《温度控制器》PPT课件.ppt

原理方框图 温控制器概述 设计要求及方案确定 1 设计要求利用单片机制作一个水温控制器 要求如下 温度设定范围40 90 最小区分度1 标定误差 1 用十进制数码显示水的实际温度 环境温度降低时 温度控制的静态误差 1 2 方案确定由设计要求可知 该水温控制器应包括主控制器单片机 温度检测模块 加热控制模块 键盘设定模块及数据显示模块 恒温控制器硬件图 模块一 温度传感器及检测电路 温度是反映物体冷热状态的物理参数 温度的基本概念温度传感器的特点与分类 模块一 温度传感器及检测电路 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件 在种类繁多的传感器中 温度传感器是应用最广泛 发展最快的传感器之一 温度是与人类生活息息相关的物理量 在2000多年前 就开始为检测温度进行了各种努力 并开始使用温度传感器检测温度 人类社会中 工业 农业 商业 科研 国防 医学及环保等部门都与温度有着密切的关系 工业生产自动化流程 温度测量点要占全部测量点的一半左右 温度是反映物体冷热状态的物理参数 因此 人类离不开温度 当然也离不开温度传感器 温度的基本概念 热平衡 温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量 分子物理学 温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度 能量 温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量 表示温度大小的尺度是温度的标尺 简称温标 热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标 如果在式中再规定一个条件 就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标 1954年 国际计量会议选定水的三相点为273 16 并以它的1 273 16定为一度 这样热力学温标就完全确定了 即T 273 16 Q1 Q2 1848年威廉 汤姆首先提出以热力学第二定律为基础 建立温度仅与热量有关 而与物质无关的热力学温标 因是开尔文总结出来的 故又称开尔文温标 用符号K表示 它是国际基本单位制之一 根据热力学中的卡诺定理 如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环 则存在下列关系式 1 热力学温标 Q1 热源给予热机的传热量Q2 热机传给冷源的传热量 为解决国际上温度标准的同意及实用问题 国际上协商决定 建立一种既能体现热力学温度 即能保证一定的准确度 又使用方便 容易实现的温标 即国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968 简称IPTS 68 又称国际温标 2 国际实用温标 注意 摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同 即温度间隔1K 1 T0是在标准大气压下冰的融化温度 T0 273 15K 水的三相点温度比冰点高出0 01K 1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度 用t表示 其单位是开尔文 符号为K 1K定义为水三相点热力学温度的1 273 16 水的三相点是指纯水在固态 液态及气态三项平衡时的温度 热力学温标规定三相点温度为273 16K 这是建立温标的惟一基准点 3 摄氏温标 是工程上最通用的温度标尺 摄氏温标是在标准大气压 即101325Pa 下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份 每一等份称为摄氏一度 摄氏度 一般用小写字母t表示 与热力学温标单位开尔文并用 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下 4 华氏温标 目前已用得较少 它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度 水的沸点为212华氏度 中间等分为180份 每一等份称为华氏一度 符号用 它和摄氏温度的关系如下 T t 273 15K t T 273 15 m 1 8n 32 n 5 9 m 32 二 温度传感器的特点与分类 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气压的温度变化 电极的温度变化热电偶产生的电动势 光电效应热电效应介电常数 导磁率的温度变化 物质的变色 融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声 1温度传感器的物理原理 11 特性与温度之间的关系要适中 并容易检测和处理 且随温度呈线性变化 除温度以外 特性对其它物理量的灵敏度要低 特性随时间变化要小 重复性好 没有滞后和老化 灵敏度高 坚固耐用 体积小 对检测对象的影响要小 机械性能好 耐化学腐蚀 耐热性能好 能大批量生产 价格便宜 无危险性 无公害等 2 温度传感器应满足的条件 3 温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点 传感器直接与被测物体接触进行温度测量 由于被测物体的热量传递给传感器 降低了被测物体温度 特别是被测物体热容量较小时 测量精度较低 因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线 从而测量物体的温度 可进行遥测 其制造成本较高 测量精度却较低 优点是 不从被测物体上吸收热量 不会干扰被测对象的温度场 连续测量不会产生消耗 反应快等 温度传感器分类 1 温度传感器分类 2 温度传感器分类 3 此外 还有微波测温温度传感器 噪声测温温度传感器 温度图测温温度传感器 热流计 射流测温计 核磁共振测温计 穆斯保尔效应测温计 约瑟夫逊效应测温计 低温超导转换测温计 光纤温度传感器等 这些温度传感器有的已获得应用 有的尚在研制中 公元1600年 伽里略研制出气体温度计 一百年后 研制成酒精温度计和水银温度计 随着现代工业技术发展的需要 相继研制出金属丝电阻 温差电动式元件 双金属式温度传感器 1950年以后 相继研制成半导体热敏电阻器 最近 随着原材料 加工技术的飞速发展 又陆续研制出各种类型的温度传感器 三 温度传感器的发展概况 接触式温度传感器非接触式温度传感器 1 常用热电阻范围 260 850 精度 0 001 改进后可连续工作2000h 失效率小于1 使用期为10年 2 管缆热电阻测温范围为 20 500 最高上限为1000 精度为0 5级 接触式温度传感器 3 陶瓷热电阻测量范围为 200 500 精度为0 3 0 15级 4 超低温热电阻两种碳电阻 可分别测量 268 8 253 272 9 272 99 的温度 5 热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用 经济性好 价格便宜 l 辐射高温计用来测量1000 以上高温 分四种 光学高温计 比色高温计 辐射高温计和光电高温计 2 光谱高温计前苏联研制的YCI I型自动测温通用光谱高温计 其测量范围为400 6000 它是采用电子化自动跟踪系统 保证有足够准确的精度进行自动测量 二 非接触式温度传感器 3 超声波温度传感器特点是响应快 约为10ms左右 方向性强 目前国外有可测到5000 的产品 4 激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量 如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度 精度为1 美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计 最高温度可达8000 专门用于核聚变研究 瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开 K 的高温 1 超高温与超低温传感器 如 3000 以上和 250 以下的温度传感器 2 提高温度传感器的精度和可靠性 3 研制家用电器 汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器 4 发展新型产品 扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻 发展薄膜热电偶 研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻 研制系列晶体管测温元件 快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器 5 发展适应特殊测温要求的温度传感器 6 发展数字化 集成化和自动化的温度传感器 三 温度传感器的主要发展方向 温度传感器之一 AD590 温度 电流 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 a 引脚 b 封装 c 图形符号 AD590是美国AD公司生产的单片集成两端感温电流源 它的测温范围为 55 150 工作电压范围为4V 30V 可以承受44V正向电压和20V反向电压 输出电阻为710M 它产生的电流与绝对温度成正比 非线性误差为 0 3 图为AD590的引脚图 表为AD590温度与电流的关系表 通过接口电路可将AD590输出的电流信号转换成电压信号 再经AD转换器转换成数字信号 提供给单片机处理 应用电路 各温度与电流 电压参考关系表 美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820 可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理 由于每片DS1820含有唯一的串行序列号 所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片 从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息 仅需要一根口线 单总线接口 读写及温度变换功率来源于数据总线 总线本身也可以向所挂接的DS1820供电 而无需额外电源 DS1820提供九位温度读数 构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件 温度传感器之二 DS1820 DS1820的特性单线接口 仅需一根口线与MCU连接 无需外围元件 由总线提供电源 测温范围为 55 125 精度为0 5 九位温度读数 A D变换时间为200ms 用户可以任意设置温度上 下限报警值 且能够识别具体报警传感器 DS1820 1 2 3 GND I O VDD a PR 35封装 DS1820的管脚排列 DS1820 1 2 3 4 5 6 7 8 I O GND b SOIC封装 NC NC NC NC VDD NC 2 DS1820引脚及功能GND 地 VDD 电源电压I O 数据输入 输出脚 单线接口 可作寄生供电 3 DS1820的工作原理图为DS1820的内部框图 它主要包括寄生电源 温度传感器 64位激光ROM单线接口 存放中间数据的高速暂存器 内含便笺式RAM 用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑 8位循环冗余校验码 CRC 发生器等七部分 存储器控制逻辑 64bitROM和单线接口 电源检测 温度传感器 高温触发器 低温触发器 8位CRC触发器 存储器 DS1820内部结构图 寄生电源由两个二极管和寄生电容组成 电源检测电路用于判定供电方式 寄生电源供电时 电源端接地 器件从总线上获取电源 在I O线呈低电平时 改由寄生电容上的电压继续向器件供电 寄生电源两个优点 检测远程温度时无需本地电源 缺少正常电源时也能读ROM 若采用外部电源 则通过二极管向器件供电 1 寄生电源 温度测量电路 斜率累加器 计数器1 计数器2 低温度系数晶振 高温度系数晶振 0 0 预置 温度寄存器 预置 比较 停止 置位 清零 加1 2 温度测量原理 DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术 如图 DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0 高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f 当计数门打开时 DS1820对f0计数 计数门开通时间由高温度系数振荡器决定 芯片内部还有斜率累加器 可对频率的非线性予以补偿 测量结果存入温度寄存器中 一般情况下的温度值应为9位 符号点1位 但因符号位扩展成高8位 故以16位补码形式读出 表3 4 1给出了DS1820温度和数字量的对应关系 64位ROM的结构如下 开始8位是产品类型的编号 DS1820为10H 接着是每个器件的唯一的序号 共有48位 最后8位是前56位的CRC校验码 这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因 主机操作ROM的命令有五种 如表所列 3 64位激光ROM 由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成 后者用于存储TH TL值 数据先写入RAM 经校验后再传给EERAM 便笺式RAM占9个字节 包括温度信息 第1 2字节 TH和TL值 3 4字节 计数寄存器 7 8字节 CRC 第9字节 等 第5 6字节不用 暂存器的命令共6条 见表3 4 3所列 在正常测温情况下 DS1820的测温分辨力为0 5 可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果 首先用DS1820提供的读暂存器指令 BEH 读出以0 5 为分辨率的温度测量结果 然后切去测量结果中的最低有效位 LSB 得到所测实际温度的整数部分Tz 然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD 考虑到DS1820测量温度的整数部分以0 25 0 75 为进位界限的关系 实际温度Ts可用下式计算 Ts Tz 0 25 CD Cs CD 4 高速暂存器 DS1820存贮控制命令 DS1820单线通信功能是分时完成的 它有严格的时隙概念 因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行 DS1820工作工程中的协议 初始化 ROM操作命令 存储器操作命令 处理数据 温度检测系统原理由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点 可同时测量多点的温度 而且DS1820的连接线可以很长 抗干扰能力强 便于远距离测量 因而得到了广泛应用 采用寄生电容供电的温度检测系统 89C51 DS1820 DS1820 DS1820 P1 0 P1 1 P1 2 Tx Rx 5V GND VDD P1 1作输出口用 相当于TxP1 2作输入口用 相当于Rx 温度检测系统原理图如图所示 采用寄生电源供电方式 为保证在有效的DS1820时钟周期内 提供足够的电流 我们用一个MOSFET管和89C51的一个I O口 P1 0 来完成对DS1820总线的上拉 当DS1820处于写存储器操作和温度A D变换操作时 总线上必须有强的上拉 上拉开启时间最大为10 s 采用寄生电源供电方式时VDD必须接地 由于单线制只有一根线 因此发送接收口必须是三态的 为了操作方便我们用89C51的P1 1口作发送口Tx P1 2口作接收口Rx 通过试验我们发现此种方法可挂接DS1820数十片 距离可达到 米 而用一个口时仅能挂接10片DS1820 距离仅为20米 同时 由于读写在操作上是分开的 故不存在信号竞争问题 DS1820采用了一种单线总线系统 即可用一根线连接主从器件 DS1820作为从属器件 主控器件一般为微处理器 单线总线仅由一根线组成 与总线相连的器件应具有漏极开路或三态输出 以保证有足够负载能力驱动该总线 DS1820的I O端是开漏输出的 单线总线要求加一只5k 左右的上拉电阻 应特别注意 当总线上DS1820挂接得比较多时 就要减小上拉电阻的阻值 否则总线拉不成高电平 读出的数据全是0 在测试时 上拉电阻可以换成一个电位器 通过调整电位器可以使读出的数据正确 当总线上有8片DS1820时 电位器调到阻值为1 25k 时就能读出正确数据 在实际应用时可根据具体的传感器数量来选择合适的上拉电阻 复习内容常用温标及其关系物理分类温度传感器 现象 种类 范围 温度传感器发展趋势热电效应 接触电势和温差电势及其表达式热电偶回路定律及证明温度补偿方法热敏电阻的参数 分类 特性及应用IC温度传感器的应用 模块二A D转换器接口 A D转换器的作用典型芯片ADC0809ADC0809的应用 A D转换器的作用 将模拟量转换为数字量 以便计算机接收处理 传感器 单片机 双积分式A D转换器逐次逼近式A D转换器 A D转换器概述 逐次逼近式典型A D转换器芯片有 1 ADC0801 ADC0805型8位MOS型A D转换器 2 ADC0808 0809型8位MOS型A D转换器 3 ADC0816 0817 典型芯片 ADC0809介绍 ADC0809是一个8位8通道的AD转换器 ADC0809功能分析 CLK 时钟信号 可由单片机ALE信号分频得到 转换有以下几步 ALE信号上升沿有效 锁存地址并选中相应通道 ST信号有效 开始转换 A D转换期间ST为低电平 EOC信号输出高电平 表示转换结束 OE信号有效 允许输出转换结果 ADC0809和单片机的连接 通道选择表 1 首先分析各个通道的地址 IN0到IN7的地址为0000H到0007H MOVX DPTR A 启动A D转换SJMP 等待中断INT1 MOVXA DPTR 读A D转换结果MOVB A 存数RETI 返回 查询方式 ORG0000H 主程序入口地址AJMPMAIN 跳转主程序ORG1000H 中断入口地址MAIN MOVDPTR 0007H 指向0809IN7通道地址MOVX DPTR A 启动A D转换L1 JBP3 3L1 查询MOVXA DPTR 读A D转换结果MOVB A 存数SJMP ADC0809工作时序 时钟 起动 1 f tWS tWALE ALE 稳定 地址 tS tH 稳定 比较器内部输入 模拟输入 1 2LSB tD 输出允许 变换结束EOC tEOC tC 输出 三态 模拟到数字转换时序图 8位A D转换集成电路ADC0809 分析实训电路板中0809的连接 确定各通道地址 对通道0输入模拟电压 运行转换程序 用动态显示方式在最右边两个LED显示转换结果 实训练习 参考学习模块 D A转换器接口 D A转换器的作用典型芯片DAC0832DAC0832的应用 D A转换器的作用 将数字量转换为模拟量 以便操纵控制对象 D A转换器的主要指标转换速度 一般几十微秒到几百微秒 快速的可达1微秒 转换精度 分辨率 决定于输入数字量的位数 位数越多 精度越高 2 D A转换器的性能指标 l分辨率 Resolution 辨率是指D A转换器能分辨的最小输出模拟增量 取决于输入数字量的二进制位数 l转换精度 ConversionAccuracy 指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度 l偏移量误差 OffsetError 偏移量误差是指输入数字量为零时 输出模拟量对零的偏移值 l线性度 Linearity 线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差 典型芯片 DAC0832介绍 DAC0832是一个八位D A转换器 转换时间1微秒 结构如下 DAC0832功能分析 DI0 DI7 转换数据输入CS 片选信号 因此 DAC0832可以有三种工作形式 直通 单级锁存 两级锁存 单缓冲方式的接