电子系统设计-温度控制系统实验报告

电子系统设计实验报告电子系统设计实验报告 温度控制系统的设计温度控制系统的设计 姓名 杨婷姓名 杨婷 班级 信息班级 信息 21 学校 西安交通大学学校 西安交通大学 1 1 问题重述问题重述 本次试验采用电桥电路 仪表放大器 AD 转化器 单片机 控制通断继电 器和烧水杯 实现了温度控制系统的控制 达到的设计要求 设计制作要求如下 1 要求能够测量的温度范围是环境温度到 100oC 2 以数字温度表为准 要求测量的温度偏差最大为 1oC 3 能够对水杯中水温进行控制 控制的温度偏差最大为 2oC 即温度 波 动不得超过 2oC 测量的精度要高于控制的精度 4 控制对象为 400W 的电热杯 5 执行器件为继电器 通过继电器的通断来进行温度的控制 6 测温元件为铂热电阻 Pt100 传感器 7 设计电路以及使用单片机学习板编程实现这些要求 并能通过键盘置入 预期温度 通过 LCD 显示出当前温度 二 方案论证二 方案论证 1 关于 R V 转化的方案选择 方案一是采用单恒流源或镜像恒流源方式 但是由于恒流源的电路较复杂 且受电路电阻影响较大 使输出电压不稳定 方案二是采用电桥方式 由电阻变化引起电桥电压差的变化 电路结构简 单 且易实现 2 关于放大器的方案选择 方案一是采用减法器电路 但是会导致放大器的输入电阻对电桥有影响 不利于电路的调节 方案二是采用仪表放大器电路 由于仪表放大器内部的对称 使电路影响 较小 调整放大倍数使温度从 0 到 100 度 对应的电压为 0 5V 3 电路的设计电路的设计 1 电桥电路 通过调节电位器 R3 使其放大器输出端在 0 度的时候输出为 0 实现调零 然 后合理选择 R1 R2 的阻值配合后面放大器的放大倍数实现热电阻阻值向电压值 的转化 通过调节电位器 R3 使其放大器输出端在 0 度的时候输出为 0 实现调零 然 后合理选择 R1 R2 的阻值配合后面放大器的放大倍数实现热电阻阻值向电压值 的转化 本次实验中 R1 R2 10K R3 为 500 的变阻器 2 仪表放大器 本实验中 Rf R3 R4 R5 10K R1 R2 10K Rg 为 500 的变阻器 这 个电路放大倍数大概为 128 倍左右 3 TLC1549 10 位 模拟数字转换器 A D 10 位分辨率 A D 转换器 其引脚图如下 合理选择 R1 R2 R3 R4 R5 Rf 调节 Rg 可以实现放大倍数可变 的电压差分放大 令 R3 R4 R5 Rf R1 R2 输出端 Vo 与输入电压差值关系为 Vo Rf R3 2R1 Rg 1 Vin TLC1549 器件有两个数字输入和一个 3 态输出 片选 CS 输入输出时 钟 I O 时钟 和数据输出 数据 的提供三线接口 串口主机处理器 VCC 8 正电源电压 4 单片机中的 1602 液晶显示器 管脚说明 ANALOG IN 2 模拟信号输入 外部驱动源的模拟 应该有一个十毫安电流能力 CS 5 芯片选择 高向低过渡的重置内部计数器和控制 使数据和 I O 时钟内 最 大的一个设置时间加上两个属于边缘内部系统时钟 低到高过渡禁用 I O 时钟设置时间内下降的边缘加两个的内部系统时钟 DATA OUT 6 这 3 态串行输出的 A D 转换结果是在高阻抗状态时 以有效的芯 片 选择 数据是从高阻抗状态 并动相应的逻辑电平的最高有效位先前的 转 换结果 下一个下降沿的 I O 时钟驱动器 DATAOUT 的逻辑水平相应的下 一个最重要的一点 其余位转移 以便与 LSB 的出现在第九个下降沿的 I O 时钟 十下降沿的 I O 时钟 数据驱动低逻辑电平的串行接口 使 数 据传输的超过 10 个时钟产生的未使用的零 LSBs GND 4 接地 I O CLOCK 7 输入 输出时钟 I O 时钟接收串行 I O 时钟输入和执行下列三个功能 在第三个下降沿的 I O 时钟 模拟输入电压开始充电电容阵列和继续 这 样做 直到第十下降沿的 I O 时钟 其余九位前转换数据上的数据 转让控制转换的内部状态控制器的下降沿十时钟 REF 1 上参考电压值 标称虚拟通道连接 适用于参考 最大输入电压范围 为所确定的差别电压适用于参考 和电压适用于参考 REF 3 较低的基准电压值 标称地面 适用于参考 其引脚图如下 1602 采用标准的 16 脚接口 其中 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源时 对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存 器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数 据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 16 脚 空脚 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同的点 阵字符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 和 日文假名等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大写的英文字母 A 的代 码是 B 41H 显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来 我们就能 看到字母 A 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 如下表所示 它的读写 操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 说明 1 为高电平 0 为低电平 5 继电器驱动电路 继电器电路 烧水壶 利用单片机输出的控制信号 高低电平 通过继电器驱动电路 控制继 电器的通断时间比例 从而控制烧水的温度 四 测试方案与测试结果四 测试方案与测试结果 1 实验所需器件表 电阻 10K 0 5w8 个 LM324 四运放集成芯片1 个 102 电位器2 个 Pt100 铂热电阻1 个 数字温度计1 个 51 单片机文具盒1 个 继电器驱动电路1 个 继电器电路1 个 烧水杯1 个 螺丝刀1 把 万用表1 个 示波器1 台 导线若干 2 水温控制测量调试方法 通过铂热电阻 Pt100 将温度变化转换为电阻值的变化 再通过电桥间温度 变化转换为电压变化 之后通过仪表放大器将电压放大一定的倍数 128 倍左 右 使输出电压在 0 5 V 将输出电压送入 A D 转换器 TLC1549 转换为数 字信号 10 位二进制数 送入单片机 单片机对数字信号进行处理并将其输出 至液晶显示屏 1602LCD 上显示 为控制水温使之稳定 我们引用了 PID 控制 算法 通过 PID 值控制继电器的占空比 继电器连接着电热杯的开关 所以可 以使温度稳定在设定值 1 PID 控制算法 在测出目前水温的前提下 采用 PID 控制算法 即比例微分积分控制算法 将测得的水温与设定的温度值做差 利用温差做 PID 算法 产生控制信号 控 制水的温度 增量式 PID 算法如下 控制信号 u Kp E k Ki E k E k 1 E 1 Kd E k E k 1 控制信号增量 u Kp E k E k 1 Ki E k Kd E k 2E k 1 E k 2 利用控制信号的增量不断修改控制信号 实现对温度的控制 这种增量式 算法相比位置式算法 没有积分项的长叠加 避免了随着控制时间变长导致的 计算时间增加的问题出现 2 关于 AD 转化的数据处理 由于 A D 转换送进来的信号是一个 10 位的二进制数 0 1023 代表一个温 度为 0 oC 100 oC 的温度 为了方便数据的处理 我们使 0 对应 0 oC 1000 对 应 100oC 所以只需要对信号除以 10 即可得到温度值 由于液晶显示的时候只能 一 位位显示 所以将信号的百 十 个位分别取出来放入数组中 方便液晶显示 输 出 3 继电器控制水温的方法 PID 算法的输出值这里设定为一个 0 100 的数字 不超过最大值 100 超过 使其等于 100 然后利用单片机内部的定时器控制单片机的一个端口的通断占 空比 PID 的控制量值越大 端口通的时间越长 将此端口与一个继电器相连 控制继电器的开断 继电器连接在烧水壶的电源线上 继电器的开端比决定了 烧水壶的通断电时间比 从而控制了烧水壶的烧水功率 实现了对水温的控制 4 零度和满度校准的问题 实验中我们采用 24 度室温和 65 度高温两个温度下校准 低温时调整电桥 的 电位器 高温时调整放大器的电位器 在数字测温计示数稳定的前提下 将单 片 机的目前温度与数字测温计读数调为一致 反复调整几次 即可达到最佳状态 3 测试结果分析 在单片机键盘输入设定温度 65 度 在单片机控制下烧水杯开始烧水 当单 片机的实测温度低于设定温度大约 5 度左右 即 60 度左右 继电器开始通断 并且随着实测温度的升高 继电器的通断比越来越小 最终温度稳定在设定温 度 65 度左右 达到的实验要求 五 结束语五 结束语