闭环温度控制系统.doc

摘要 本文介绍了一种小型温度测量与控制系统闭环温度控制系统。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的设定，也可以通过计算机与单片机的串行通讯，实现工业过程中的交互式PID控制。该原理是用温度传感器将检测到的温度转化为电信号，然后经过变送器使输出电信号随输入温度信号呈线性关系。之后再经过A/D转换送入PC机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差经PID算法进行修正，求得对应的控制量经D/A转换来控制驱动器，从而实现对温度的闭环控制。本学期主要设计、制作和调试直流稳压电源和变送器,了解信息测试、校准和控制的过程,不仅提高了电子工程设计和实际操作方面的综合能力,而且培养了研发工程项目中所具备的基本素质和要求。目录一、 课题背景3 二、 需求分析3三、 方案论证3 (一)稳压电源方案选择3 (二)变送器方案选择4四、 电路设计5(一) 直流稳压电源部分 1.工作原理5 2. Protel99 SE 自主绘制电路原理图6 3.所需元件7 4.芯片介绍8 (二)变送器部分 1.工作原理9 2.所需元件11 3.芯片介绍11 4.参数计算13五、电路调试13六、故障分析17七、结果与收获18八、致谢 19九、参考文献 20一、 课题背景 第一阶段我们主要解决闭环温度控制系统的直流稳压电源和变送器这两部分。要求在工业生产中降低成本，降低材料、能源消耗，提高产品质量和生产效率。二、 需求分析 稳压电源和变送器的功能和指标如下:1. 温度测量范围: 0+1002. 温度测量误差: 不大于2(在次要求下尽量提高指标)3. 变送器输出电压: 05V4. 测量误差: 满刻度1%（0.05V或1 ）5. 要求线性规律控制电压温度6. 保证电路性能稳定可靠,具有一定的抗干扰能力7. 注意各电路之间的可靠配合与保护问题(过流、断路、过热保护)三、 方案论证 （一）稳压电源方案选择 要求输入9 V和14 V的交流电压,输出5 V和12 V的直流电压。有两种设计方案，分别是集成线性稳压电路和集成开关稳压电路。对于集成线性稳压电路,其纹波、噪声小,效率低,有过流和短路保护, 实现电路相对简单,成本低。而集成开关稳压电路,虽然效率高,但是纹波、噪声大,实现电路相对复杂,成本较高。交流供电电压低，输出功率较小。从实现电路简单，低成本的角度考虑应选择集成线性稳压电路的设计方案。 集成线性稳压电源电路框图如下: 集成开关稳压电源电路框图如下: （二）变送器方案选择 变送器有三个选择方案,分别是恒流补偿变送器、恒压补偿变送器和反相加法平移变送器。鉴于后两者电路设计复杂,所 用器件较多,因此选择恒流补偿变送器。四、电路设计（一） 直流稳压电源1. 工作原理集成线性稳压电源的工作原理 2. Protel99 SE 自主绘制电路原理图 3. 所需元件 芯片:LM 7805CT、LM7812CT、LM7912CT 各1片 整流桥：1A100V 2片 电解电容: 2200u/25V电解电容 2只 3300u/16V电解电容 1只 220u/16V 电解电容 3只 保险管：1A250V 3只配6只管座 接插件：DIP8 IC插座 3只 26线双排插针 2排 线路板：1块 其它：螺钉、导线、焊锡若干4. 芯片介绍LM7805CT芯片该芯片是单输出型稳压器,其输出电压为+5V,常用于三端集成稳压电路。 LM7812CT功能介绍: 该芯片封装图与LM7805CT一样,是三端集成稳压器,输出电压是+12V。 LM7912CT功能介绍: （二）变送器电路 1.工作原理选AD592做测温传感器。因为集成温度传感器AD592具有价格低、精度高、线性好、防水、防腐蚀等优点。利用AD592设计的电路可以将温度或温差转换为对应的电压，还可以将温度转换为4mA20mA的电流或相应的数字信号，从而与DDZ-仪表或单片机相连组成温度测控系统。此外,AD592 输出电流与温度成线性关系, 抗干扰能力强，精度满足设计要求，响应速度快，信号调理电路容易实现。AD592 特性分析 在温度从0100范围内记录流过AD592的电流,并根据流过它的电流,画出温度与电流的对应关系。变送器特性分析要求温度从0100范围内变化,变送器的输出电压须达到05V,并且温度与电压呈线性关系。我组采用恒流补偿原理变送器,其原理图如下:设置T = 0，调整VR1阻值，改变补偿电流，使V0=0V设置T = 100，改变IV转换电阻VR2阻值,使V0=5V 2.所需元件芯片: 双极性运算放大器OP07, 集成温度传感器AD592(实验台自带) 二极管: 1N4148 2个 , 9.1V 稳压管1个 固定电阻: 1K 3个 , 39K、47K各一个 滑动变阻器: 10K 2个 电容: 100uF电解电容1个,1000pF(102) 1个,0.1uF(104) 2个 3.芯片介绍(1)OP07芯片它是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 OP07芯片特点： 超低偏移： 150V最大 低输入偏置电流： 1.8nA 低失调电压漂移： 0.5V/ 超稳定，时间： 2V/month最大高电源电压范围： 3V至22V 其引脚图如下: (2)1N4148 二极管类型:小信号 电流, If 平均:150mA 电压, Vrrm:100V 正向电压 Vf 最大:1V 时间, trr 最大:4ns 电流, Ifs 最大:500mA 封装形式:DO-35 针脚数:2 外径:1.85mm 外部长度/高度:4.25mm 4电路参数计算 恒流补偿电路 提供 273uA 恒定补偿电流 限流电阻 R1 取 39K，VR1 取 10K滑变。增益控制电路 控制输出满度电压为 5V满度输入电流为 电阻 R3 取 47K，VR2 取 10K。 五、电路调试 (一)调试步骤 1. 电源板焊接完毕，对照原理图认真检查一遍然后开始测试； 2. 测试时，电源板负责交流电源输入的插座与调试台标有9V、14V的插座连接，另一端插座悬空；3. 连接完毕后，打开调试台电源远离电源板12分钟，观察电路板有无异味或异常响动，如果一切正常可以开始进一步的测试；4. 用数字多用表按电源板左插座直流电源引出定义，检测+5V、+12V、-12V输出；。 5. 若+5V、+12V、-12V输出不正常，需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊，并重复2、3、4的步骤；6. 输出正常的电源板，替换模板上的电源板后，若模板正常运行，电源板的设计工作结束。否则，检查电路板的左右插座有无虚焊、脱焊等问题；7. 电源板调试成功后,即可调试第二块恒流补偿变送器电路板；8. 无需拆电源板,直接将变送器电路板负责直流电源输入的插座与调试台标有+5V、+12V、-12V的插座连接，另一端插座悬空；9. 重复步骤3；10.随着温度从0100范围内调节,测试变送器输出电压是否从0+5V按线性规律变化。若满度输出电压达不到+5V,则通过调节滑变VR1、VR2实现,直到输出达到要求为止。(二) 过程展示 直流稳压电源电路: 恒流补偿变送器电路: 六、故障分析 常见故障主要有以下几点:1. 焊接问题，主要包含焊点不实，焊点相互接触（短接），导线虚焊等问题。2. 在包线时容易将导线剪断，我组曾多次遇到这种叫人挠头的问题。3. 器件接反。电路中如二极管、电容等器件容易接反。电容反接或是耐压不够还有可能发生爆炸。（我们班有一组同学就遇到了这种情况）。在焊接时，我组也曾经把电容反接，幸亏及时发现并更正。这种问题最好的解决方法就是安下心来多检查几遍电路,争取一次焊对。要严重杜绝器件反接现象的发生。4. 器件选择问题，器件选择错误会影响电路工作性能指标。5. 整流桥接错或损坏,可导致严重后果, 造成无整流输出或输出不正常。6. 如果集成稳压电路引脚接错或损坏,就会出现无稳压输出或输出不正常的现象。7. 集成稳压电源电路中,如果保险管损坏,则整流桥无输入。8. 在恒流补偿变送器电路中,若放大器增益控制的电阻过小,则输出达不到满刻度5V。9. 如果运算放大器损坏,会使输出不随输入变化;如果运算放大器开环,会使输出接近正或负电源电压。10. 如果保护电路限流电阻过大,那么会造成加载后输出有明显的衰减。11. 有的时候由于粗心大意会犯很低级的错误, 像运算放大器电源漏 接,那肯定是没有输出的。再如接地保护9.1V稳压管漏接,那么输出总是低于0.7V。 七、结论与收获 本次实验相对比较简单，我们在实验中并没有遇到太多困难。但我们也总结了一些实验经验。如，在焊接时导线时，先给导线镀锡是极为方便焊接的；包线时要选择包线钳合适的空洞；器件的排布在电路板焊接中十分重要，好的排布可以使焊接工作变得更加轻松，同时这也告诉了我们印刷电路板的便利性与必要性；Protel99 SE软件的操作十分复杂，使用中需要十分细心，尤其是在导线的连接上要特别注意，连好的器件移动位置后不会造成断路。此外想要把画好的电路清晰地呈现在word文档中也不是一件容易事。 总体来说,这次试验我组完成的比较成功。由于在实验前进行了良好的设计和在操作中反复检查电路，使得我组的实验一次成功，并取得了比较理想的性能指标。 温度电压关系表T/ 3 13 23 33 43 53 63 73