水浴恒溫控制儀表論文

1、CPU部分CPU選用AT89S52，選用的依據(jù)有I/O接口能力；串行通信方式；微處理器是否包含系統(tǒng)正常運行所需的功能部件，如WDT、A/D等。鑒于目前大多數(shù)的微處理器內(nèi)含有A/D或D/A部件均不能達到本設計的分辨率要求，故采用外擴方式。而且，串行接口方式的A/D或D/A在各種嵌入式系統(tǒng)中應用越來越普遍，也易得到，故系統(tǒng)選用串行方式。因此，微處理器選用ATMEL的AT89S52。2、A/D部分設計A/D通道的目的在于被測的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以供處理和顯示。由于顯示刷新周期本身不高，通常為幾十毫秒以上，因此對被測模擬量的采樣和轉(zhuǎn)換的速度要求不高，從串行傳輸和光電隔離兩方面考慮，采用TLC1549實現(xiàn)對被測模擬量數(shù)據(jù)數(shù)字化，不失為一個好的途徑。3、D/A部分從性能和價格兩方面結合考慮，選擇12位的D/A的轉(zhuǎn)換芯片，考慮市場因素，最后選用DAC7513N，其特性可簡述為（1）低功耗，上電輸出為0；（2）工作電壓范圍寬27V55V；（3）建立時間為10S；（4）3線串行接口；（5）兩種封裝SOT238和MSOP8。4、鍵盤顯示部分按鍵共有5個，分為兩類第一類，狀態(tài)設置按鍵，確認鍵，復用鍵（開啟菜單鍵和小數(shù)點移位鍵），菜單鍵；第二類，增加、減少等數(shù)字設定鍵。并可以驅(qū)動8為LED數(shù)碼管顯示，所以本設計可以用HD7279A進行驅(qū)動。5、E2PROM存儲器存儲器選擇了美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROMAT24C01，它的存儲容量為256字節(jié)，工作電壓寬（2555V），它的特點是擦寫次數(shù)多大于10000次、寫入速度快小于10MS。6、MAX232通信MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的IC芯片。MAX232芯片內(nèi)部都有一個電源電壓變換器，可以把輸入的5V電源電壓變換成為RS232輸出電平所需的10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通訊系統(tǒng)只需單一的5V電源就可以了。對于沒有12V的場合，其適應性更強。第2章PID控制及仿真21PID控制技術的理論分析211PID控制技術簡介在模擬控制系統(tǒng)中是將被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量等由傳感器變換成統(tǒng)一的標準信號輸入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進行比較，再把比較出的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構，改變輸入量，以達到自動調(diào)節(jié)的目的。而在數(shù)字控制系統(tǒng)中，則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器1?？墒箤Ρ豢貙ο蟮恼{(diào)節(jié)速度和調(diào)整精度得到進一步提高。其調(diào)節(jié)過程是首先采集參數(shù)信號，并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，這些數(shù)字量通過計算機按一定的控制算法進行運算處理，運算結果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后，由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機構去控制輸入量以達到給定值。按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器，它的結構簡單，參數(shù)易于調(diào)整。特別在工業(yè)過程控制中由于控制對象的精確數(shù)學模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進行模型辨識，且往往不能得到預期的效果，所以常采用PID調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗進行在線整定，隨著計算機特別是微機技術的發(fā)展，PID數(shù)字控制算法己能用微機和單片機簡單實現(xiàn)，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善。212PID控制算法的數(shù)字實現(xiàn)1、PID控制理論積分SKI/微分DS被控對象TESTUTY比例PRT圖21連續(xù)時間PID控制系統(tǒng)在連續(xù)時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應用得非常廣泛。其設計技術成熟，長期以來形成了典型的結構，參數(shù)整定方便，結構更改靈活，能滿足一般的控制要求。連續(xù)時間PID控制系統(tǒng)如圖21所示。圖中，DS所示為控制器。在PID控制系統(tǒng)中，所有的PID控制規(guī)律均由DS完成，因而稱之為PID控制器，其中，分別表示比例、積分和微分環(huán)PKS/ID節(jié)。PID控制器是一種線性控制器，輸出量YT和給定量RT之間的誤差是時間的函數(shù)2。（21）TYRTE由圖21的比例，積分，微分的線性組合，構成控制量UT，這種控制方式具有上述三種控制方式，因而被稱為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。在實際應用中，根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，可以靈活地采用小同的控制組合，構成比例（P）控制器、比例積分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器或是比例積分微分（PID）控制器。比例控制能夠迅速反應誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制小能徹底消除穩(wěn)態(tài)誤差。隨著比例放大系數(shù)的加大，系統(tǒng)會逐漸變得小穩(wěn)定，因此需要進行積分控制。積分控制的作用是，當系統(tǒng)存在誤差時，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差，只要有充分的時間，積分控制能夠完全消除誤差，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是積分作用太強會引起系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，此時又需要引入微分控制。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。應用PID控制，就是根據(jù)具體情況適當?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)，積分時間，和微分時間，使整個控制PKITDT系統(tǒng)達到滿意的控制效果3。2、實用的PID控制方法在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計算機PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。連續(xù)的時間信號，必須經(jīng)過離散化后，變成數(shù)字量，才能用計算機進行數(shù)據(jù)處理與存儲。在數(shù)字計算機中，計算和處理積分和微分時，只能用數(shù)值計算去逼近。因此在數(shù)字計算機中PID控制規(guī)律的實現(xiàn)也必須用數(shù)值逼近的方法，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時間PID算法的差分方程4。（22）KJDIPUKEKEEKKU001式中是控制量的基值，即穩(wěn)態(tài)時PID控制器的輸出值；UK是第采樣時刻的控0制，為比例放大系數(shù)為積分放大系數(shù)，為微分放大系數(shù)，PKIISPIT/DK；為采樣周期。該表達式稱為位置式PID控制算法。由位置式PIDSDPT/控制算法推導出。（23）2KEQ1EKQU0其中，（24）SDIP0TK（25）SP12Q（26）SDP2TK公式（23）稱為增量式PID控制算法，從該表達式已經(jīng)看出P、I、D作用的直接關系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式（23）看出，數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個誤差采樣值EK、EK1、EK2即可當執(zhí)行機構需要的是控制量的絕對值，而是控制量的增量時，該算法可以起到很好的控制效果。在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID控制算法的模擬表達式為（27）DTETTE1TKTUT0DIP式中，UT為調(diào)節(jié)器的輸出信號；ET為偏差信號，它等于給定量與輸出量之差；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。其控制框圖如圖22。PKITDTTRPID控制對象TETUCT圖22PID控制簡化示意圖由于計算機系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，必須對其離散化，用離散的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。連續(xù)的時間離散化為（K0，1，2N）（28）KTT積分用累加和近似得（29）K0J0JT0ETED微分用一階向后差分近似得（210）1KDT式中，為采樣周期；EK為系統(tǒng)第次采樣時刻的偏差值；EK1為系統(tǒng)第K1次采T樣時刻的偏差值；K為采樣信號，K0，1，2。將公式（29）和公式（210）代入公式（27），則可得離散的PID表達式。（211）1KETJEKEKUK0JDIP如果采樣周期取的足夠小，該式可以很好地逼近模擬PID算式，因而使被控過T程與連續(xù)控制過程十分接近。由于式表示的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置UT，即其輸出值與閥門開度的位置一一對應，所以通常把式（411）稱為位置式PID的控制算法。該式中，令（212）IPITK（213）TKDP可變?yōu)椋?14）1KEJEKEUDK0JIP此即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達式。當進行控制時，、PKI可以先分別求出并放在指定的內(nèi)存單元中，則可實現(xiàn)公式（211）。DK由公式（211）可以看出，每次輸出與過去所有狀態(tài)有關，計算復雜，浪費內(nèi)存。故要做如下變動（215）1K0JDIP2KE1TEEK1KU以上兩公式相減并整理得（216）EAKEA210式中，（217）TKADIP0（218）21P1（219）TKADP2公式（216）就是PID位置式的遞推形式，是編程的常用的形式之一。其程序框圖見圖（23）所示。取給定值、反饋值形式偏差取、作乘法1AKE取、作乘法2AKE作減2KEA1KEA作加12KEAKEKEA0作1120KUEAKEKEA輸出KU數(shù)據(jù)傳送送K1數(shù)據(jù)傳送送、送1KE2KE1取、作乘法0AKE開始結束圖23位置式PID控制算法程序框圖213PID控制參數(shù)的整定PID控制器參數(shù)整定，是指在控制器規(guī)律已經(jīng)確定為PID形式的情況下，通過調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使得由控制對象、控制器等組成的控制回路的動態(tài)特性滿足期望的指標要求，達到理想的控制目標。下面介紹PID參數(shù)整定的方法。1、經(jīng)驗法經(jīng)驗法是PID調(diào)節(jié)器三個參數(shù)、整定的一種方法，也是工程上經(jīng)常PKID使用的一種方法。所謂經(jīng)驗法實際上是一種湊試法。它是通過模擬運行觀察系統(tǒng)的響應曲線（例如階躍響應），然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應，從而確定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)。增大比例系數(shù)，一般將加快PK系統(tǒng)的響應，有利于減小靜差，但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，減弱穩(wěn)定性。增大有利于減小超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將減慢。IT增大有利于加快系統(tǒng)響應，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對于干擾信號的抑制DT能力將減弱。在湊試時，可參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)進行先比例，后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，知道得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應曲線己屬滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。如果僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達不到設計要求，則需加入積分。首先置積分常數(shù)為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小，IT然后減小積分常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好的動態(tài)性能的情況下，消除靜差。在此過程中，可根據(jù)響應曲線的好壞反復修改比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的結果。若使用比例積分器能消除靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調(diào)整后仍達不到要求，這時可加入微分。在整定時，先置微分常數(shù)為零，在第二步整定的基礎上，增大，同DTDT時相應的改變和，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)結果和參數(shù)5。PKIT2、臨界比例度法臨界比例度法是一種非常著名的PID控制器參數(shù)整定方法，曾在工程上得到廣泛的應用。該法不依賴于對象的數(shù)學模型參數(shù)，而是總結了前人理論和實踐的經(jīng)驗，通過實驗由經(jīng)驗公式得到PID控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。它用來確定被控對象的動態(tài)特性的參數(shù)有兩個臨界增益和臨界振蕩周期。UKUT臨界比例度法是在閉環(huán)的情況下，將PID控制器的積分和微分作用先去掉，僅留下比例作用，然后在系統(tǒng)中加入一個擾動，如果系統(tǒng)響應是衰減的，則需要增大控制器的比例增益重做實驗，相反如果系統(tǒng)響應的振蕩幅度不斷增大，則需要減小。PKPK實驗的最終目的，是要使閉環(huán)系統(tǒng)做臨界等幅周期振蕩，此時的比例增益，就被P稱為臨界增益，記為；而此時系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為。臨UUT界比例度法就是利用和由經(jīng)驗公式求出PID控制器的參數(shù)整定值。表21所示KT就是ZN臨界比例度法參數(shù)整定經(jīng)驗公式。表21臨界比例法參數(shù)整定經(jīng)驗公式PID控制器參數(shù)PKITDTPID型控制器06U05U0125U22溫控系統(tǒng)PID控制的調(diào)節(jié)過程根據(jù)溫度變化的要求，可將其分為三段來進行控制自由升溫段、保溫段和自然降溫段。為避免過熱，從室溫到80額定溫度為自由升溫段，在20額定溫度時為保溫段。輸入的電功率為,0時電功率最小,1時為全功率。在自由升溫段中，ICIC希望升溫越快越好，將加熱功率全開足，因此得自由升溫段控制方程當溫度T80時（表示溫度設定值，選1；當T80時，已較接近需要保溫的值，0T0I0T0T為此采用保溫段控制方程6。在保溫控制過程中，如果采用比例控制，由于電熱絲所加功率的變化和加熱管內(nèi)溫度的變化之間存在一段時間延遲，因此當以溫差來控制輸出時（即比例控制），系統(tǒng)只有在溫度與給定值（保溫溫度）相等時才停止輸出。這時由于加熱管內(nèi)溫度變化的延遲性質(zhì)，加熱管內(nèi)溫度并不因輸入停止而馬上停止上升，從而超過給定值。滯后時間越大，超過給定值也越大。溫度上升到一定程度后，才開始下降，并繼續(xù)下降到小于給定值時，系統(tǒng)才重新輸出。同樣，由于溫度變化滯后于輸出，它將繼續(xù)下降，從而造成溫度的上下波動，即所謂振蕩?？紤]到滯后的影響，調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù)，即PD（比例微分）調(diào)節(jié)。有了PD調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差的大小，還取決于溫差的變化速率。當溫度從自由升溫段進入保溫段時，加熱管內(nèi)溫度還小于給定值，但溫差變化較大（由于溫差及溫差的變化對系統(tǒng)輸出都有影響，而在升溫過程中，這兩項對輸出的作用是相反的），因而系統(tǒng)可提前減少或停止輸出，使加熱管內(nèi)溫度不至于出現(xiàn)過大的超調(diào)。同樣，在降溫過程中也是如此，這樣就改善了加熱管內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)。積分作用可以提高溫度控制的靜態(tài)精度，適當選擇積分作用，則可在不影響動態(tài)性能情況下提高溫度控制的精度。所以保溫段控制還應加入積分環(huán)節(jié)即采用PID控制方法。自然降溫段的控制方程為0。IC23溫控系統(tǒng)PID控制的其他幾種優(yōu)良措施1、積分分離PID控制當系統(tǒng)啟、?；虼蠓忍帷⒔到o定值時，短時間內(nèi)的大偏差在積分控制作用下可使過渡過程出現(xiàn)大的超調(diào)和振蕩。過大的超調(diào)會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，可運用計算機邏輯判斷的功能，使偏差EK大時積分不起作用，直至EK減小到一定值時，才將積分作用投入7。這就是所謂積分分離PID控制或PDPID選擇控制。設積分分離值為EI，則控制算法可表達為（1）IEK當（220）KUKUDIP（2）IEK當KKDP（221）PID控制與PDPID選擇控制比較，后者由于積分遲投入作用，開始時過渡過程較慢，但由于沒有積分引起的超調(diào)和振蕩，使整個過渡過程還是進行得較快且平穩(wěn)。2、變增益PID控制針對受控對象具有的非線性特點，可通過改變PID控制的增益來進行補償。通常使PID控制器的增益隨偏差E變化，令FE代入（24）式中，可以得到變PKPK增益PID控制算式（222）K1I1KETDEIEKFU函數(shù)FE既可以用數(shù)學表達式給出，也可以用數(shù)據(jù)表格形式給出。在用程序?qū)崿F(xiàn)變增益PID控制時，可把FEK看成一個與為1的基本PID控制器相串聯(lián)的環(huán)節(jié)PK8。24計算機仿真利用MATLAB軟件環(huán)境可以實現(xiàn)計算機仿真，MATLAB語言是一種更為抽象的高級計算機語言，既有與C語言等同的一面，又更為接近人的抽象思維。便于學習和編程。同時它具有很好的開放性，用戶可以根據(jù)自己的需求，利用MATLAB提供的基本工具，靈活的編制和開發(fā)自己的程序，開創(chuàng)新的應用。SIMULINK是MATLAB環(huán)境下的數(shù)字仿真工具，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的集成環(huán)境。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)仿真，也支持具有多種速率的多速率系統(tǒng)仿真。SIMULINK提供了用鼠標“畫”出系統(tǒng)框圖的方式，可以進行圖形建模。與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直觀、方便、靈活的優(yōu)點。SIMULINK還提供了封裝和模塊化工具，尤其適用于復雜、多層次、高非線性的系統(tǒng)仿真。它簡化了設計過程，減輕了設計負擔。提高了仿真的集成化和可視化程度。在MATLAB工作空間中鍵入命令SIMULINK模塊庫。由于溫度一般都屬于一階對象和帶純滯后的一階對象，被控對象的傳遞函數(shù)可表示為（223）SFCETKSG1式中為被控對象的放大系數(shù)；為被控對象的時間常數(shù)；為純滯后時間。FKF取；。1F3TF由MATLAB可得該PID控制的仿真結構圖如圖24所示9。圖24PID控制仿真結構圖由于該PID控制只調(diào)整一個參數(shù)，取不同的值，可得到一系列的階躍響PKP應結果。（1）當，時，階躍響應結果如圖25所示。061PK23I705D（2）當，時，階躍響應結果如圖26所示。81（3）當，時，階躍響應結果如圖27所示。PIK由三圖是只調(diào)節(jié)時，而和只是與成比例關系的計算值，輸入進行仿IDP真的圖形，從圖形顯示結果可知，只調(diào)節(jié)這一參數(shù)時波形趨于穩(wěn)定。所以上面提到的PID算法是可行的，并且，該方法對這種一階的帶滯后的對象的控制不失為一種好的方法。圖25階躍響應曲線1圖26階躍響應曲線2圖27階躍響應曲線325本章小結本章主要介紹PID的調(diào)節(jié)原理和算法及參數(shù)整定方法，并應用MATLAB仿真軟件確定PID參數(shù)。第3章系統(tǒng)的硬件設計現(xiàn)代的控制儀表正趨于智能化，結構簡單但功能強大使用方便的智能儀表是發(fā)展的趨勢。因此控制儀表的設計應朝著通用型、智能型、良好的人機界面的方向發(fā)展。本章就是按照這個方向展開的。本設計的硬件框圖如圖31所示。溫度采集電路A/D轉(zhuǎn)換器單片機鍵盤顯示電路D/A轉(zhuǎn)換輸出故障報警電路繼電器控制存儲器鉑電阻PT100MAX232串行通訊圖31數(shù)字化調(diào)節(jié)器硬件電路框圖31熱電阻輸入通道的設計鉑電阻以其性能穩(wěn)定、重復性好、精度高在工業(yè)用溫度傳感器中得到的廣泛的應用。工業(yè)鉑電阻測溫范圍為200850，鉑電阻阻值與溫度之間的關系可近似用下式表示（1）在0850,21BTAROT（31）（2）在2000，1012TCTOT（32）式中，分別為鉑電阻在0和T的電阻值。、分別為三個常數(shù)（ORTABC/,/,/）。31098A3175B31084C本設計采用的熱電阻是PT100，并且采用三線制接法消除引線電阻的影響將溫度信號轉(zhuǎn)換為電阻信號，并通過一定的電路設計就可以將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。下面主要是具體設計方法。311基于TL431穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓電路的實現(xiàn)TL431，A、B集成電路是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。這些單片集成電路電壓基準如同低溫度系數(shù)齊納管一樣運行，通過2個外部電阻可從編程至36伏。這REFV些器件顯示出寬工作電流范圍，在典型動態(tài)阻抗022時為10MA至100MA。這些基準的特性使它能在數(shù)字電壓表、電源和運放等許多應用中代替齊納二極管。25伏參考使從50伏邏輯電源可方便地獲得穩(wěn)壓參考電壓。由于TL431，A、B工作方式為并聯(lián)穩(wěn)壓器，所以可以用作正壓或負壓參考。TL431接線圖如32所示。351KU7TL4C0P圖32TL431接線圖312鉑電阻PT100測溫原理熱電阻PT100在3090范圍內(nèi)的分度見表3110。由表31可見，其溫度變化與阻值變化不是絕對線性，因此，對測溫時溫度補償和信號采集的穩(wěn)定性的要求是非常高的。因此，熱電阻的接線必須考慮這些方面的影響。本設計采用恒流源供電的方法。表31PT100分度表012345678903088228783874387048664862585858546850684678427209216917791379093905990198988948901886288221096099569953949194529412937393349295925592160100100391007810117101561019510234102731031210351103910103910429104681050710546105851062410663107021074107792010779108181087510896109351097311012110511109111281116730111671120611245112831132211361114991143811477115151155440115541159311631116711708117471178511824118621190111945011941197812016120551209312132121712209122471228612324601232412362124011243912477125161255412592126311266912707701270712745127841282212861289812937129751301313051130898013089131271316613204132421328133181335613394134321347901347135081354613584136221366136981373613774138121385313恒流源電路的設計恒流源的設計是熱電阻輸入通道的關鍵，它要求在熱電阻在0850溫度范圍變化內(nèi)阻值的變化不會引起恒流源電流的變化，由電子學的知識，如果恒流源的內(nèi)阻為無窮大，則負載變化不會引起電流的變化。由PT100構成信號的獲取電路常用的方法有2種，一種是構成的十分常見的電橋電路，當然，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問題，一般采用單臂橋；還有一種是運用恒流源電路，將恒流源通過溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。上述兩種電路的結構形式見下圖34所示11。R13UOPT05V出ISA單臂橋式B恒流源式圖34兩種信號獲取電路的結構根據(jù)測試技術的有關知識，圖A的輸出與電阻的阻值不是個正比的關系，因而數(shù)據(jù)處理起來特別麻煩，尤其是用單片機來處理這些非線性的問題。而圖B的由于恒流源的作用，使得電壓輸出與電阻成良好的線性關系，因此，本系統(tǒng)采用恒流源電路來獲取溫度信號。恒流源電路的設計，有用三極管構成的，有用專門的恒流管，也有用價格低廉的器件通過比較巧妙的設計構成的，本系統(tǒng)是采用TL431為核心來構成的，根據(jù)以往的運用經(jīng)驗，恒流效果十分理想，系統(tǒng)設計的恒流源電路見下圖35所示。15K2V0UF3TL4出圖35由TL431構成的恒流源電路314鉑電阻測溫電路的設計本設計所應用的溫度采集電路是由PT100構成的雙恒流源測溫電路，電路如圖35所示。CR79M6UB8ADPTQ_SOGN圖36由PT100構成的雙恒流源測溫電路由圖36可見鉑電阻PT100采用三線制接法，雙恒流源分別接到PT100和R16一端，當溫度是0時，PT100的對應阻值為100與R16阻值相等，PT100兩端電壓和R16兩端電壓相互抵消，即測溫電路輸出為0V；當PT100的阻值隨著溫度的變化而增長時，PT100兩端電壓增大，減去R16兩端電壓后輸出的電壓就對應著PT100的阻值對應溫度的變。，輸出的電壓在經(jīng)過U1A的放大，放大倍數(shù)為R14的阻值比上R7的阻值即放大39倍，U1B為跟隨放大器，在經(jīng)R17和R18分壓即為本測溫電路的輸出電壓，在接到A/D的輸入端。32A/D轉(zhuǎn)換接口電路設計在智能儀表中，對一般的模擬信號處理為能被計算機所接受的數(shù)字信號，無外乎以下兩種方式，要么A/D轉(zhuǎn)換，要么V/F轉(zhuǎn)換，對于在工業(yè)上對現(xiàn)場的信號需要遠距離傳送的信號，我們經(jīng)常采用頻率信號傳輸，由于我們己經(jīng)對現(xiàn)場的信號采用了恒流源電路來獲取溫度信號，并經(jīng)在CPU板一起的儀用放大器進行放大，因此，用最常用的A/D轉(zhuǎn)換作為我們模擬信號變換成數(shù)字信號的基本思路。321TLC1549的簡介TLC1549系列是美國德州儀器公司生產(chǎn)的具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用兩個差分基準電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構成三線接口，其中三態(tài)輸出分別為片選CS低電平有效，輸入/輸出時鐘I/O的CLOCK，數(shù)據(jù)輸出DATAOUT。TLC1549引腳排列如圖37所示。TLC1549能以串行方式送給單片機，由于TLC1549采用CMOS工藝，內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且開關電容設計使在滿刻度時總誤差最大僅為1LSB48MV，因此可廣泛應用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。REF1AIN23GD4CS5OUT6LK7V89圖37TLC1549引腳圖322TLC1549工作原理在芯片選擇（CS）無效情況下，I/O的CLOCK最初被禁止且DATAOUT處于高阻狀態(tài)。當串行接口把CS拉至有效時，轉(zhuǎn)換時序開始允許I/O的CLOCK工作并使DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。串行接口然后把I/O的CLOCK序列提供給I/O的CLOCK并從DATAOUT接收前次轉(zhuǎn)換結果。I/O的CLOCK從主機串行接口接收長度在10和16個時鐘之間的輸入序列。開始10個I/O時鐘提供采樣模擬輸入的控制時序。CLOCKDATAOUTCS1234567891000001A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0B9采樣周期BMSBLSBA/D變化時間間隔