电气电子毕业设计53成都电子大学智能温度控制系统设计
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电气电子毕业设计53成都电子大学智能温度控制系统设计,毕业设计论文
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成都电子机 械高等专科学校 04 级毕业设计 摘 要 智能温度控制系统 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计 编程的 ， 其 指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。使硬件在软件的控制下协调运作。 根据本温度 系统的设计要求，该系统是由单片机和温度传感器与一体的综合设计，由于是用单片机采集温度信号，所以在之前必须对温度信号进行放大和转换，就应该选择放大器和 A/D 转换器，本系统要实现人工智能化，就必须有对温度进行设定，所以还需要设计键盘与单片机系统进行沟通。 关键字 ：单片机 温度传感器 键盘 A/D转换器 放大器 nts成都电子机 械高等专科学校 04 级毕业设计 目 录 摘 要 . I 第一章 绪 论 . 1 第二章 设计要求 . 2 2.1 设计课题工艺过程简介 . 2 2.2 控制任务指标及要求： . 2 第三章 系统设计思想 . 3 第四章 硬件的选择 . 4 4.1 单片机的选择 . 4 4.2 温度传感器的选择 . 4 4.3 显示器的选择 . 4 4.4 键盘的选择 . 4 4.5 温度控制部分 . 5 4.6 自动推舟控制部分 . 5 4.7 实现方案 . 5 第五章 硬件设计 . 6 5.1 单片机基本系统： . 6 5.1.1 单片机 8051. 6 5.1.2 8155 简介 . 9 5.2 前向通道 . 13 5.2.3 温度传感器： . 13 5.2.4 运算放大器 . 15 5.2.5 A/D 转换器： . 18 5.3 后向通道 . 19 5.4 人机对话通道 . 20 5.4.1 显示器： . 20 5.4.2 键 盘 . 23 5.4.3 74922 引脚说明及功能 . 26 5.5 其他外围器件 . 26 第六章 软件设计 . 29 6.1 软件设计思路： . 29 6.2 程序设计流 程说明： . 29 6.3 主程序流程图如下： . 30 6.4 键盘输入中断服务程序 . 31 6.5 温度检测子程序流程图 . 31 6.6 程序清单 . 32 结 论 . 37 谢 辞 . 38 参考文献 . 39 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 1 第一章 绪 论 计算机是人类有史以来最伟大的发明之一，人类经过几个世纪的努力，把计算机从中国古老的算盘发展到当代的计算机。当代计算机并非仅用于计算，它更广泛地应用到社会生活中的各个领域，从宇宙飞船到人造卫星，从天气预报到地震预报，从办公自动化到生产过程自动化，都离不开计算机的应用，计算机已成为促进现代文明的进步，推动人类社会发展的 “ 智能工具 ” 。 单片微型计算机（ single chip microcomputer）被称为单片机，它是各类专用控制器而设计的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通微机的微处理器、一定容量的 RAM和 ROM以及输入 /输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。 单片机的应用十分广泛，其具体有以下几个特点： （ 1） 小巧灵活、成本低，易于产品化。它能方便地组装成各种智能化的控制设备及各种智能仪器仪表。 （ 2） 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。 （ 3） 抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境条件下 都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的。 可以很方便地实现多机和分布控制。使整个系统的效率和可靠性他大为提高。 （ 4） 单片机具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，今年来还开发了一些以单片机母片（如 8051），在片中嵌入更多的专用型单片机，因此单片机在计算机控制领域中应用越来越广泛。 单片机的应用意义 不仅 带来的巨大经济效益。更重要的意义还在于单片机的应用正从根本上改变着传统的抗争系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件的方法实现。这种以软件取代硬件并提高系 统性能的控制技术，称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的推广和普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。 温度是工业控制对象中主要的被控参数之一 ,特别是在冶金 ,化工 , 建材 ,食品加工 ,机械制造等各类工业中广泛使用加热炉 ,热处理炉 ,反应炉等 。 这些技术高精度高的自动控制可以使用计算机来完成。但由于在工业生产中，生产的对象往往是复杂多变的，都用计算机控制可能增加生产成本，因此为了能够满足人们的生产需要，在很多生产控制中就运用到了单片机控制下面就是运用单片机 控制元件生成的推舟设计系统 。 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 2 第二章 设计要求 设计一个温度控制系统， 实现 计算机控制自动推舟系统具体要求如下 : 2.1 设计课题工艺过程简介 随着现代社 会的高速发展，在工业生产现场和电力电子技术领域中，半导体元器件得 到广泛的利用 。在半导体产品的研制和生产过程中，有一道关系到半导体器件性能的关键 工序 在外延片上均匀地生长若干不同厚度的掺杂层，生长的方法是 ： 首先，将待加工 的外延片放在液相外延炉中预热，在推杆的前端并 列放着几个小方框， 小方 框中装有不同的惨杂物。当炉温达到一定温度值后，预热结束后炉温开始下降，根据半导体器件的要求，当炉温降到某个设定值时，便要将推杆推进一 个舟的距离，使舟中的掺杂物对准外延片，并在外延片生长一片薄层。当炉温再降到另一个规定值时，直到掺杂完所有层，生成半导体器件。根据该半导体器件的掺杂层数的不同推舟的距离在 20mm-170mm之间。同样，推舟的速度也各有不同的要求，大约介于 7mm/s-25mm/s 之间。 2.2 控制任务指标及要求： 掺杂推舟工作温度范围： 700- 400 推舟总距离 ：小于 170mm 一次推舟距离： 20mm-170mm 推舟的速度（可转化为时间）： 7mm/s-25mm/s 一次工序推舟次数： 1-6个舟 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 3 第三章 系统设计思想 由于每种半导体器件在掺杂推舟中，其生长层数、舟长度、推舟速度以及推舟温度都不完全相同，因而，在控制系统中必须配备简易的键盘和显示器，以便能够输入和显示各种控制参数，以及控制系统的启动和停止。 该控制系统应该能够接受采集温度信号，并完成信号的非电量到电量的转换， A/D 转换，根据对应的温度值来执行相应的动作。 在本推舟控制系统中，拟采用步进电机与滚珠丝杆 相结合的方法来带动推杆的运动。因而推杆的运动是步进式的。控制步进脉冲的个数和时间间隔，便可以精确的控制位移和时间。 为了便于控制，系统软件应该具备简易的监控功能，以管理显示和键盘。要对接受到的数据进行转换、存储和各种换算，还要将检测到的给定值进行比较，比较值相符合，发出相应的换算的步进脉冲，以达到控制目的。 依据设计的要求，可以有以下的硬件 设计 框图： 通过上面框图我们可以划分为几个模块来进行硬件设计，通过模块话设计将使设计思路能够清晰明了的展现出来，便于分析和编程 。 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 4 第四章 硬件的选择 4.1 单片机的选择 在当今的单片机世界里，现在世界上用量最大的几种单片机是 MCS-51系列。该系列单片机以其高性价比，兼容性强，软硬件资源丰富，得到了广泛的应用。针对本设计，选用对于存储空间的要求不是很高， 4K 的程序存储空间已经够用，没有必要使用其他存储空间扩展的单片机。 4.2 温度传感器的选择 根据设计要求，由于此设计属于工业生产范围，所以对传感器的要求也很高。在推舟过程中炉温在 400 700 之间，所以要求温度传感器的测量范围在这个之间或有结余。经过对资料的查找本设计选择 装配式镍 镉 -铜镍热电偶传感器 。工业用的装配式热电偶作为测量温度的变送器通常和显示仪器、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从 0 到 1800 范围的液体、气体和蒸汽介质以及固体的表面温度，在测量过程中热电偶传感器能够至于炉温中直接检测到炉温，所以选择热电偶式传感器较为合适。（设计中选择了型号的传感器） 4.3 显示器的选择 题目要求能够显示所测得的温度值实现实时监控。并且可以根据需要，既要能够显示炉温的温度还要能够显示设定值温度。同时为了节约成本我们采用三支 LED 数码显示管，并且要使显示器呈动态 显示状态。 4.4 键盘的选择 根据设计思路知道，设计要求能够实现人机对话，也就是可以根据不同元器件的生产需要进行人为的设置温度，控制温度上限、下限以及对各个温度点的设置，从而来控制电动机的运行实现推舟生产过程。所以为了更方便的进行操作，我们选择 44式键盘， nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 5 4.5 温度控制部分 我们要通过单片机的引脚来对温度进行控制，显然，直接通过引脚对温度的加热设备进行控制，不是很 现实，我们只有通过驱动器来对引脚的信号进行处理，来对温度 进行检测和 控制 。 在本计中， 为了采集温度信号，使温度能够准确的采集和处理，我 采用 了热电偶式 温度传感器。 通过它的外围器件，能够以小的信号控制比较大的信号。 由于热电偶传感器的测量点可以放置在被测对象上或周围，因此检测到的信号比较准确。为了补偿热电偶在测量过程中损失的热电势，我采用了电桥冷端补偿法。具体信息将在后面进行介绍。 4.6 自动推舟控制部分 由于自动推舟控制过程中，根据生产需要实现定位控制，因此在设计中采用性能良好的步进电动机作为执行元件，当电机旋转时通过丝杆把电机的旋转运动转化为直线位移，从而推动舟的运动。我们之所以选用步进电机是因为其具有可靠的快速启动和停止的功能，如果 负荷不超过其所提供的动态转矩值，就能够在一刹那间启动与停 止，符合系统设计的需要。由于时间 比较仓促 的关系在本设计中 我就 对其软件部分 进行了省略。 4.7 实现方案 方案 一 ：由于设计题目要求选用 8031单片机来实行系统的控制，但受到 8031的内存限制，在设计过程中需要对 8031进行扩展，因此增加了硬件需求，同时增加了成本。 方案二： 8051和 8031 具有相同的功能，但 8051内部增加了 ROM/EPROM 从而使存储的空间加大，在设计中不许要扩展其他硬件。 通过以上比较，选用 8051作为次设计系统的控制核心比较理想 。 具体的实现过程，将会在硬件，软件部分详细的进行说明 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 6 第五章 硬件设计 在实现硬件设计中需要用到单片机、 A/D转换、步进电机、键盘、显示器、传感器 、电阻、电容等，具体器件介绍如下： 5.1单片机基本系统： 单片机系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的MCS-51 系列单片机 8051。 8051 可以提供系统控制所需的中断、定时及存放中间结果的 RAM 电路但片内没有程序存储器，因此单片机基本系统中除了应包括复位电 路和晶体振荡电路以外，还应扩充程序存储器。 5.1.1 单片机 8051 8051 是 MCS-51 系列单片机中的一个产品， MCS-51 系列单片机是 Intel 公司推出的通用型单片机。 MCS-51 系列单片机的各种型号都是以 8051 为核心电路发展起来的，因此他们都具有 MCS-51的基本结构与软件特征。 8051的特点 ： 8位的 CPU 具有布尔处理功能 4K字节片内程序存储器（ ROM） 128字节片内数据存储器（ RAM） 21个特殊功能寄存器（ SFR） 4个 8位的并口、 32根口线 两个 16位的定时计数器 一个全 双丁的串口 5个中断源， 2个中断优先级 8051引脚说明 : I/O端口 :P0.0 P0.7, P1.0 P1.7, P2.0 P2.7, P3.0 P3.7. 8051 共有 4 个 I/O 端口 ,为 P0, P1,P2,P3,4 个 I/O 都是双向的 ,且每个口都具有锁存器 .每个口有 8条线 ,共计 32条 I/O线 .各端口的功能叙述如下 . nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 7 （ 1） P0 有三个功能 : 外部扩充存储器时 ,当作数据总线（ D0D7） . 外部扩充存储器时 ,当作地址总线（ A07） . 不扩充时 ,可做一般 I/O 使用 ,但内部无上拉电阻 ,作为输入或输出时应 在外部接上拉电阻 . （ 2） P1 只做 I/O口使用 ,起内部有上拉电阻 . （ 3） P2 有两个功能 : 扩充外部存储器时 ,当作地址总线（ A8A15） . 做一般 I/O使用 ,起内部有上拉电阻 . （ 4） P3 有两种功能 . 除了作为 I/O 使用外（内部有上拉电阻） ,还有一些特殊功能 ,(略 )端口 1,2,3有内部上拉电阻 ,当作为输入时 ,其电位被拉高 ,若输入为低电平可提供电流源 ;起作为输出时可驱动 4 个 LS TTL.而端口 0 当作输入时 ,出在高阻抗的状态 ,其输出缓冲器可驱动 8个 LS TTL(外部的上拉电阻 ). VDD:电源 +5V. VSS:GND接地 . （ 5） ALE/PROG (ADDRESSLATCHENABLE) 地址锁存器使能信号端有三种功能 : 8051 外接 RAM/ROM:ALE 接地址锁存器 8282(8212)的 STB 脚 ,74373 的 EN 脚 ,当 CPU对外部存储器进行存取时 ,用以锁住地址的低位地址 . 8051 未外接 RAM/ROM:在系统中未使用外部存储器时 ,ALE 脚也会有 1/6 石英晶体的振荡频率 ,可作为外部时钟。 在烧写 EPROM： ALE 作为烧写时钟的输入端。 （ 6） PSEN（ PROGRAM STOR ENABLE）：程序储存使能端。 内部程序存储器读取：不动作。 外部程序存储器读取（ ROM）；在每个机器周期会动作两次。 外部数据存储器读取（ RAM）：两个 /PSEN 脉冲被跳过不会输出。 外接 ROM时，与 ROM的 /OE脚连接。 （ 7） RESET 此 脚为高电平时（约 2 个机器周期） ,.可将 CPU 复位 ,CPU 复位后其累加器及存储器的内容如表 5.1.1： nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 8 (8) EA/VPP: 接高电平时： CPU 读取内部程序存储器（ ROM），如 8051/8052。 扩充外部 ROM：当读取内部程序 存储器超过 0FFFH（ 8051）、 1FFFH（ 8052）时，自动读取外部 ROM。 接低电平时： CPU 读取外部程序存储器（ ROM），如 8031/8032。 8751烧写内部 EPROM 时，利用此脚输入 21V 的烧写电压。 （ 9） XTAL1， XTAL2：接石英晶体振荡器。 机器周期 =石英晶体 12 ，如 12MHz石英晶体 /12=1 微秒。 8051硬件如下图： 综上所述：单片机的 4个并行口线，除 P1 口可以作为用户使用的 I/O口线，在需要扩展片外存储器时， P0， P2口只能用作数据总线和地址总线 ，由于 P0口在扩展时，既可作为数据总线又可作为地址总线，所以它作为地址总线时，需要外加地址锁存器。P2口作为第二功能时，其中的许多口线是作为控制信号线使用的。只有在不使用 P0，P1， P3口的第二功能时，它们可以作为一般的 I/O口使用，如不需要扩展存储器和 I/O口时， P0、 P2可作为一般的双向口。 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 9 2.控制口线： EA/VPP， PSEN， ALE， RST EA/VPP：片内外程序存储器选择 /编程电压 EA/VPP=1， CPU从片内程序存储器开始执行程序，即 PC首先指向片内 ROM。 EA/VPP=0， CPU指向片外程序存储器中的程序，即 PC 只指向片外 ROM。 EA/VPP=21V，编程电压，对于片内 EPROM 进行编程。 片外程序存储器的读选通信号，当 PSEN=0 时， CPU从片外程序存储器取指令。 ALE/PRG：地址锁存信号 /编程脉冲 访问外部存储器时， ALE用于锁存地址的低 8位。即使不访问外部存储器， ALE仍然以震荡频率的 1/6周期性的向外输出正脉冲，用它作为外部定时基准。 ALE端的负载能力为 8个 LSTTL。在对片内 EPROM进行编程时，作为编程脉冲输入端。 RST/VPD：复位信号 /掉电保护 此端保持两端周期的高电平，可以使单片机复位。在 VCC 掉电期间，此引脚接上备用电源，可保持片内 RAM 中的信息 5.1.2 8155 简介 8155为 Intel公司的一种功能可编程接口芯片，它具有两个 8位和一个 6位可编程的 I/O接口、 256字节的 RAM存储器、一个 14 位的计数 /定时器。在单片机中有广泛的应用。 8155的特点如下： AD7 AD0，三态地址 /数据总线； PA7 PA0， A口输入 /输出线； PB7 PB0， B口输入 /输出线； PC5 PC0， C口输入 /输 出线或为 A， B口的控制信号线 当 C口作为控制信号线时，其功能如下； PC0， A口中断请求信号线。 PC1， A口缓冲器信号线。 PC2， A口选通信号线 PC3， B口中断请求信号线。 PC4， B口缓冲器信号线。 PC5， B口选通信号线 CE，片选信号线，低电平有效 RD，存储器读信号线 WR，存储器写信号线，低电平有效 ALE，地址锁存信号线 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 10 IO/M， I/O口与存储器选择信号线。 IO/M 为 1时，选择 I/O口； I/O 为 0 时，选择存储器。 TIMEIN，计数 /定时器脉冲输入有效。 TIMEOUT，计数 / 定时器输出端。 RESET，复为信号线。 VCC， +5V电源。 VSS，接地端。 8155的外型结构如图 5.2.3所示： 8155的芯片内部结构： 8155的内部结构包括两个 8位的并行输入 /输出端口， 256个字节的静态 RAM，一个地址锁存器，一个 14 位的计数 /定时器和控制逻辑电路。 8155的工作方式 ： 8155 的控制逻辑中设置了一个命令 /状态寄存器，它实际上使两个 不同的寄存器，分别存放命令字和状态字，对控制命令寄存器只能进行写操作，而对一起称为命令 /状态字寄存其。其中，命令字用于选 择 I/O 口的工作方式，状态字用于选择 A口和B口和定时器当前的工作状态，其格式如 下 ： 在控制信号中， IO/M =1时， CPU选择对存储器进行读 /写操作。 256个字节的存储 器地址范围为 00HFFH， I/O口和寄存器的地址分配如下表： nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 11 命令字寄存器： 8155的 A 口和 B口具有基本输入输出和选通输入输出两种工作方式，这个方式选择由 C口的工作方式决定，当 C口的工作方式作为一般输入 /输出口时， A、 B口工作于基本 输入输出方式；当 C 口用于提供控制 /状态信号时， A、 B 口工作于选通工作方式。 A、 B口具体工作于输入还是输出，又命令字的的 D1、 D0位决定。 8155的 C口既可用作基本输入 /输出口，也可以用于提供 A、 B的控制 /状态信号， 具体地说，有 ALT1、 ALT2、 ALT3、 ALT4四种工作方式，如图三所示。 C 口的前两种工作方式分别为输入输出方式。 C 口工作于 ALT3方式时， B 口工作于基本输入 /输出， A 口工作于选通工作方式。 C 口为 A 口提供 3 根控制 /状态信号线（ C 口的另 3 位输出）。 C口工作于 ALT4方式时， A 口和 B 口均工作于选通方式， C 口位 A、 B 口提供 6 根控制 /状态信号（ C口全为控制 /状态 线）。 C口的工作方式与 A、 B口工作关系如 表 5.1.4： 8155片内设置了一个 14位的减法计数器，用于对外部输入的脉冲信号进行减 1计数。定时计数器的外部脉冲信号由 TIMERIN引脚输出，定时器的输出引脚位 TIMEROUT。计数 /定时器的计数值和工作方式，由 8 位计数 /定时器寄存器设定，如下图 5.1.5 所nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 12 示： 其中， T13T0为计数器值，范围为 0002H3FFFH， M2、 M1用于设置定时器的工作方式。定时器的工作方式有四种，每一种的区别主要在于输出波形不同，方式 00 和 01常用于对脉冲进行分频，方式 10和 11为计数 /定时到，输出负脉冲信号，具体波形如下图 5.1.6所示： 对定时器进行编程时，应该先将技数初值和定时器工作方式装入寄存器，计数是否启动由命令字的最高二位控制 ，具体控制方式如下。 TM2 TM1 0 0：空操作，不影响计数 0 1：停止定时器计数，若计数器没有启动，则相当于空操作 1 0：定时器值减为 0时，停止计数 1 1：启动，置方式和初置后立即启动；若正在计数则表示置新的方式和初置，计数结束后，按新的方式和 初值计数。 任何时刻都可以设置定时器的初值和工作方式，但是必须将启动命令写入命令寄存器。如何定时器正在计数，那么，只有写入启动命令之后，定时器才接收新的计数初值并按新的工作方式计数。 由于 8155 内部带有地址锁存器，因此，它与 8031 的接口电路非常简单，不需任何附加的电路。图 7 是 8031 与 8155 的接口电路，存储器 RAM 和 I/O 口的地址分配如下。 存储器的地址： 7E00H7EFFH。 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 13 I/O的地址 命令 /状态寄存器 7FF8H PA口 7FF9H PB口 7FFAH PC口 7FFBH 定时器底 8 位 7FFCH 定时器高 8 位 7FFDH 5.2前向通道 前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、 A D转换等电路。由于温度变化是一个相对缓慢的过程，固此前向通道中没有使用采样保持电路。 按设计要求，温度控制静态误差 l 0C，炉温给定范围为 400 700 ，而对 炉温的检测范围应适当大于此范围，设为 400 7500C，则系统的控制总误差应不大于 1(95 35)X100 1 67，分配到前向通道的信号采集总误差应不大于系统总误差的1 2，即精度应为 o 83，可以采用 8位 A D转换器实现。 前向通道包括： A/D 转换 器 、传感器、放大器 5.2.3 温度传感器： 我们知道，在推舟工作区中，推舟掺杂的工作温度范围为 700 400 。为了检测温度并控制推舟，这里采用了接触式的温度测量方法，以 热电偶 作为测温元件，置于工作区中。考虑到测温范围和精度，以及价格因素 的影响，这里选用装配式热电偶 WRE2型传感器。其测温上限长期为 900 ，短期可达 700 。 1.热电偶特点及应用范围 特点 热电偶可将温度直接转换成电量信号 ,便于监测； 结构简单 ,制造容易 ,价格便宜； 惰性小 ,准确度高 ,测量范围广； 可做成多种结构 ,以满足各种测量对象的要求； 适用于远距离测量与控制； 但其准确度难以超过 0.2 ； 参考端温度影响测量 ,必须进行补偿； 在高温或长期使用时 ,因受被测介质的影响或环境气氛的腐蚀作用而发生劣化。 应用范围： nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 14 热电偶适用于各行各业各个领域生产过程中 200 1300 范围内的温度测量，在特殊情况下，可测量 2800 的高温和 4K的低温。 2. 热电偶传感器工作原理 热电偶是一种使用最多的一种传感器，它的工作原理是由两种不同的导体或半导体 A和 B 组成的一个回路，其两端相互连接，只要结点处的温度不同，一端的温度为 T，另一端的温度为 T0，则回路中就有电流产生，即回路中存在电动势，该电动势称为热电势。 当回路断开时，在断开处 a, b之间便有一电动势 ET,其极性和量值与回路中的热电势一致，规定为冷端，当电流由 A流向 B时，称 A为正极， B为负极。热电势 ET 与温度差 （ T T0）成正比，即 ET =SAB（ T T0） SAB为赛贝克西蜀，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大取决于热电极材料的相对特性。 两种导体的接触电势 不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会发生电子扩散， 浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。 温度 T时热端接触电势： 冷端接触电势： 式中： A、 B代表不同材料； 在闭合回路中，总的接触电势为： 3. 热电偶传感器的主要技术参数 热电偶的主要技术参数有型号、分度号、测量范围、允许误差、热响应时间、公称压力、热电动势率、长期稳定性、热电偶的电阻 R0等。 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 15 WRE2温度型传感器属于装配式镍镉 -康铜热电偶传感器，其工作范围为 333 900 ，允许误差在 0.0075 ，时间常数 t 90 ，该型号在系统中测量 400 700 之间的温度，经查表知在 400 时，其热电动势为 33.767mV,在 700 时其电动势为 57.873 热电偶的的热电动势计算公式： E =BITI 热响应时间：热响应时间也称时间常数，它 是用来表示热电偶对温度变化感应快慢的惰性参数，在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的 63.2 所需的时间。 冷端补偿 ： 本系统使用镍铬 康铜热电偶，被测温度范围为 400 700 ，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻 R1、 R2、 R3(锰铜丝绕制 )、 Rcu(铜丝绕制 )四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。 Rcu 与热电偶冷端同处于 0, 而 R1=R2=R3=1 ，桥路电源电压为 4V，由稳压电源供电， Rs 为限流 电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在 20 时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻 R1=R2=R3=Rcu， a、 b 端无输出。当冷端温度偏离 20 时，例如升高时， Rcu 增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。 Uab 与热电势减小量相等， Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。 5.2.4 运算放大器 运算放大器（常简称为 “ 运放 ” ），是广泛应用的、具有超高放大倍数的电路单元。可以由分立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形 式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。在这里选用集成放大器 0P07型， 内部结构及 硬件图如 下 ： 工作原理 ： 一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（ Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 16 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的 输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（ rail-to-rail）输入运算放大器。 运放的输出电位通常只能在高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值之间变化。经过特殊设计的运放可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。这种运放成为轨到轨（ rail-to-rail）输出运算放大器。 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音 频段有：输出电压 =A0（ E1-E2），其中， A0 是运放的低频开环增益（如 100，即 100000 倍）， E1 是同相端的输入信号电压， E2 是反相端的输入信号电压 运算放大器均是采用直接耦合的方式，直接耦合式放大电路的各级的 Q 点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。当输入短路时（由于一些原因使输入级的 Q 点发生微弱变化，比如：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。 产生零漂的原因是：晶体三极管的参数受温度的影响 实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几 十毫伏 (30mV)，且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂较小。由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。由三运放组成测量放大器，差动输入端 R1和 R2分别接到A1和 A2的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制 共模信号的能力。 A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为 1。测量放大器的放大倍数为： AV=V0/（ V2-V1）， AV=Rf/R(1+(Rf1+Rf2)/RW)。在此电路中，只要运放 A1和 A2性能对称 (主要指输入阻抗和电压增益 )，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。 RW是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器。 实际电路中 A1、 A2采用低漂移高精度运放 OP-07 芯片，其输入失调电压温漂V IOS和输入失调电流温漂 I IOS都很小， OP-07 采用超高工艺和 “ 齐纳微调 ” 技术，使其 VIOS、 IIOS、 V IOS和 I IOS都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。 OP-07要求双电源供电，使用温度范围 0 70 ，一般不需调零，nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 17 如果需要调零可采用 RW进行调整。 A3采用 741 芯片，它要求双电源供电，供电范围为(3 18)V，典型供电为 15V ，一般应大于或等于 5V ，其内部含有补偿电容，不需外接补偿电容。 0P07放大器的具体参数： 开环增益 (v/V)： 0.12 共模抑制比 （ dB） :94106 初始失调电压（ V）： 75150 失调电压漂移：（ V/ ）： 2.5 偏置电流（ 25 ） n A max:412 电压噪声（ 1Hz） :11 电源电压： 4 经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为 0 5V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行 A/D转换。 放大器的放大倍数计算如下 ： 上式中 G为放大倍数 通过对各个器件性能分析计算，得出不同的电阻值参数，把电阻参数带入计算公式中得到放大倍数为 101 倍，当控制温度在 400 时，传感器输出热电势为 33.3mv,当在 700 时，其输出热电势为 57.89mv。经过电桥法冷端补偿和两个同相放大器放大后输出放大电压分别是 3.3v 和 5.8v。高于 A/D转换器的输入电压，因此需要在二级放大输出端接一小电阻来进行分压。 nts成都电子机械高等专科学校 04 级毕业设计 18 前向通道硬件接线如图： 5.2.5 A/D 转换器： 模拟量转换成数字量和数字量转换成模拟量是计算机与外部环境进行联系的主要形式。计算机控制过程如图所示，当计算机用于工程控制、实时数据采集等方面时，现场监测的模拟信号必须通过 A/D 转换变成数字 量，送入计算机处理，计算机的输出信号又必须通过 D/A 转换成模拟信号送到现场去驱动机械或电气设备动作。所以 D/A 和 A/D转换是计算机应用的重要接口技术。在这里选用 ADC0804 芯片做为模数转换器。 【 1】 A/DC 0804 的基本原理 ADC0804是用 CMOS 集成工艺制成的逐次比
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