恒溫控制電路設(shè)計(jì)

恒溫控制電路設(shè)計(jì)一．概述：本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集與控制。溫度信號由AD590K和溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路提供，對AD590K進(jìn)行了精度優(yōu)于正負(fù)0.1°C的非線性補(bǔ)償，溫度實(shí)時(shí)控制采用分段非線性和積分分離PI算法，其分段點(diǎn)是設(shè)定溫度的函數(shù)?？刂戚敵鰜碛妹}沖移相觸發(fā)可控硅來調(diào)節(jié)加熱絲有效功率。系統(tǒng)具備較高的測量精度和控制精度。二．實(shí)施方案：本題目是設(shè)計(jì)制作一個(gè)恒溫箱控制系統(tǒng)，為測量和溫度調(diào)節(jié)方便，內(nèi)加2L純凈水，加熱器為100W電爐。要求能在40度到100度范圍內(nèi)設(shè)定控制水溫，靜態(tài)控制精度為0.2°C,并具有較好的快速性與較小的超調(diào)?含有十進(jìn)制數(shù)碼管顯示、溫度曲線打印等功能。關(guān)鍵詞：非線性補(bǔ)償：大多數(shù)被測參數(shù)與顯示值之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，為了消除非線性誤差，必須在儀表中加入非線性補(bǔ)償電路。常用的方法有：模擬式非線性補(bǔ)償法、非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換補(bǔ)償法、數(shù)字式非線性補(bǔ)償法等。分段非線性：由于熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系存在著非線性，需通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性改正，消除非線性的影響。為克服非線性的影響，采用分段線性法補(bǔ)償。如果該溫度計(jì)的測量范圍為5°C至45°C，將整個(gè)溫度測量范圍等分為10個(gè)小區(qū)間，每4度為一個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)溫度與頻率的關(guān)系可視為線性。過零檢測光耦：過零檢測光藕就是在交流電網(wǎng)過零檢測光藕.在電網(wǎng)過零時(shí)干擾最小,不會(huì)影響模擬測量的結(jié)果，這種光耦是在直流電時(shí)導(dǎo)通的.它的前級結(jié)構(gòu)是二極管。熱慣性：系統(tǒng)在升溫過程中，加熱器溫度總是高于被控對象溫度，在達(dá)到設(shè)定值后，即使減小或切斷加熱功率，加熱器存儲(chǔ)的熱量在一定時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)使系統(tǒng)升溫，降溫有類似的反向過程，這稱之為系統(tǒng)的熱慣性。超調(diào)：系統(tǒng)在達(dá)到設(shè)定值后一般并不能立即穩(wěn)定在設(shè)定值，而是超過設(shè)定值后經(jīng)一定的過渡過程才重新穩(wěn)定。傳感器滯后是指由于傳感器本身熱傳導(dǎo)特性或是由于傳感器安裝位置的原因，使傳感器測量到的溫度比系統(tǒng)實(shí)際的溫度在時(shí)間上滯后，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值后調(diào)節(jié)器無法立即作出反應(yīng)，產(chǎn)生超調(diào)。三．主要元器件介紹：1.8098單片機(jī)簡介：80年代中期，單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了16位單片機(jī)的時(shí)代。Intel公司繼MCS-51單片機(jī)之后，于1983年推出16位單片機(jī)8098， 1988年年底Intel公司推出了具有8位機(jī)價(jià)格16位機(jī)性能的8098單片機(jī)，從而使MCS-96系列單片機(jī)的應(yīng)用有了飛躍性的突破。在此基礎(chǔ)上，Intel公司又推出了性能更強(qiáng)的CMOS芯片80C196/80C198，它們除保留了8096BH/8098的功能外，還增加了許多內(nèi)部功能和指令功能，且速度相當(dāng)于9096BH/8098的兩倍，使其在高層次的應(yīng)用中有很大的前景。引腳圖如下：MCJ/Pi-1/PALE匚（□4S□RESEIT)t[)/F2-Q/PVEir/SALE亡247□UTINT/P2.Z/PRDGHSI.G/SID.0匚346環(huán)MSl.l/SlD.1L445□VREFH5LZ/5l&-Z/HSa4匚544□ANGNDH?L3/SIDi5/HW.5CS砒□ACH4/P0J4/PMODfLOHSO.O/PACT匚74S□1HSO.1Ca41ZTACH7/H.7/PM0M.3HSU.2匚940ZJACH*/FO.t/PMOD￡.!10□n匚113vcc喀匚叫□mnWRC1435□XIALSh.clC1554□ALE/ADVRLADT匚IK狎n而Jk1S/P4.7匚17□AM/P3.0CIB31□ADI/P3.1A15/P+.SE□A0Z/P34Al2/P4x4C10Z9□AP3/P35A11/P*.5匚21陽AM/PJ.4A10/P+P2C2227□A&&/P3.1A9/P4.1匚15ZAJAEK/PS.8AB/P4.Q匚2*2&□AD7/PJJ主要引腳功能如下：。Vcc——主電源（+5V）。。Vss——數(shù)字地（0V）,有兩個(gè)Vss，須同時(shí)接地。。Vpd——RAM備用電源（+5V）。正常操作期間，此電源必須接通。在掉電情況下，當(dāng)Vcc尚未降至RAM所需規(guī)范電壓值以下時(shí)（Vpd正常供電），RESET信號有效，則片內(nèi)寄存器頂部的16個(gè)字節(jié)內(nèi)容得以維持不變，在掉電期間RESET必須保持低電平，直至Vcc恢復(fù)正常且振蕩器達(dá)到穩(wěn)定時(shí)為止。。Vref——片內(nèi)A/D的參考電壓（+5V），同時(shí)也是A/D模擬部分的電源電壓及讀P0所用邏輯電路的供電電壓。。ANGND——A/D的模擬地，通常應(yīng)與Vss保持同電位。。Vpp——片內(nèi)EPROM的編程電壓針對8795BH而言。。STAL1 片內(nèi)反相振蕩器的輸出，也是片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，通常接外部晶體。。STAL2 片內(nèi)反相振蕩器的輸出，通常接外部晶體。。RESET——復(fù)位信號輸入，低電平有效，兩個(gè)狀態(tài)周期以上的低電平輸入可使芯片復(fù)位。RESET再變?yōu)楦唠娖綍r(shí)（高電平持續(xù)時(shí)間大于10個(gè)狀態(tài)周期）可產(chǎn)生10個(gè)周期的內(nèi)部復(fù)位序列。。EA——存儲(chǔ)器選擇輸入端。當(dāng)EA=0時(shí)，CPU對外部存儲(chǔ)器操作，當(dāng)EA=1時(shí)，CPU對片內(nèi)存儲(chǔ)器（EPROM/ROM）的2000H—3FFFH單元操作，地址在4000H以后，訪問外部存儲(chǔ)器，此引腳內(nèi)部有下拉作用，若引腳無驅(qū)動(dòng)，它總保持低電平。。ALE/ADV——地址鎖存允許或地址輸出有效（由芯片控制器CCR選擇）。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，表示地址/數(shù)據(jù)總線上傳送的是存儲(chǔ)器地址，ALE下降沿將地址鎖存到地址鎖存到地址鎖存器中。。RD 外部存儲(chǔ)器讀信號，輸出低電平有效。。WR——外部存儲(chǔ)器寫信號，輸出低電平有效。。READY—準(zhǔn)備就緒信號（輸入）。它用來延長對外部存儲(chǔ)器的訪問周期，以便與慢速存儲(chǔ)器或動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器接口。它也可用于總線共享，總線周期最多可延長至l“s。通過CCR寄存器可控制插入總線周期中的狀態(tài)數(shù)。該引腳內(nèi)部有微弱的上位作用，在無外部驅(qū)動(dòng)器時(shí)，為高電平。。HIS——高速輸入（HIS。0?HIS。3）引腳，其中HIS。2和HIS。3與兩個(gè)高速輸出引腳公用。。HSO——高速輸出（HSO。0?HSO。5）引腳，其中HSO。4和HSO。5與兩個(gè)HIS引腳公用。。P0口——4路高阻輸入口，既可作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入（ACH4?ACH7）,又可作為數(shù)字量輸入（P0.4?寬。7），也可同時(shí)輸入模擬信號和數(shù)字信號。。P2口——4位多功能口（P2.0,P2.1，P2.5）。它們除用作標(biāo)準(zhǔn)的I/O口之外，還具有復(fù)用功能，表13.5給出P2口各引腳的基本功能和復(fù)用功能。。P3/P4口——均為8位雙向I/O口，具有兩種功能，既可用作具有漏極開路輸出的雙向口，也可作為系統(tǒng)總線。用作系統(tǒng)總線時(shí)，P3口傳送低8位地址及8位數(shù)據(jù)，P4口傳送高8位地址，此時(shí)，引腳內(nèi)部有上位作用。2AD590K（雙腿集成電路溫度傳感器）封裝及引腳圖如下：主要功能介紹：TheAD59〔iisa2-terjninaljjitegiated匚itvuirteniperatinetransducerthatpioducesanoutputcurrentproportionaltoabsoluteteniperatine.Forsupplyvoltagesbetw'eeji4Vand30Vtliedeviceactsasahigh-impedance,constantcurrentle^ulatDrpassing1pA/K.Lasertrimmingofthechipsthin-filmresistorsisusedtocalibratethedwiceto298.2pAoutputat298.2K(25°C).TheAD590shouldbeusedinanytemperature-sensingappljcatianbelow150oCinvrhichconventionalelectricalteinperatuiescjisoisarecurientlyemployed.TheinlierentlowcostataJiioncilirlijcjjite^ratedciiciiitcombjjiedwithtlieeliminatjonatsupportcjicuitrymakestlieAD59Dan目廿lactivealternativetarmanytejnperatlirejneasuiementsituations.Linearizationcircuitry,precisionvoltageamplifiers,resistancemeasuringcircuitry,ajidcoldiunctioncciinpejisatiajiaienotneededinapplyingtheAD59D.InadditiontotemperatureJiieasurenient,applicatiojisincludetemperaturecompensationorcorrectionofdiscretecompajients,biasingpropoitianaltoabsolutetejnpeiature,flawratemeasurejnent,leveldetectionottluictsandanemametiy.TheAD590isavailableinchipform,makingitsuitableforhybiidchcujtsandlasttemperaturemeasuienientsinpiotectedenviianments.hiadditiontotemperaturemeasurement,applicationsincludetemperaturecompensationorcorrectionofdiscretecompajients,biasingpiopoitiajialtoabsolutetejnpeiature,flawratemeasurement,le^reldetectionoffluidsandanemometry:TheAD5^0isavailableinchiptoin\makingitsuitabletbihybridcircuitsandfasttemperaturemeasurementsinprotectedejiviicuinients.TheAD590isparticularlyuseiulinlemotesensjjigapplicatjons.Thedeviceisinsensitivetovoltagedropsoverlonglinesduetoitshighimpedancecurrentoutput.Anywell-insulatedtwistedpairissufficientforoperationathundredsoffeetfromtherec&ivtiigcircuitry.Theoutputcharacteristicsalsoiyl血theAD5Weasytojnultiplex：theLurientcanbeswitclie^lbyaCM<>SiniiltiplexeioithesupplyYolrag,ecanbeswitcLiedbyalogicg.aieoutpiLt.

3.OP07（精密運(yùn)算放大芯片）引腳及封裝圖：4AD1674（高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：四．電路設(shè)計(jì)部分1．測量部分采用溫度傳感器AD590K。它具有較高精度和重復(fù)性，其良好的非線性可以保證優(yōu)于正負(fù)0.1°C的測量精度，利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn)，通過非線性補(bǔ)償，可以達(dá)到正負(fù)0.1°C測量精度。2．驅(qū)動(dòng)控制部分（1）電爐有效功率控制

采用移相控制交流電壓的有效功率，依據(jù)HIS口得到的過零檢測信號控制HSO口輸出同步脈沖，移相量由溫度誤差計(jì)算給出，這樣對交流電的單個(gè)周期的有效值周期性調(diào)節(jié)．以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。交流電過零檢測電路設(shè)計(jì)交流電源經(jīng)變壓器降壓后進(jìn)行過零檢測，再通過光電耦合器件輸出過零檢測信號，避免交流電平干擾，其安全性可靠性高，見下圖。風(fēng)1470U1Q1HPN》6VCR-T4007吉方波014007100K風(fēng)1470U1Q1HPN》6VCR-T4007吉方波014007100KDRAWERBY周建華二口100HF220V實(shí)施方案：根據(jù)以上分析，采用如下方案：1，溫度測量部分采用集成溫度傳感器AD590K,加上軟件非線性補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)高精度測量,見下圖

R1R4R25K2K9KDIU1R6SIIKAD5MK0+5VDRAWEI)BY周建華+15V.WOP07H/883BR3200KIL+I1ECLP100K-1；V100MV7°CR1R4R25K2K9KDIU1R6SIIKAD5MK0+5VDRAWEI)BY周建華+15V.WOP07H/883BR3200KIL+I1ECLP100K-1；V100MV7°CGHT2動(dòng)按制部分采用脈沖移相觸發(fā)可控硅改變電爐的有效功率，見下圖：t470五．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與理論分析1．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件以8098單片機(jī)為核心，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下圖所示2．控制算法實(shí)驗(yàn)表明，水溫控制系統(tǒng)中，采用單純的PID始終具有較大的超調(diào)，而且出現(xiàn)水溫超調(diào)．只能靠自然冷卻，這就使得調(diào)節(jié)時(shí)間大大延長。因此，在水溫控制系統(tǒng)中要縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，就必須做到基本無超調(diào)。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，采用分段非線性加積分分離PI進(jìn)行溫度控制。在偏差較大時(shí)，控制量采用由實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)偏差較小時(shí)切換為積分分離PI算法。理論證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應(yīng)、減小超調(diào)量，并且具有較高的溫度控制精度。3．系統(tǒng)靜態(tài)測溫誤差分析測溫部分采用溫度傳感器AD590K。它具有較高的精度和線性度。經(jīng)分析能完全滿足要求。六系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：1．軟件主要功能溫度沒定即設(shè)定控制溫度為4度到100度。信號濾波頻率設(shè)定程序中設(shè)有信號的一階慣性濾波，通過此功能可設(shè)定濾波截止頻率。控制參數(shù)設(shè)定可設(shè)定的控制參數(shù)有比例系數(shù)、積分速度、積分飽和門限等。報(bào)警門限設(shè)置與報(bào)警通過鍵盤設(shè)定報(bào)警的上下限開關(guān)，報(bào)警啟動(dòng)后，程序依據(jù)設(shè)置進(jìn)行報(bào)警處理。打印設(shè)置軟件除具有題目要求的溫度曲線自動(dòng)打印功能外，還可通過鍵盤在線啟動(dòng)曲線與數(shù)據(jù)的打印功能。傳感器的非線性補(bǔ)償為了獲得正負(fù)0.2度的控制精度，溫度的測量精度必須優(yōu)于0.2度。利用AD590K的正負(fù)0.1度的重復(fù)性，軟件中設(shè)有分段插值程序，對AD590K的信號進(jìn)行非線性補(bǔ)償以獲得正負(fù)0.1度的測量精度。2．程序流程圖如下

調(diào)試過程：使用的主要儀器儀器：電腦一臺(tái)；數(shù)字萬用表一只；示波器一只；WD型微機(jī)電源一臺(tái)；溫度計(jì)一只；8098開發(fā)系統(tǒng)。傳感器標(biāo)定：由于AD590K測溫精度為0.3度，其測溫重復(fù)性優(yōu)于0.1度，在使用軟件插值算法進(jìn)行線性化后．系統(tǒng)側(cè)溫精度達(dá)到0.1度。步驟如下：傳感器粗調(diào)0度點(diǎn)校正：在保溫杯中加入冰水混合物，放人傳感器探頭，用高精度數(shù)字電壓表測量變送器輸出電壓，等變送器