电子系统设计温度控制系统试验报告

1、电子系统设计实验报告温度控制系统的设计姓名：杨婷班级：信息 21 学校：西安交通大学、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。、控制对象为400W的电热杯。 、执行器件为继电器，通过继电器的通断来进行温度的控制。 、测温元件为铂热电阻 Pt1

2、00 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4561、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

3、为 0-5V。三、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：R仁R2=10Q, R3为500Q的变阻器。2、仪表放大器O% in OA,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=RfR1=R2输出端Vo与输入电压差值关系为 Vo= Rf/R

4、3 （2R1/Rg+1）A Vin。本实验中：Rf=R3=R4=R5=10!K, R1=R2=10Q, Rg 为 500Q 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：REF+ 1 u3】VccANALOG IN 271 I/O CLOCKREF-36j DATA OUTGND 45JcsTLC1549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。 管脚说明：ANALOG IN(2):模拟信号输入。外部驱动源的模拟,

5、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。DATAOUT(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DATAOU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

6、的未使用的零LSBsGND(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 -。VCC (8):正电源电压4、单片机中的1602液晶显示器其引脚图如下:1602采用标准的16脚接口，

7、其中: 第1脚第2脚第3脚VSS为地电源。VDD接5V正电源。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。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。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。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4脚:第5 脚:第6脚：第714脚：D0D7为8位双向

8、数据线。第1516脚：空脚。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）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01000001B（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）« $RSK/WU7US113Datn裱示亠0a00000e0Q000Q1n"

9、;040Q 'G0II/D is显示旳知S制ID''000UIuCu光赫或字轩移隹1 J -Qi j0aIs/ca/L*rTflSG 30*01N p-* I字苻Si存两地址1 30_ J1 1字符&生祥贮地址CAG<j）»»据存地址1 0 .5 :1建ft禄竜玻地J址1i UF讣«»览址写 Bt 對 CGRAM 或 DDRAM.i iQ ! 11读岀的aJ石7£?5、继电器驱动电路、继电器电路、烧水壶禾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。

10、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PtIOO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

11、。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=K p*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

12、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

13、，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