DZ187CSY2000系列传感器与检测技术
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DZ187CSY2000系列传感器与检测技术,毕业设计
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长春工业大学毕业设计 1 摘 要 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台是浙江大学在多年传感技术教学实验的基础上，为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的模块化的新产品，能进行五十多个实验有微机接口，可进行数据连机处理和波形处理等。 在对实验仪器整体构造和单元电路深入分析的基础上，设计了电源声控报警电路和将模拟压力表转换成数字压力表，在了解热电阻测温实验基础上，进而完成温度闭环控制实验，丰富了传感器课程的实验内容，使传感器系统实验仪功能升级，满足了传感器课程的实验要求。 关键词：传感器、热电阻、温度闭环控制。 nts长春工业大学毕业设计 2 Abstract The CSY2000 series sensor and the examination technology laboratory bench is the Zhejiang University many years production technology teaching experiment。 In the installment foundation, for the adaption different category, the different level specialized need, the newest promoted modular new product, can carry on more than 50 experiments to have the microcomputer connection, may carry on data on-line processing and profile processing and so on. In to tests the meter overall structure and in the unit electric circuit thorough analysis foundation, has designed the power source voice control alarm circuit and simulates the pressure gauge to transform the digital pressure gauge, understood the thermo-element measured in the warm experimental foundation, completes the temperature closed-loop control experiment, has enriched the sensor curriculum experimental content, made the sensor system experiment meter function to promote, has satisfied the sensor curriculum experimental request. Key word: Sensor、 Thermo-element、 Temperature closed-loop contral。 nts长春工业大学毕业设计 3 目录 中文摘要 1 英文摘要 .2 目录 . 3 第一章 序论 . 4 1.1 概述 .4 1.2 设计的主要任务及技术参数 . 4 1.3 传感器技术的历史发展概况 . 4 1.4 CSY-2000 传感器系统实验台所使用的传感器简介 7 1.5 有关实验台的改进 .8 1.6 热电阻测温性能实验 9 第二章 温度调节控制实验的方案设计 11 2.1温度调节控制实验 11 2.2方案设计 .11 2.3方案论证及确定 .11 第三章控制算法 14 3.1控制算法的确定 . 14 3.2 PID控制算法论证 . 14 第四章 系统硬件 17 4.1 温度传感器 AD590 . 17 4.2 热电阻 Pt100 介绍 19 4.3 AD574A接口电路 20 4.4 AT89C51单片机管脚及内部结构 . 26 4.5 显示器接口芯片 32 第五章 软件 设计 36 5.1 主程序部分 36 5.2 T0中断服务子程序 .36 5.3 INT0 中断服务子程序部分 42 5.4 显示处理程序 43 参考文献 44 结束语 45 附录 46 nts长春工业大学毕业设计 4 第一章 绪论 1.1 概述 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台是浙江大学多年生产传感技术教学实验装置的基础上，为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的模块化的新产品，能进行五十多个实验有微机接口，可进行数据连机处理和波形处理等。但是， CSY2000系列实验台同样也有一些疏漏，针对这些漏洞进行了补充，进而设计了一个温度闭环控制系统实验。 1.2 设计的主要任 务及技术参数 主要任务： 设计一个电源的声控报警电路、将模拟电压表转换成数字电压表及设计一个温度闭环控制系统。要求对硬件电路进行详细设计，每一部分电路都应有相应的说明。 软件部分要求有主程序、子程序和它们的流程图。 主要技术指标： 温度范围： 0100 测量精度： 1 1.3 传感器技术的历史发展概况 为测量的目的，能感受到的某一物理量输出的装置叫传感器。关于传感器设计、制造和应用的技术称为传感器技术。 一 发展过程： 1938年出现氯化锂湿度传感器； 40年代热敏电阻问世， 并很快应用于热工仪表；50 年代出现了光传感器； 60 年代随着半导体和集成电路技术的开发，传感器已应用到机器人； 70 年代开发了大规模集成电路和微处理机技术，传感器得到飞速发展；80 年代传感器被誉为 最有时代性的大量生产的商品 ； 90 年代传感器已进入高技术轨道。到现在，传感器的概念比以前已大大拓宽，早已深入到各个领域中，成为一门新兴的跨学科的传感器工程学。 二 技术发展途径： 在原有材料中发现新的效应、新的现象或新的反应等，这些新的发现有可能作为传感器技术基础原理，并使之应用； 由于开发出新材料，而使原有的某些反 应或现象作为传感器技术基础原理，并使之应用。 由于新的材料而发现新的效应、新的现象或新的反应等，这些新的发现有可能作为传感器技术基础原理，并使之应用。 三 现有的水平及趋势： 美国是发展敏感元件及传感器技术最早的国家之一，现已有约 1300 家生产与开nts长春工业大学毕业设计 5 发敏感元件及传感器的厂家（公司）， 100 多个研究所和院校。每个公司职员人数平均在 500人以上，其中从事传感器技术的研究人员占该行业总人数的 1 4，约为 21200人。 美国敏感元件及传感器产业的组织结构，大体分为 3种模式：以大学为核心的组织结构；以企业为骨干的组织结 构；政府、企业和院校联合的组织结构。 目前，美国敏感元件与传感器的种类、规格、品种约为 17000余种。近年来，力敏、热敏、磁敏、湿敏、气敏传感器是美国的主导性产品，在传感器行业中起支配作用。其中检测压力、速度、加速度、位置、位移、温度的传感器最多，这和美国努力发展工业自动化控制系统、航空航天、汽车、国防、医疗仪器有关。 压力传感器 近几年来，美国压阻式压力传感器发展很快，已经历了 3代产品。第一代是以美国霍尼韦尔公司 411 系列为代表的产品；第二代是该公司的可编程控制器（ PC）系列压力传感器； ST-3000 系列 压力传感器为其第三代产品，它被誉为划时代高技术产品。产品分为两大类：压力传感器和差压传感器（变送器）。其性能为：量程比 400:1，精度 0.1%FS，温度漂移 0.35%,55，输出范围 4 20mA。 目前，美国电容压力传感器精度已达到 0.05。这类传感器以美国罗斯蒙特公司、塞特拉系统公司的水平为高。 温度传感器 目前，美国 YSI 公司生产的热敏电阻器在温度为 0 80时，互换公差为士0.05； 40 125时为士 0.1。该产品具有高互换性、高稳定性等特点。 湿度传感器 美国是研究生产湿度传感器的主要 国家。美国共有 171个厂家生产湿度传感器与敏感元件。例如 Panamtrics 公司生产的用于军事装置中的氧化铝薄膜湿度传感器，可检测 110 60露点的宽广温度范围。 近几年，湿度敏感元件及传感器每年都以 15的速率增长， 80 年代已进入民用市场，占市场的 25左右。 气体传感器 气体传感器是化学传感器最活跃的一支。美国约有 520多个生产气体传感器的厂家。其中以生产检测二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合气体、二氧化硫等气体传感器的厂家为最多。目前半导体气体传感器产量最大，其中以二氧化锡（ SnO2）为材料的气体传 感器最为实用，已经商品化。 磁敏传感器 美国在磁敏元件及传感器研制和生产中居世界领先地位。美国贝尔公司生产的霍尔元件线性好、工作度范围宽，可工作到 269。近年来，随着半导体工艺的发展，霍尔器件性能有较大的提高，已经发展到薄膜化和集成化阶段。 nts长春工业大学毕业设计 6 美国贝尔实验室、 IMB公司等现已从事强磁性金属薄膜电阻器件的生产，并把它用于磁头上代替传统的坡莫合金和线圈磁头，确保音像设备的高保真度。 美国十分注重基础技术研究，开发出很多新技术，如由美国凯氏大学近几年开发的新技术：自动停止腐蚀技术、直接键合技术、牺牲层技术、多晶 硅制备技术、有机薄膜制备技术、金属氧化物薄膜制备技术、 L-B膜制备技术等，它改变了过去控制腐蚀速度和腐蚀时间的做法，由事先设定好要求腐蚀的膜片的深度，采用电化学法进行腐蚀。腐蚀的进行由 1台计算机控制。硅片腐蚀厚度可达微米级，且腐蚀均匀，成品率可达 90以上。 国外传感器技术的发展趋势： 1 大力发展和应用半导体、高分子、陶瓷、光纤和生物膜等新型功能材料； 2 采用微电子技术和微机械加工技术，实现敏感元件和传感器的微型化、集成化和一体化； 3 采用数字技术和计算机技术，实现传感器的数字化、智能化和多功能化； 4 在传统的结构型传感器基础上采用高新技术成果，发展新型、复合型传感器； 5 不断拓展应用领域，大力发展各具特色的新产品。 当今传感器的明显发展趋势是从传统的传感器设计和应用转向以微机械加工技术为基础的微传感器和智能化传 新型半导体传感元件的出现率先为设计新型传感器开辟了全新的途径，已经获得广泛应用的扩散硅压力（差压）传感器是这种小型集成化的典型。硅具有良好的机械性能和压电电阻效应，硬度大，受力不发生滞后或蠕变，稳定性、重复性好。它可以利用半导体工艺的离子注入，各向同性或异性地刻蚀，有选择性地掺杂，也适用微 细加工工艺、硅熔接工艺等方便地进行精细加工，做出形状复杂的零件。硅传感器的信号处理与检测元件可以实现整体集成。 硅微传感器和微电子系统以及微执行器很可能全部制造在一个芯片上形成单片集成，构成一个闭环工作系统，这一目标的实现和应用，不仅是传感技术概念的扩展和引伸，还会在工业过程控制、航空航天领域、生物医学和健康保健方面，以及未来的新兴技术领域发挥巨大作用。 智能化： 单片机的出现进一步促进了检测转换技术与信号处理的结合。传统的对检测变换单一信号处理，可扩展到同时对被测对象内部状态信号和环境状态信号进行多信号 处理，在将来，新一代的传感器都将由一个结构敏感元件和一个表面功能器件复合构成。在传感器设计中所应用的信号处理新方法，如信号相关、多路输入信号比较、数字滤波、采用处理等，现已普遍采用微机数字化技术来实现，这样不仅使测量功能多样化，还将带有不同测量功能的电路成为紧凑的整体，从而提高检测性能，采用单片机通过软件开发使之具有智能的传感器，应该是能适应被测参数的变化来自动补偿、自动校nts长春工业大学毕业设计 7 正、自选量程、自寻故障、配有数字输出，实现双向通信，并具有较强的环境适应性。 微型化： 各类传感器的发展，在尺寸上都经历不断缩小的过程。 向纳米尺度深入已成为各类传感器的共同目标，发展过程是： 物理传感器集成传感器纳米传感器。 化学传感器微型传感器分子传感器。 生物传感器微型传感器受体传感器。 （注：分子传感器和受体传感器都是纳米传感器。） 微传感器及其工艺是 80 年代中期国际上崛起的一项非常值得重视的高新技术，经过 10余年的功夫，一代崭新的微传感器已经 为实现数字测量和控制系统两者的综合，第二代的智能式传感器必然要全数字化。它的优点是能够消除许多由模拟电路有关的误差来源，不再使用 A/D和 D/A转换器，提高测量准确度。全数字式传感器 主要采用谐振原理，通过谐振频率或频率分布与某种测量参数特殊性关联起来，直接提供数字输出。这种结构简单无活动部件的传感器首先要解决稳定而高性能的材料元件，再要应用数学模型技术来充分了解测量结构的振动模式，应用先进的实时信号处理技术来进行多频相位和振幅分析，同时改进温度补偿技术以取得较高灵敏度和可靠性。 阵列化： 在多种新技术发展中，常需要阵列化传感器装置。同类型微传感器的阵列化，可通过余度技术来提高测量的可靠性，通过多数的逻辑平均值（排除个别明显的差异值）来提高测量结果的稳定性。最终得到稳定可靠的测量结果。所 以，利用同类传感器阵列，可使原本用单一传感器测量的不甚可靠的功能装置成为可靠的功能装置。不同类型的微传感器组成阵列，目的不是为了测量，而是为了获得一个功能优良的控制单元。 主要国家及研究机构： 美国的有霍尼威尔公司（全美从事传感器技术研究最大的中心、包括它的固态电子学开发中心和生产中心）、 IC公司、 TI公司、 ENDEVCO公司、 Kulit 公司、斯伦贝格工业公司航空航天传感器分公司等。英国的 Bell&Howell公司、 Solartron 公司、LandPyrometers公司、 Druck公司、 Sangamo 公 司。德国的西门子公司、荷兰的飞利蒲公司、丹麦的 B&K 公司。日本的 NEC、东芝、松下、富士通、三菱公司、日本横河电机株式会社等。 1.4 CSY-2000 传感器系统实验台所使用的传感器简介 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台是多年生产传感技术教学实验装置的基础上，为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的模块化的新产品。 本实验台主要用于各大、中专院校及职业院校开设的 传感器原理与技术 自动化检测技术 非电量电测技术 工业自动化仪表与控制 机械量电测 等课程的实验nts长春工业大学毕业设计 8 教学。实验台普通型包含主控 箱，实验桌，十个模板、十五个传感器，根据需要还可提供 7种传感器合模板，能进行五十多个实验。 其优点在于： 模块化结构能适应不同专业的需要，不同专业可以有不同的菜单，模块可以不断增加，本公司还可以为用户的特殊要求制作模板。一个模块对应一类传感器，便于进行实验，获得更好的实验效果。提供可比较完整的多种信号源，除原有的交、直流源，激励源，振动台外，新增了气压源，温度源，回转源。温度源控温精度可达 0.2，可用于标定与科研。 大部分传感器实现了定性到定量的提升。利用本实验台含有的计算机接口及相关软件更有利于进行数 据分析，比较贴金工业实际测量。 利用主控台的共用源，指导教师和学生自己可以开发与组织新实验并用于学生课程设计、毕业设计和自制装置。 实验台组成： CSY2000 系列传感器与检测技术实验台由主控台、三源板 (温度源、转动源、振动源 )、 15个传感器和相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌六部分组成。 主控台部分，提供高稳定的 15V、 5V、 2V 10V可调、 2V 24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有电压、频率、转速的 3位半数显表。音频信号源（音频振荡器） 0.4KHz10KHz（可 调）；低频信号源（低频振荡器） 1Hz30Hz(可调 )；气压源 0 15kpa 可调；高精度温度控制仪表（控制精度0.5）， RS232计算机串行接口；流量计。三源板：装有振动台 1HZ 30HZ（可调）；旋转源 0 2400 转分（可调）；加热源 200（可调）。传感器：基本型传感器包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流位移传感器、光纤位移传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、 K型热电偶、 E 型热电偶、 Pt100铂电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十七种。 增强型部分：可增加 PSD位置传感器、扭矩传感器、超声位移传感器、 CCD电荷耦合器件等四种传感器和冲击实验台。 实验模块部分：普通型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相相敏检波滤波十个模块。增强型还增加 PSD、扭矩、超声波、 CCD、冲击实验五个模块。数据采集卡及处理软件：数据采集卡采用 12位 A D 转换、采样速度 1500 点秒，采样速度可以选择，既可单采样亦能连续采样。标准 RS 232接口，与计算机串行工作。 提供的处理软件有良好的计算机显示界面，可以进行实验项目选择与编辑，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。实验台桌尺寸为 1600 800 280(mm)，实验台桌上预留计算机及示波器安放位置。 1.5 有关实验台的改进 一、在电源设备上加设一个声控报警装置，以防电压过高损坏实验台。本人选择蜂鸣器报警电路，简单实用。 二、将模拟电压表转换成数字电压表。使用 AD574A即可。 nts长春工业大学毕业设计 9 1.6 热电阻测温性能实验 一、实验目的： 了解热电阻测量温度的性能与应用范围。 二、基本原理： 利用导体电阻随温度变化的特 性，热点阻用于测量时，要求其材 料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。 常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在 0 100以内，电阻 Rt与温度 t的关系为： Rt=R0(1+A+B2) R0系温度为 0时的电阻。本实验 R0=100， A=3.9684*10-2/，B=-5.847*10(-7)/ ,铂电阻为三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。 三、 需用器件与单元：热电偶 K型、 Pt100 热电阻、加热源、温度控制单元、温 度传感器实验摸板、数显单元、万 用表。 四、 实验步骤： 1、 注意：首先根据实验台型号，仔细阅读“温控仪表操作说明”，学会基本参数设定。 2、 将热电偶插入台面三源板加热源的一个传感器安置孔中。将 K型热电偶自由端引线插入主控面板上的热电偶 Ek插孔上，红线为正极，注意热电偶护套中已安置了二支热电偶 K行和 E 行，它们的热电势值不同，从热电偶分度表中可以判断。 3、 将加热器的 220V电源插头插入主控箱面板上的 220V控制电源板上。 4、 将主控箱的风扇源与三源板的冷却风扇对应相连，电机转速电压旋至最大。 5、 将 Pt100 铂电阻三根线引入“ Rt”输入的 a、 b上：用万用表欧姆挡 测出Pt100三根线中其中短接的二根线接 b端。 6、 在端点 a 与地之间加直流源 2V，合上主控箱电源开关，调 Rw1使电桥平衡，即桥路输出端 b和中心活动点之间在室温下输出为零。 7、 加 15V模块电源，调 Rw3使 V02=0，接上数显单元，拨 2V 电压显示挡，使数显为 0。 8、 设定温度值为 50，将 Pt100探头插入加热源另一个插孔中，开启加热开关，待温度控制在 50时记录下读数值，重新设定温度值为 50 +n t，建议 t=5， n=1 10,每隔 1n 读出数显表输出电压与温度值。 50 n t 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 V (mv) 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 nts长春工业大学毕业设计 10 第二章 温度调节控制实验的方案设计 2.1 温度调节实验 实验目的：掌握温度调节原理及控制方式和相关软件的开发，本实验为开放型实验。 实验部件：温度仪表， K型热电偶，数据采集板及相关软件 (自备 ) 实验步骤： 1. 如图组成温度测控系统。 2. “ 温度部分 ” 的控制方式开关置于“外”位，打开温度控制开关，此时实验台上的“温度仪表”仅作为温度显示及变送器使用，控制调节功能不起作用。 3. 桌面 三源板上加热器插头插入面板上的加热器插座，并在加热孔中插入 K 型标准热电偶，并接入面板“传感器输入” 插孔。 4. 信号输出端 (V0)，引出标准温度信号至外部数据采集板相应的 Ai 接口，对应关系为： 0-200 /0-5V，编制有关控制软件。 5. 外部调节输出控制信号 (0-5V)接入“控制输入”端 (Vi)， 经内部电压功率转换器，实现对加热器的功率控制，控制关系为： 0-5/0-100%(p)。 6. 控制过程中，如感到过度过程较长，可对加热器进行强行冷却，将面板上电机调速旋转置瞬时针最大，从“ 2-24V”端引出“ 24V”至桌面 (冷却风扇 )插孔，进行手动冷却，也可将 24V电源接入数据采集板 D0控制输出端 (继电器常开触点 )，再 7. 接入“冷却风扇”进行自动冷却。 Pt100 热电阻传感器 信号输出 AD574A转换器 冷却风扇 加热器 加热控制器输入 AD590传感器 89C51 单片机 nts长春工业大学毕业设计 11 2.2 方案设计 方案设计：以 AT89C51 单片机为核心， PID算法作为控制算法，设计一个温度闭环控制系统。其中：以实验台上的温度控制器给定一个值，使加热器对温度传感器模板上的 AD590 进行加热，并使用热点阻 Pt100 进行测温，得到信号值经过放大后，经过AD574A为转换器进行模 /数转换，进入单片机进行处理，决定进行加热或冷却 MC14499为 驱动器， CMOS LED 显示器 根据实验要求实验模板选择温度传感器摸板，其中选择热电阻 Pt100 作为测量传感器，而 AD590作为被测温量。 2.3 方案论证及确定 一、控制结构的选择 根据该系统特点和控制要求，可以知道温度是唯一被测量，所以采用单闭环控制即可实现其功能。由于系统中对精度要求不是很高，所以在算法上采用传统 PID算法即可，其框图如下： R 二、 测量元件的选择 在对 CSY2000 传感器上的基础上，改进后做一个 温度闭环控制系统。测量范围（ 0 100），控制精度 1。 测量变送部件是系统的信息来源，他直接影响到系统的精度和控制质量。在这个系统中，温度是待测量，那么就应该选择一种适合该系统使用的温度传感器。目前，能够测量温度的传感器很多，但大体上可分为几类： 石英振荡传感器，热电偶、热电阻温度传感器，热敏电阻传感器，集成半导体传感器。 下面对它们作以简要介绍： （一） 热电偶传感器 它是一种古老的传感器，但由于自身的一系列优点，目前仍在测温领域广泛使用。热电偶传感器可以分为以下几种： （ 1） 铂铑 铂热电偶 该 热电偶在 1300以下范围内可长期使用，在良好的环境下可短期测量 1000的高温。 （ 2） 镍铬 镍硅热电偶 该热电偶化学性质稳定，可在氧化性或中性介质中长期测量 900以下的温度。 （ 3） 镍铬 考铜热电偶 P I D 被控对象 nts长春工业大学毕业设计 12 适用于还原性或中性介质中，长期使用温度不可超过 600高温，短期使用可达1800。 （ 4） 铂佬 30 铂佬 6热电偶。长期使用 1600高温，短期使用可达 1800。 （二） 热电阻传感器 热电阻由电阻体、绝缘管和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是最主要部分。在工业上广泛采用热电阻传感器 进行 200 500范围的温度测量。测量特点是精度高，适用于低温测量。测量时电流不宜过大。一般为 4 5mA。 （三） 热敏电阻传感器 热敏电阻传感器应用范围更广，可以用于温度测量、温度控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增益调整、气压稳定、气体和液体分析、火灾报警、过负荷检测以及红外探测等方面。 在温度测量等方面，热敏电阻可以用于液体、气体、固体、固熔体、深井、高空气象、冰川等方面的温度测量。测温范围一般为 -10 +300，也可以作到-200 +10。 （四） 集成温度传感器 集成温度传感器体积小、寿命长 、使用方便、价格低、线性好，但起测温范围窄，只可测量 180以下的温度。 AD590是比较典型的集成温度传感器，它是一种绝对温度 -电流传感器，功耗地，对激励电压变化不敏感，用长线传输信号时不会因电压降或感应的噪声而产生误差，抑制抗干扰能力很强。测温范围在 -55 +150内优于其他温度传感器。 根据实验要求实验模板选择温度传感器摸板，其中选择热电阻 Pt100 作为测温传感器，而 AD590作为被测量。 三、 输入输出过程通道的确定 在系统中，选择 A/D574进行 A/D转换。 A/D转换器的作用就是把模拟量转换成 数字量，以便于计算机进行处理。常用的 A/D转换器一般为逐次比较型 A/D转换器，在精度，速度和价格上都适中， 8 位 AD0809 转换器和 12 位转换器 AD574A 为其中最常用的。 A574A型快速 12 位逐次比较式 A/D转换器为美国模拟器件公司产品，是一种内部由双片双极型电路组成的 28 脚双列直插式标准封装的集成 A/D 转换器。无须外接元器件就可以独立完成 A/D转换功能。其符合本系统要求。 四、 PC机的确定 微机是控制系统的核心，是系统设计的重要组成部分，随着微型计算机在工业控制中的应用，各种工业控制机产品纷纷推出 。而 MCS-51系列中的 8031 功能较少，本身没有数据存储器和程序存储器，必须外接存储器。而 89C51 单片机本身包含 4KB字节的闪存程序存储器和 256个字节的 RAM数据存储器，又可分别扩展 64KB外部 RAMnts长春工业大学毕业设计 13 存储器和 64KB 外部程序存储器。可以使硬件结构简化，功能加强，故选择 AT89C51单片机。 五、 执行机构的确定 选择实验台的加热器及冷却风扇分别进行加热和冷却工作 六、 外围设备的确定 一个完整的控制系统必须有必要的外围设备，根据系统的要求，选择 CMOS LED显示，驱动器选择 MC14499，其功 能和原理将在第四章中进行详细介绍。 nts长春工业大学毕业设计 14 第三章 控制算法 3.1 控制算法的确定 控制算法是指为了实现控制功能和控制规律由微机所实现的控制计算方法，它通常变成相应的程序储存起来，一旦微型机投入运行就需要执行这些程序。 控制算法是微型机控制系统的灵魂，它反映了系统的水平，没有合适的控制算法，即使硬件再舍得投资，再高档的计算机和外围设备，也不能实现控制要求。因此确定适当的控制算法尤为重要。 常用的算法有以下几种： （ 1）采用模拟设计方法 的 PID算法。 （ 2）采用直接数字设计方法的最少拍控制和大林算法。 （ 3）采用现代控制理论设计的最小方差控制。 考虑本系统的控制要求精度及实际情况采用 PID算法即可。 3.2 PID控制算法论证 一、 PID控制规律 在数字控制系统出现以前，大多工业生产中的控制系统都是模拟控制系统或称连续控制系统。其控制规律大多采用 PID控制方式。 PID控制是按比例（ P）、积分 (I)、微分 (D)进行的控制，是多年来在工业中应用最为广泛的一种控制规律。它具有原理简单、易于实现和不需要精确的知道对象数学模型等优点。能适应相当 多的工业对象的控制要求。 在用计算机实行 PID控制时，不仅仅是单纯把 PID控制规律数字化，而是与计算机的编程灵活以及逻辑判断能结合起来，使 PID 控制得到改进和完善，更加有效方便、灵活多样。它是微型机控制系统中一种最常用的控制算法。 R PID的模拟表达式为： U(t)=Kpe(t)+1/Ti e(t)dt+Td*de(t)/d(t) 式中， u为控制器的输出信号， e(t)被控量 y与给定植 r的偏差 Kp为比例增益，P I D 被控对象 nts长春工业大学毕业设计 15 Ti为积分时间。 Td为微分时间。该式写成传递函数形式为： u(s)/E(s)=kp(1+1/Ti+Tds) 二、 PID控制算式的离散化 由于微型机控制的都是时间上的离散控制，为了便于与用微型机实现 PID控制，必须把模拟式离散化，既把模拟 PID变成数字 PID。将对应的积分方程式变为差分方程式。于是得到如下式： u(k)=kpe(k)+T/Ti e(j)+Td/Te(k)-e(k-1) 其中， u(k)为第 K个采样时刻的控制量， t=T为采样周期， e(k)与 e(k-1)分别为第 k次和第 k-1次采样时刻的偏差值， k=012 为采样序号。 该式称为位置式 PID 算式。这是由于它的输出 u(k)是与执行机构的位置一一对应的。 但是，位置式 PID 算式在实际计算时很不方便，要想计算 u(k),不仅需要本次与上次的偏差信号 e(k)与 e(k-1)，而且还要在积分项 e(i)中把历次偏差信号 e(j)相加。这样不仅金计算复杂还要占用大量的内存，因此，必须对位置式进行改造。经一系列推导，可得出下式： u(k)=u(k)-u(k-1)= kpe(k)-e(k-1)-(T/Ti)e(k)-(Td/T)e(k)-2e(k-1)+e(k+1)= kpe(k)-e(k-1)+ki*e(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2) 式中 ki=kp(T/Ti)为积分系数， kd=kp(Td/T 称为微分系数。 由于式中的 u(k)对应于第 k个采样时刻的输出增量，所以称上式为增量式 PID算式，而第 K个采样时刻的控制量，而第 K个采样时刻的控制量 u(k)=u(k-1)+ u(k) 可见，增量型的计算只需用到 e(k-1),e(k-2)和 u(k-1)着三个历史数据，这些数据已在前面的时 刻存入内存储器中，在每个采样周期，采用平移法更新这些数据，既在计算出 u(k)后，首先将 e(k-1)存入 e(k-2)单元，再将 e(k) 存入 e(k-1)单元，把 u(k)存入 u(k-1)单元，以便下一采样周期的计算做好准备。 增量时具有明显的优点，它编程简单，对历史数据要求不高，而且可以递推使用nts长春工业大学毕业设计 16 占用内存单元少，运算速度快。 为了计算的简便和编程的方便，增量式可以写成下面更加简明的公式： u(k)=q0*e(k)+q1*e(k-1)+q2*e(k-2) 其中： q0= kp(1+T/Ti+Td/T) q1=-kp(1+2Td/T) q2=kp(Td/T) 系数 q0、 q1、 q2 可以事先离线算好，存入内存单元中，按式计算 u(k),每次只要做三次乘法和二次加法即可。 nts长春工业大学毕业设计 17 第四章 系统硬件 4.1 温度传感器 AD590 集成温敏传感器将温敏晶体管及其外围电路集成在同一片芯片上，构成集测量、放大、电源供电电路于一体的高性能测温传感器。其典型的工作温度范围是（ -50-150），具体数值可能因型号和封装形式不同而不同。 按输出电量类型的不同来区分，集成温敏传感器可分为电 压型、电流型和频率输出型三大类。电压输出型传感器的优点是直接输出电压，且输出阻抗低，易于同读出或控制电路接口；电流输出型传感器输出阻抗极高，因此可以简单地使用双股绞线传输数百米远，而不必考虑传输导线的电阻，也不必考虑选择开关或多路转换器引入的接触电阻造成的误差；频率输出型传感器除了具有与电流输出型传感器相似的优点外，还便于与数字化器件如计算机相连接。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值 VBE与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系实现对温度的检测： 式中， K 波尔兹常数； q 电子电荷绝对值。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为 10mV/K，温度 0时输出为 0，温度 25时输出 2.982V。电流输出型的灵敏度一般为 1A/K。 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： 1、 流过器件的电流（ A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： nts长春工业大学毕业设计 18 式中： 流过器件（ AD590）的电流，单位为 A； T 热力学温度，单位为 K。 2、 AD590的测温范围为 -55 +150。 3、 AD590的电源电压范围为 4V 30V。电源电压可在 4V6V 范围变化，电流 变化 1A，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4、输出电阻为 710M。 5、精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M 五档，其中 M 档精度最高，在 -55 +150范围内，非线性误差为 0.3。 一、 AD590的应用电路 1、基本应用电路 图 1（ a）是 AD590的封装形式，图 1（ b）是 AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流 过 AD590 的电流与热力学温度成正比，当电阻 R1和电位器 R2的电阻之和为 1k 时，输出电压 VO随温度的变化为 1mV/K。但由于 AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把 AD590 放于冰水混合物中，调整电位器 R2，使 VO=273.2mV。或在室温下 (25 )条件下调整电位器 , 使VO=273.2+25=298.2（ mV）。但这样调整只可保证在 0或 25附近有较高精度。 2、摄氏温度测量电路 如图 2 所示，电位器 R2用于调整零点， R4用于调整运放 LF355 的增益。调整方法如下：在 0时调整 R2，使输出 VO=0，然后在 100时调整 R4使 VO=100mV。如此反复调整多次，直至0时， VO=0mV， 100时 VO=100mV 为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为 25，那么 VO应为 25mV。冰水混合物是 0环境，沸水为 100环境。 要使图 2 中的输出为 200mV/，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由 R3与电位器 R4串nts长春工业大学毕业设计 19 联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为）时，因华氏温度等于热力学温度减去 255.4再乘以 9/5，故若要求输出为 1mV/，则调整反馈电阻约为 180k，使得温 度为 0时， VO=17.8mV；温度为 100时， VO=197.8mV。 AD581 是高精度集成稳压器，输入电压最大为 40V，输出 10V。 3、温差测量电路及其应用 (1). 电路与原理分析 图 3 是利用两个 AD590 测量两点温度差的电路。在反馈电阻为100k 的情况下，设 1#和 2# AD590 处的温度分别为 （）和 （），则输出电压为 。图中电位器 R2用于调零。电位器 R4用于调整运放 LF355 的增益。 由基尔霍夫电流定律： 1） 由运算放大器的特性知： 2） 3） 调节调零电位器 R2使： 4） 由（ 1）、（ 2）、（ 4）可得： 设： R4=90k 则有： = = 5） 其中， 为温度差，单位为。 由式（ 5）知，改变 的值可以改变 VO的大小。 4.2 热电阻 Pt100 介绍 铂 是一种贵金属，其主要优点是物力化学性能稳定，并且有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝（直径可达到 0.02mm 或更细）或极薄的铂箔。它的缺点是电阻温度系数较小。 我国已采用 IEC 标准制作铂电阻温度计。按 IEC 标准，铂的使用温度范围为 -200650。铂电阻温度计除作温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，在测量精度要求不高的场合下，均采用铜电阻。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可近似用下式表示： 在 -200 0范围内 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)3 在 0 850范围内 Rt=R0(1+At+Bt2) 式中 R0 Rt 分别为 0和 t时的阻值； 对于常用的工业铂电阻， A=3.90802 10(-3） / ,B=-5.802 10(-7)(-2),C=-4.27350 10(-12) (-4). nts长春工业大学毕业设计 20 4.3 AD574A 接口电路 一、 模拟量输入 /输出接口技术 由于计算机本身只能处理数字量 (二进制代码 )。而在计算机应用领域中，特别是在实时控制系统中，常需要把外界连续变化的物理量 (如温度、压力、流量、速度 )，变成数字量 输入计算机进行加工、处理。反之，也需要把计算机计算结果的数字量转换成连续变化的模拟量输出，用以控制，调节些执行机构 ,实现对被控对象的控制。若输入的是非电量信号，就需要通过传感器其转换成电信号，这种把模拟量变成数字量和把数字量转换成模拟量，就称为模 /数和数 /模转换。实现这类转换的器件，就称为模 /数 (A/D)和数 /模 (D/A)转换器。图 5.48 是具有模拟量输入和输出的 MCS-51 应用系统。 图 3 具有模拟量输入和输出的 MCS-51 应用系统 模 /数和数 /模转换技术是数字测量和数字控制领域 中的一个专门分支，有很多专门介绍 A/D、 D/A 转换技术与原理的专著。也有大量商品化的 A/D、 D/A 转换器。作为有明确应用目的单片机产品设计人员来说，只需要正确合理地选用现有的 A/D、 D/A 转换器，了解它们的功能和接口方法，达到应用的目的。这一节我们从应用的角度出发，介绍几种常用的 A/D、 D/A 转换器和 MCS-51 系统的接口逻辑设计和相应的程序设计。 二、 A/D 芯片介绍及其接口设计 A/D 转换器能把输入的模拟信号转换成数字信号 ,这样微处理机就能从传感器，变送器或其它模拟装置中获得信息。从而大 大地扩宽了计算机的应用领域。 A/D 转换器的应用范围极广，品种及类型很多。根据 A/D 电路的工作原理可分为以下几大类型： 双积分型 A/D 转换器，一般具有精度高，抗干扰性好，价格便宜等优点，但转换速度慢，广泛用于数字仪表；逐次逼近比较型 A/D 转换器，在精度、速度和价格上都适中； 并行 A/D 转换器，这是一种采用编码技术实现的高速 A/D 转换器。 (1) 采样和量化 在 A/D 转换中，一般要完成采样、量化和编码 3 个内容。 1. 采样 (取样、抽样 ) nts长春工业大学毕业设计 21 被转换的模拟信号在时间上是连续的，它有无限多个瞬时值。而 A/D 转换过程总是需要时间的，不可能把每一个瞬时值都一一转换为数字量。因此，必须在连续变化的模拟量上按一定规律 (周期地 )取出其中的某一些瞬时值 (样点 )来代表这个连续的模拟量。这个过程就是采样。采样是通过采样器实现的。采样器 (电子模拟开关 )在控制脉冲 s(t)的控制下，周期地把随时间连续变化的模拟信号 f(t)转变位时间上离散的模拟信号 fs(t)。图 1 为采样过程的采样器输入输出波形。从图中可以看出，只有在采样瞬间允许输入信号 f(t)通过采样器，其它时间开关断开，无信号输出。采样器的输出 fs(t)是一系列窄脉冲 ，而脉冲的包络线是与输入信号相同的。 图 1 采样器输入输出波形 从图中可看到，在采样点上采得的信号 fs(t)的值和原始输入信号 f (t)在相应时间的瞬时值是一样的。即 f (t)在该瞬间无论是何值都会在 fs(t)的幅度上如实地反映出来，所以采样后的信号在量值上是连续的。样点值保留了，非样点值都被舍掉了。人们自然要问，这样会不会丢失信息？输出信号能否如实地再现原始输入信号
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