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1、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1 oC。3、能够对水杯中水温进行控制，控制的温度偏差最大为2 oC，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 Pt100 传感器。7、设
2、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、电桥电路通过
3、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、仪表放大器本实验中：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/
4、D 转换器，其引脚图如下：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。 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。VCC (8):正电源电压4、单片机中的 1602 液晶显示器管脚说明: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
5、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
6、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-。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
7、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 15
8、16 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
9、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：10K/0.5w 8 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（TLC15
10、49）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。（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
11、)-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
12、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
13、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。
