《单片机原理及其接口技术课程设计温度控制器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及其接口技术课程设计温度控制器的设计（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 温度控制器设计 课程设计说明书前 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、反应炉和锅炉中
2、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。 1 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，要求精确到0.1； 可人工设定温度范围内的任一温度点；
3、 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
4、-1所示： 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，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
5、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。 方案二采
6、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 铂电阻 Pt100Pt500Pt1000-2006001/3DIN(0.10+0.00
7、17| t | ) A级(0.150.002 | t | ) B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, 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 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
8、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IEC-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0.02。能满足军事、科研、工业生产等重要领域的精密测温要求。 （5）
9、极佳的性能价格比：厚膜铂电阻能实现规模化生产，而且投资少、工艺流程简捷、原材料成本底、成品率高，具有极佳的性能价格比。厚膜铂电阻是传统丝绕的替代产品，并可以部分替代热敏电阻。各传感器元件的性能比较如下表：元件类别测量范围价格系统成本稳定性灵敏度线性度适合使用范围铂电阻温度传感器-70+600中等中等高中等高测量范围广且精确度需求高之应用领域热电偶温度计-2701800中等高低低中等高温测量热敏电阻-80150低中等中等高低测量范围窄或单点温度测量Pt100温度传感器阻值计算（电工委员会标准IEC751的方程式）： 在-78到0的温度范围内： Rt=1001+3.9080210-3t-0.580
10、210-6t2-4.2735010-12(t-100)t3 在0到+600的温度范围内： Rt=100(1+3.9080210-3t-0.580210-6t2) 其中：Rt是温度t时的阻值（单位：） ， t是温度（单位：） Pt100厚膜铂电阻温度传感器允许通过的工作电流为5mA。 我在此假设电炉的温度为500，则PT100温度传感器的阻值计算为：R（500）=100(1+3.9080210-3500-0.580210-65002) =100(1+1.95401-0.14505) =1002.80896 =280.9 3.2 放大器模块通过Pt100厚膜铂电阻温度传感器的工作电流为1mA，则其
11、输出的电压值为：U=280.9 1mA=0.2809 V又放大器的驱动电压为5V，则放大器所需的放大倍数为：A= 5V / 0.2809 V =17.8选用放大倍数为18倍的直流电压信号（V/I）隔离放大器 （0-5V/0-20mA）直流电流信号隔离放大器是一种将电流信号按比例输出隔离电流或电压信号的混合集成电路。 应用：地线干扰抑制，信号长线传输，安全隔离栅，电力监控，医疗设备，仪器仪表，工业自控等需要将模拟电量隔离的行业 精度等级：0.1级、0.2级、0.5级（非线性度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。1
12、6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；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A
13、D7715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。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
14、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、智能化，既提高了产品的功能和质量，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，81
