。单片机采用 8051 设计，内置存储器。继电器主要由一个三极管和一个电阻线圈构成，当线圈通电时，它产生的电磁力使电炉的开关吸合，
5、以提升炉内的温度；当线圈断电时，电磁力消失，电炉的开关自动断开，以降低炉内的温度。分析：方案一通过铂电阻感温元件 PT100 将温度转换为电压信号，由于得到的电压信号是很微小的，因此要通过放大器进行放大处理。铂电阻感温元件PT100 测温精度高，灵敏度高，而且价格也比较便宜，已经达到了设计所要求的性能，因此选用该元件做为本次设计所需元件。由于放大后的信号为模拟信号，因此通过 A/D 转换器将模拟信号转换为一定精度的数字信号，才能使用单片机进行处理，单片机会根据所得的信号判断当前的温度状况，进而输出0或 1的控制信号对电路的通断进行控制。当温度低于设定值时，单片机发出电平为0的输出信号使继电器电
6、路导通，电炉加热升温；反之，电炉不接通而降温。该方案条理清晰简洁，精确度也比较高，而且易于调节和控制温度。 温度控制器设计 课程设计说明书4方案二采用的热电偶温度计的测温范围虽然达到-2701800，但由于其稳定性低、灵敏度低，系统成本高，而且主要适用与高温范围，与所要求的测温性能不符合，因此不选用该方案做为设计方案。2.2 方案确定通过对上面的方案进行分析后，综合各方面的考虑之后，我采用了方案一作为本次设计的最终确定方案。3 系统各单元模块设计3.1 传感器模块传感器模块采用铂电阻温度传感器 PT100。铂电阻温度传感器具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点,适用于工业自动化测量及
7、各种实验仪器仪表。技术指标名称 分度号 测温范围 精度等级 误差 t 1/3DIN (0.10+0.0017| t | ) A 级 (0.150.002 | t | ) 铂电阻 Pt100Pt500Pt1000-200 600B 级 (0.300.005 | t | ) 热响应时间 在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化的 50%所需要的时间称为热响应时间，用 0.5 表示。 铂电阻绝缘电阻 常温绝缘电阻的试验电压可取直流 10100V 任意值，环境温度在 1535范围内，相对湿度应不大于 80%，铂电阻的常温绝缘电阻应不小于100 实际100。铂电阻的高温绝缘电阻应不小于 0.5,
8、 实际 0.8 。厚膜铂电阻温度传感器的艺特点：以铂浆料替代铂细丝 以丝网印刷替代手工缠绕 温度控制器设计 课程设计说明书5以玻璃包封替代套管封装 元件特性： 以激光调阻替代手工调阻（1）线性：铂的材料特性，电阻值对温度的变化几乎是线性，此特性使得客户能精确地依据事先定义的曲线，计算待测物温度，并设计其应用电路。也正是此特性，元件具有可互换性的卓越特色。 （2）广泛的温度测量范围：由于铂的特性稳定，不会因高低温而引起物理或化化学变化。视其所选用的封装材料而定，厚膜铂电阻感温元件在-200+600宽范围内拥有长期稳定性好的特点。（3）高精确度：由铂浆料生产的厚膜铂电阻其精确度可达0.06，符合I
9、EC-751 的国际 A 级标准要求。 （4）高可靠性：即使经长期使用，厚膜铂电阻仍然十分稳定。据测试，厚膜铂电阻在温度 600条件下 250 小时后，电阻变化5000 (故用大于 13 位的 A/D 转换器可以达到要求)所以选择一个位数为 16 位的 A/D 转换器，能分辨 065536bit。16 位的 A/D 转换器选用 16 脚标准 DIP 封装形式的 AD7715，而没有使用 SOIC或 TSSOP 封装。因为和原来使用的 ADC 相比，DIP 封装的 AD7715 已经非常不占位置了。AD7715 片内共有通信、设置、数据、测试四个寄存器供编程和访问。主要技术参数：16 位无误码输
10、出，0.0015%非线性度；三线制串行接口，可灵活地与微处理机或 DSP 执连接；前端增益可编程为 1、2、32、128 这四种，能对四段量程内信号直接进行高分辨率的转换而不用另外进行量程匹配处理； 温度控制器设计 课程设计说明书8内设自校准电路，可有效去除零点漂移和增益误差；内设模拟输入缓冲器，可直接对高阻信号进行转换；可使用的内部寄存器：通信寄存器，8 位，可读写。每次对 AD7715 的访问都必须先向此寄存器写入命令字。写入的命令字决定下一步操作是针对哪一个寄存器，是读操作还是写操作。此外，通过该寄存器可设定片内放大器增益。设置寄存器，8 位，可读写。该寄存器负责 A/D 各种模式的设置
11、。数据寄存器，16 位，只读。保存了最后一次 A/D 采样的转换结果。带输出速率可编程的低通滤波器，可根据需要选用不同转换速率。图 3.3 系统中 AD7715 接线图3.4 单片机模块MCS-51 单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、 温度控制器设计 课程设计说明书9智能化，既提高了产品的功能和质量，
12、又降低了成本，简化了设计。硬件电路设计:3.4-1 温度检测和变送器温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成,为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。3.4-2 接口电路接口电路采用 MCS-51 系列单片机 8031，8031 单片机是 Intel 公司生产的MCS-51 系列单片机中的一种，除无片内 ROM 外，其余特性与 MCS-51 单片机基本一样。外围扩展并行接口 8155，程序存储器 EPROM2764，模数转换器ADC0809 等芯片。由图 1 可见，在 P2.0=0 和 P2.1=0 时，8155 选中它内部的RA
13、M 工作；在 P2.0=1 和 P2.1=0 时，8155 选中它内部的三个 I/O 端口工作。相应的地址分配为：0000H - 00FFH 8155 内部 RAM0100H 命令/状态口0101H A 口0102H B 口0103H C 口0104H 定时器低 8 位口0105H 定时器高 8 位口 温度控制器设计 课程设计说明书10图 3.4-1 单片机温度控制系统电路原理图8155 用作键盘/LED 显示器接口电路。图 4-2 中键盘有 30 个按键，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某键被按下，相应的行线和列线才会接通。图中 30 个按键分三类：一是数字键 0-9，共 10
14、 个；二是功能键 18 个；三是剩余两个键，可定义或设置成复位键等。为了减少硬件开销，提高系统可靠性和降低成本，采用动态扫描显示。A 口和所有 LED 的八段引线相连，各 LED 的控制端 G 和 8155C 口相连，故 A 口为字形口，C 口为字位口，8031 可以通过C 口控制 LED 是否点亮，通过 A 口显示字符。 温度控制器设计 课程设计说明书11MOV DPTR，#03F8HMOVX DPTR,A若 8031 执行下列程序：MOV DPTR，#03F8HMOVX A，DPTR则可以从 AD7715 输入 A/D 转换后的数字量。图 3.4 -2 8155 用作键盘/LED 显示接口
15、电路AD7715 的最高更新率可以达到 500Hz，即理论上 2ms 可以完成 1 次 A/D转换，但实际上如果考虑到通道切换的因素后，这个速率是不可能的。因为通道轮流切 换后，A/D 内部的信号需要重新建立，通道间信号差异越大，两次连续转换间误差也越大。这个问题在其它类型的 ADC 中也存在。有两种方法可以使 AD7715 在恒定的时间后获得正确的输出：一是使用设置寄存器中的FSYNC（同步）位，二是使用通信寄存器中的 STBY（备用）位，我们采用后面一种方法。另外一个问题就是串口数据，AD7715 输出数据和接收命令都是高位在先，而 51 系列串口的数据时序是低位在先；所以不论是写 8 位的命令，还是读取 温度控制器设计 课程设计说明书1216 位的转换结果，数据要经过高低位的颠倒处理。调试程序如下：void initial_7715()SCON=0x00； /*串口写*/initialize_ad(); /*初始化 AD7715 的通信口*/writereg(0x10);/*下面写设置寄存器*/writereg(0x7c);/*自标定，2.4576MHz，500Hz 更新率，单极性，非缓冲模式
