电气控制与检测专业技术课程设计

1、电气控制与检测技术课程设计作者:日期:电气控制与检测技术课程设计院校：沈阳农业大学学院：信息与电气工程学院专业：06电气工程及其自动化学号:姓名:智能温度测量系统摘要:在现代化的工业生产中，温度是常用的测量及被控参数。采用51单片机来对温度进行测量，不仅控制方便、组态简单灵活，还能够大大降低成本。据此介绍了一种温度传感器选 用AD592、单片机选用 AT89C52的温度测量系统，并详细介绍了该系统的硬件电路及软件设 计。该系统的温度测量范围为-25C +105 C,可以精确到一位小数，体积小、成本低、工作可靠，可适用于工业场合及日常生活中。关键词：温度测量；温度传感器；单片机；硬件电路；软件设

2、计本文介绍了一种温度传感器选用AD592、单片机选用 AT89C52的温度测量系统。该系统的温度测量范围为-25 C +105 C，可以精确到一位小数，可适用于工业场合及日常生活中。1 系统结构1.1整流电路考虑到供电电源是 220V交流电，而本系统需要低压直流电，所以要经过整流电路才能给系统 提供稳定的直流电，其电路图如下：1.2测温系统本测温系统由温度传感器电路、信号放大电路、A/ D转换电路、单片机系统、温度显示系统构成。其基本工作原理：温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大 电路，与温度值对应的电压信号经放大后输出至A/ D转换电路，把电压信号转换成数字量送给单片

3、机系统，单片机系统根据显示需要对数字量进行处理，再送温度显示系统进行显示。本测温系统的原理框图。图I割温系统的原埋框图2 硬件电路设计附件所示为该系统的硬件电路图。2. 1温度传感器电路AD592是ADI新推出的一种电流输出式模拟集成温度传感器。主要特点如下：(1) 测温精度高。在单电源供电时，测量精度最高可达 ±)13C(典型值)。测量范围-25105C。重复性误差和长期稳定性均小于±)11 C。(2) 是两端集成温度传感器，外围电路简单。在常温测量领域中，可取代电热调节器、电阻式温度检测器、热电偶和 PN结等传统的温度传感器。电流温度系数仍为1uA / K。 输出阻抗高

4、，互换性很强。(4)电压范围430V。即使供电不稳定或者在反向电压高达20V时,也不会损坏芯片。技术性能描述：测温范围：-25 C +105 C分辩率：0.1 C测量精度：±3 i25C线性度：0.15 C max(0 C +70 C )输出接口：模拟信号，封装特性：不锈钢管密封，防水、防腐蚀工作电源:+4V +30V2. 2信号放大电路由于温度传感器 AD592输出的电压较低，如果不进行放大直接进行A D转换则会导致转换成的数字量太小、精度低。系统中选用通用型放大器对AD592输出的电压信号进行幅度放大，还可对其进行阻抗匹配、波形变换、噪声抑制等处理。系统采取同相输入，电压放大倍数

5、为 5倍，电路图如图所示。图5信号放人电路2. 3 A D转换电路A/ D 转换电路选用 8位AD转换器 ADC0809 °ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式 A/ D转换器，可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力。图中运算放大器的输出电压Vo送入AD670的模拟通道IN0。单片机AT89C52控制AD670的开始转换、延时等待 A/ D转换结束以及读出转换好的 8位数字量至单片机进行处理。+ 5V'AD67CA/D砖换器% HI2. 4单片机系统单片机选用的是 ATMEL公司的AT89C52，主要完成对 A/ D转换电路的控制、对转换后的数字量的处理以及对显示模块的控

6、制，并且为 ADC0809提供工作时钟。同时AT89C52外接锁存器74LS373 ,对AT89C52的P0 口的地址信号进行锁存。74LS373的 Q2 , Q1 , Q0 接ADC0809的C ,B ,A ,实现对模拟通道的选择。AT89C52的晶振选择 3 MHz ,则其 AL E引脚的输出频率为015 MHz ,小于ADC0809的时钟频率最高值 640 kHz ,正好为其提供工作时钟。其具体连接电路如附图所示。2. 5温度显示系统该温度显示系统较为简单，由可编程并行输入输出芯片 8255A的A ,B ,C端口外接3个8段 L ED 显示器来实现。 AT89C52的P216为8255提

7、供片选信号，74LS373的Q7 ,Q6 接825的A1 ,A0 ,可得到 8255 的 A ,B ,C 及控制口的地址为 BF3FH ,BF7FH ,BFBFH ,BFFFH 。AT89C52 处 理好的温度数据输出至 8255 ,并由AT89C52对8255编程控制其A ,B ,C端口输出高电平或低电 平,以便从8段L ED显示器显示实际温度。8段LED显示器选用共阳极,8255的A ,B ,C端口与 8段L ED显示器之间接限流电阻，图2中只画出了 PA 口 ,PB ,PC 口的接法类似2 ,3 。3 系统软件设计系统的软件部分用 51汇编语言编程，采用模块化结构，主要由A/ D转换模块

8、、单片机内部数据处 理模块、温度显示模块等3部分构成，便于修改和维护。3.1 A D转换模块根据测量系统要求不同以及单片机的忙闲程度 ，通常可采用3种软件编程方式：程序查询方式，延 时方式和中断方式。本系统采用延时方式。延时程序实际上是无条件传送I/O方式,当向A/ D转换器发出启动命令后，即进行软件延时，延时时间稍大于进行一次 A/ D转换所需要的时间，之后打开A/ D转换器的输出缓冲器读数即为转换好的数字量。A/ D转换时间为64个时钟周期，因为系统中 ADC0809的工作时钟为 500 kHz ,故A/ D转换时间为128卩s，延时时间可大致选 择160卩s。程序段如下：ORGOOOOI

9、IMDV DPTR,-7FF8H MOVX DPTRAMOV Rn , ?= 0DJNZ Rn. $:置IMO ifi逍地址 ；INO接A D,启功A D ；延时常数 :®E执行一次用2个机器周期 ;2个机器周期-2 *12 3 MHz-8 PsMOVX A ,pPTR为了使采样数据更稳定可靠；数据读入A,系统还采用了 8次采样平均值的方法以消除干扰。3. 2单片机内部数据处理模块系统通过 ADC0809转换的数字量是与实际温度成正比的数字量，但系统最后显示的是实际温度值，因此需要对数据进行处理再通过8255输出到L ED显示。设所测温度值为T ,A/ D转换后的数字量为 X ,则有

10、：r<)LT=o. oi v/ 'Cxr *cVOUT为AD592的输出电压,即运放卩A741的输入电压，卩A741的输出电压用 V 1表示。因 为卩A741的放大倍数为5，则有：Vi=$ XFout = d 05 XT根据系统设置，温度传感器输出电压 05 V对应于转换后的数字量 0255，则有：0105 T/ 5 = X/ 255可以近似写为：0105 T/ 5 = X/ 256这样除以256可通过把被除数右移 8位来实现，编程较简单。由此可以得出X和T的关系：T = 100 X/ 256程序段如下MOV B，# 100MOV B，# 10MUL ABMOV R1 ,AMOV

11、 R2 ,BMOV A ,R2DIV ABMOV DPTR , # TABMOVC A , A + DPTRMOV 40H ,AMOV A ,BMOV DPTR , # TABMOVC A , A + DPTRMOV 41H ,AMOV A ,R1MOV B , # 10MUL ABMOV A ,BMOV DPTR , # TAB ;MOVC A , A + DPTRMOV 42H ,A；A存放的是 A/ D转换后的数字量 X;并未在程序中进行右移8位的计算;是因为乘100后高位在B ,低位在A;而右移8位相当于温度值的整数部分;在B ,小数部分在 A，故直接对整数;部分和小数部分作处理就可以

12、了;查表;温度值的十位数存40H单元;查表;温度值的个位数存 41H单元;小数部分的处理;查表;温度值的小数部分存42H单元TAB :DB 3FH ,06H ,5BH ,4FH ,66H ,6DH ,7DH ,07HDB 7FH ,6FH ,77H ,7CH ,39H ,5EH ,79H ,71H3. 3温度显示模块单片机处理好的温度数据通过 8255的3个端口输出到3个L ED上显示,8255的A ,B ,C 口的 工作方式均设置为方式 0 ,输出。编程时只需分别从 40 H ,41 H ,42 H 单元取数据送 A ,B ,C 口 输出即可。室内和室外通道用两个 8255就可实现。-# -

13、4 结 语该测温系统经过多次测试，工作稳定可靠，体积小、集成度高、灵敏度高、响应时间短、抗干 扰能力强等特点。此外该系统成本低廉，器件均为常规元件，有很高的工程价值。如稍加改动，该系统可以很方便地扩展为集温度测量、控制为一体的产品，具有一定工程应用价值。如对该系统进一步扩展，还可以实现利用 USB协议标准与 PC机进行数据通信，能够把监测到的温度值 保存到PC机中。附件:C 0 A 3 gI I I iiLLiiriI 1,-lLriOG E 13 D-Ji心得体会在对智能温度测量系统的设计过程中，我大量的翻阅了网 上的论文及期刊资料，首先对智能温度测量系统的框架有大概 的熟悉，了解到这个系统

14、需要用合适的温度传感器来测得温度 并将其转化为电压量，然而这个电压量很微小的，直接转化到 数字量会容易产生很大的误差，所以需要通过合适的放大器来 将它放到到一定的倍数，然后转化为数字量，通过芯片的处理 再显示到LED上，好让人们更直观的看到温度的数值和变化。由于设计要求中，供电电源为220V交流电，而测量电路的所需电压不过几伏的直流，我们要考虑使用整流电路才能实 现这一要求。其他在测量范围和测量精度要求上，不是选测量 范围越大、测量精度越高的温度传感器越好，这样所需的成本 必然就不合适了。考虑到这一点，我在网上翻阅了大量的相关 产品，看了他们的参数，选取了 AD592我认为性价比上最合适 的温

15、度传感器。在这次设计里，涉及到我所学的传感器原理及应用、微 机原理及接口技术、单片机原理及应用、模拟电子技术， 翻阅了之前的课本、实验指导等，使我所学到的理论知识和实 践得到结合。设计二：直流电机双闭环电压调速控制系统摘要：本设计主要介绍了双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图。并对晶闸管的电压、电 流作了定额计算，及平波电抗器的计算。最后得出双闭环调速系统的主、控电路图并作了总结 及设计心得。关键词：双闭环， ASR ACR晶闸管。采用转速负反馈和 PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差，如果附带电流截止负反馈作限流保护可以限制电流的冲击，但并不能控制电流的动态波形。我们希望系统在启动

16、时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间。这 一点利用电流截止负反馈是很难实现的。另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行 调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担 负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均 具有良好的动态品质。为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流串级调速系统，即转速电流双 闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。在设计要求中供电电源是220V交流电，而本系统需要 24V直流电，所以要经

17、过220v/18v的变压器加桥式整流滤波得24v直流1双闭环调速系统的组成1.1双闭环调速系统电路原理图上图为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调 节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为 外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Um决定了电流调节器 ACR的给定电压最大 值Um,对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压 Ucm限制了整流器输出最大电压值， 限最小触发角 a1.2双闭环调速系统动态结构图Toi 电流

18、反馈滤波时间常数 Ton 转速反馈滤波时间常数图2- 2双闭环调速系统的动态结构图双闭环调速系统的动态结构如图所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤 波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性 环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间 上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数 用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间

19、常数为Ton的给定滤波环节。2按工程设计方法设计双闭环系统的ACR和ASR设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先 从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2.1ACR的设计(1) 确定时间常数整流滤波时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s；电流滤波时间常数 Toi, 三相桥式电路每个波头的时间是 3.33 ms，为了基本虑平波头，应有(12) Toi=3.33ms，因此 取Toi=2ms=0.002s ;电流环小时间常数 T工，按小时间常数近似处理，取 T工=Ts+T&

20、#176;i=0.0037s。(2) 选择电流调节器结构由设计要求：q%c 5%,而且：Tl 0.038.11 <10 T ' i 0.0037因此可按典型I型系统设计，电流调节器选用 PI型，其传递函数为：砧+1wacr (s) = Ki(3) 选择电流调节器参数ACR超前时间常数：=TI = 0.03s ；电流环开环增益：要求(T i%< 5%寸，应取QT. =0.5, 因此：-7 -1已 ACR勺比例系数为:疋，(4)校验近似条件电流环截止频率 ci1 13Ts_ 3 0.00170.5KITDKi05135.1s0.0037= 135.10.03 0.5 =1.01

21、30.05x40=KI -135.1s ；晶闸管装置传递函数近似条件为:Wei _ 3Ts现在,1 ,=196.1s、 ei，满足近似条件；忽略反电动势对电流环影响的条件为:=40.82s J =: Wei，满足近似条件；小时间常数近似条件处理条件为：WeiJ厂3 V TsToi现在现在,-ei，满足近似条件。(5)计算调节器电阻和电容e图3 1含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器电流调节器原理如图所示，按所用运算放大器取R0=40kQ，各电阻和电容值计算如下:Ri = KR 0=1.013江 40 = 40.52kO，取 40k。；i 0.03Ri 40 1000108=0.75"

22、;F ,取 0.75 "F ；_ Q _Coi = 4ToiR0 =0.2 "F ,取 0.2 "F o按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为:2.2ASR的设计(1)确定时间常数d i%=4.5%<5%满足设计要求。电流环等效时间常数为 2Tu = 0.0074s；转速滤波时间常数 Ton ,根据所用测速发电机波纹情况，取 Ton=0.01s ;转速环小时间常数T'n 按小时间常数近似处理，取T "=2T vi Ton = 0.0174so(2) 选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型

23、n型系统设 计速度环，故 ASR选用PI调节器，其传递函数为：“S十1WASR(S)= Kn - Tns(3) 选择速度调节器参数 按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5 ,则 ASR的超前时间常数为：n = hT、n=5 0.0174 = 0.087s,转速环开环增益:Kn=396.4s °已 ASR的比例系数疋，Kn2haRT(4) 校验近似条件由转速截止频率:，cn =空二 KN n =34.5s创，电流环传递函数简化条件：5T i现在154.1s4 cn5T' i满足简化条件。现在2 汇 0.0037 沢 0.01 一 38.75 >11-11 -小时间常数近似

24、条件为/ 1Wen 、一)3 2T 0Tom 满足近似条件。(5) 计算调节器电阻和电容RnCn-13 -图3 2含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器转速调节原理图如图 3 2所示，取Ro =40kJ，则Rn = KnRo = 11.7X 40 = 468k0，取 470kO ；Cn n =0.18lFRn，取0.2；;Con4TonR03晶闸管的电压、电流定额计算3.1晶闸管额定电压 UN晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，即按下式选取 UN (23) Um式中系数23的取值应视运行条件，元件质量和对可靠

25、性的要求程度而定。3.2晶闸管额定电流IN为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：IN=(1.52)KfblMAX。式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极 电路的支路数。当a =0时，三相 全控桥电路 Kfb=0.368,故计算的晶 闸管额定 电流为IN=(1.52)KfbIMAX =(1.52) X 0.368 X (220 X 1.5)=182.16 242.88A，取 200A。4平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从 根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。(1)电枢电感量LM按下式计算3Lm(mH)KdUn 102PnN InP 电动机磁极对数，KD 计算系数，对一般无补偿电机：KD=812>(