测控电路课程设计

温度控制系统设计

一、设计背景

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、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用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，单片机对温度的制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

二、工作原理

将温度传感器Pt100因为温度的变化发生的阻值变化，经过信号调理电路变成准的电压信号送入A/D转化器，转化的数字信号送人单片机内处理，单片机的主要完成对ADC0809转换的数字信号进行处理，并将测得的温度值送到共阴极数码管显示。每隔1s单片机对显示的数据刷新一次。为了避免外界干扰，每次采样连续采样8次，所得的数据进行平均滤波。

图2-1 系统框图

温度传感器调理电路输出的模拟信号另一部分送入到PI控制系统中，在比较器中反馈回的电压信号Uf与给信号Ui进行对比，得到的偏差信号经过差动放大器放大，在经过PI控制器处理，驱动继电器的开断控制电炉的工作与否，使加热杯输出温度跟踪上给定温度，实现闭环控制。

图2-2 控制系统方框图

三、温度采集与控制

3.1 Pt100温度测量电桥

Pt100热电阻传感器测温信号采用单臂电桥测量，电桥用系统5V电源供电，输出送入差放进行放大，差动接法可以有效的抑制共模信号，放大器选用低温漂

TLC27L2CD，降低测温过程中外界温度变化对测量精度的影响。

差动放大器增益通过R12可调，增益K=（R12+R9+R10//R11）/R8

差放的外围电阻选择兆欧级电阻，提高放大器的输入电阻Ri，减小放大电路对测量电桥的影响，其中R7=（R12+R9）+R11//R10 使得差放两端的输入平衡，降低零点漂移。

图3-1 Pt100测量电桥信号调整电路

由于热电阻的阻值很小，所以导线电阻是不能忽视的，对50Ω的测温电桥，1Ω的导线电阻就会产生5℃的误差。为了消除导线电阻的影响，实际应用中Pt100测量电桥采用三线或四线制接法，如图2-4所示。

其中：

Uo=Ui/4(△R/R)

图2-2 Pt100测量电路

3.2 PI控制器

电炉加热器是典型的一阶系统，系统的传递函数Gp(s)=K/(1+Ts)，由于温度控制的时间延迟比较长，对系统快速性要求不高，只需要系统的稳定性满足，所以可以采用PI控制技术，PI为滞后校正装置，它能改善系统的稳态性能。图5为PI控制原理图，它的传递函数为：

G(s)=K+1/Ts

其中K=R1/R0，T=R0*C

图3-3 PI控制原理图

3.3 加热器控制电路

加热器开关量采用继电器控制，为了避免强电部分的加热装置对弱电部分控制器的干扰，需要采取电气隔离，本设计使用光耦做电气隔离。

考虑加热器功率的要求，选用JZC-21F/005型号的继电器，它的接点负荷可控制220V/AC 1.5A的交流负载，P=220V×1.5A=330W>300W，满足设计要求。四、单片机系统设计

4．1 单片机系统硬件电路设计

图4-1加热器控制电路

单片机系统完整电路图见附总原理图。

4．2 单片机程序设计

单片机温度控制主程序部分由A/D转换中断服务程序完成数据的采集，调用滤波子程序对数据进行平均滤波结果存储到内存38H中，中间插入延时子程序，主程序通过程序完成二—十进制转换，一个8位二进制小数最大表示范围0—255，转换后的结果个位、十位和千位数分别字转换成的BCD码存储到39H—41H中，

经显示程序通过P1口送到四位共阴数码管中（只用低三位）作为段选信号，位选信号由P3.0—P3.2决定。完整程序如下所示：

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 001BH

LJMP INT1

ORG 0030H

MAIN:MOV R0,#7FH

LOOP01:MOV @R0,#00H

DJNZ R0,LOOP01

MOV SP,#6FH

SETB IT1

SETB EX1

SETB EA

MOV DPTR,#7FF8H

MOVX @DPTR,A

LOOP04:NOP

NOP

LOOP02:MOV R2,#32H

LCALL DELAY

DJNZ R2,LOOP02

LCALL LVB

NOP

NOP

***********************************************

；/*二-十进制转换*/

***********************************************

MOV A,38H

MOV B,#00H

DA A

MOV R0，A

ANL A,#0FH

MOV 39H,A

MOV A,R0

ANL A,#0F0H

MOV 40H,A

MOV A,B

ANL A,#0FH

************************************ ;/*数码显示*/

************************************ MOV P1,#0FFH

ANL P3,#0F8H

MOV R2,#39H

LOOP03:MOV A,@R2

MOV DPTR,#TAB01

MOVC A,@A+DPTR

MOV P1,A

LCALL DELAY

MOV R3,#01H

MOV A,R3

MOV P3,A

RL A

INC R2

CJNE R2,#42H,LOOP03

MOV R2,#39H

MOV R3,#01H

NOP

NOP

SJMP LOOP04

TAB01:DB 03H

DB 9FH

DB 25H

DB 0DH

DB 99H

DB 49H

DB 41H

DB 1FH

DB 01H

DB 09H

INT1: CLR EA

PUSH PSW

PUSH ACC

PUSH B

PUSH DPL

SETB RS0

CLR RS1

MOV R0,#30H Array MOV DPTR,#7FF8H

MOVX A,@DPTR

MOV @R0,#38H

INC R0

CJNE R0,#38,INT100

MOV R0,#30H

INT100:MOV @DPTR,A

DJNZ R1,INT101

POP DPH

POP DPL

POP B

POP ACC

POP PSW

SETB EA

RETI

****************************

;/*滤波子程序*/

****************************

LVB:MOV R1,#00H

MOV R0,#00H

LVB00:MOV A,@R2

ADD A,R0

MOV R0,A

MOV A,R1

ADDC A,#00H

MOV R1,A

INC R2

CJNZ R2,#38H,LVB00

MOV R2,#30H 4-2 程序流程图LVB01:MOV A,R1

CLR C

RRC A

MOV R1,A

MOV A,R0

RRC A

MOV R0,A

DJNZ R2,LVB01

MOV 38H,R0

RET

******************************

/*延时20ms子程序*/

******************************

DELAY:MOV R0,#14H

DELAY02:MOV R1,#0FAH

DELAY01:NOP

NOP

DJNZ R1,DELAY01

DJNZ R0,DELAY02

RET

END

五、设计总结

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。本文的温度控制系统、只是单片机广泛应用于各行各业中的一例、相信读者会依靠自己的聪明才智、使单片机的应用更加广泛化。

本设计中单片机没有参与控制，只是单纯的对采集的数据进行显示，比较完善的设计是将单片机作为控制核心器件，通过程序完成PI控制算法，这样不仅可以实现精确的控制，同时可以节省硬件资源，这是本设计有待改进的地方。

参考文献

[1] 何道清,《传感器与传感器技术》,科学出版社

[2] 张国雄，《测控电路》，机械工业出版社

[3] 胡寿松，《自动控制原理》，科学出版社

[4] 周润景，《基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真》

[5] 李华，《MCS-51系列单片机实用接口技术》

[6] 张开生，《MCS51单片机温度控制系统的设计》

附电路原理图

单片机系统原理图