温度的测量与控制(电子设计大赛培训)

1、2022-4-221 温度的测量与控制温度的测量与控制 -湖南省大学生电子设计大赛试题（2012）怀化学院电子设计大赛培训内容李晓帆 2013-07-192022-4-222基本情况介绍电子设计大赛的任务、要求和说明。 设计的基本依据 理解和分析 体现专业素养和能力2022-4-223任务 设计并制作一套能在3080范围内实现温度测量和控制的电路系统。系统中采用20/30W的空心瓷管电阻（或水泥电阻）做为电热元件，用直流稳压电源（30V/2A）做为供电电源，用PT100做为温度传感器。 2022-4-224基本要求（1）设计一个温度测量电路，其输出电压能随电热元件温度的变化而变化；记录温度在3

2、080范围内每变化5对应的模拟电压量（填写表1）；（2）以数字方式显示温度值；（3）先将电热元件稳定地控制在40（保持至少1分钟）；然后快速升温至60，并将温度稳定地控制在60（保持至少2分钟）；并分别用LED指示灯指示升温中、温度达到40和温度达到60。2022-4-225发挥部分（1）可以将电热元件温度稳定地控制在3080之间的任一指定温度值，温度值可以设定；尽量减短升温时间，减小温度起伏；（2）从40升温至60的时间可设置，并尽量保持保持匀速升温；（3）自由发挥。2022-4-226温度电压对照表温度电压V温度电压V2022-4-227说明1.以具有测温功能的万用表作为标准温度计。2.竞

3、赛和测试都使用学生配给的仪器设备。3.竞赛系统和万用表的测温传感器可以贴近粘贴在电热元件上。4.为缩短测试周期，正式测试前可用风扇等强制降温方法，将电热元件的温度保持在较低温度的状态；尽量在两个升温过程中完成所有参数的测试，可以两组交替测试。2022-4-2282022-4-229分析 温度范围：3080 20/30W的空心瓷管电阻 ：加热器（滑动变阻器） PT100：温度传感器 （了解PT100 ） 20/30W ，直流稳压电源（30V/2A）：控制部分电源30V，滑动变阻器20，电流为1.5A，最大电流2A 温度的测量与控制：控制为闭环，测量（信号采集）数据分析与处理（微处理器）控制（执行

4、）2022-4-2210PT100 PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0时它的阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。 正温度系数 温度与阻值线性变化 精确测量需测定 注意电阻的变化范围：100138.52022-4-2211分度表分度表温度（ ）-50-40-30-20-10010203040506070阻值（）80.3184.2788.2292.1696.09100.00103.90107.79111.67115.541

5、19.40123.24127.08温度（ ）8090100110120130140150160170180190200阻值（）130.90134.71138.51142.29146.07149.83153.58157.33161.05164.77168.48172.17175.86 铂电阻元件有良好的长期稳定性,例如CRZ-1632在0时的最大 温度漂移仅为0.022022-4-2212应用范围应用范围 医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精高精温度设备，应用范围非常之广泛。 常规产品的测试电流:Pt100为1mA, Pt1000为0.5mA,实际应用时测试电流不应超过允许值，例如Pt10

6、0当测试电流为1mA时，温升为0.05; 当测试电流为5mA时，温升为2.,并且自热温升的数据同产品的结构也有很大的关系，如保护 管的直径，内部填充物的种类，测试条件等。2022-4-22132022-4-2214要求分析o 设计一个温度测量电路，其输出电压能随电热元件温度的变化而变化；记录温度在3080范围内每变化5对应的模拟电压量 测量电路 在3080范围内每变化5对应的模拟电压量 PT100分度表： PT100非一致，有误差，温度电压对照表 即分度表2022-4-2215o 以数字方式显示温度值 要求数字显示，可考虑微处理器2022-4-2216o 先将电热元件稳定地控制在40（保持至少

7、1分钟）；然后快速升温至60，并将温度稳定地控制在60（保持至少2分钟）；并分别用LED指示灯指示升温中、温度达到40和温度达到60。 电热元件稳定地控制在40：控制，加热（温升），风扇（温降） 温度为慢变信号 稳定：选择加热和降温方式 显示3种状态：升温中，达到40和温度达到60 快速升温，保持至少1分钟，保持至少2分钟：控制方式 问题：控制对象是什么？空气还是水？2022-4-2217o 可以将电热元件温度稳定地控制在3080之间的任一指定温度值，温度值可以设定；尽量减短升温时间，减小温度起伏； 指定温度：有设置功能 时间段，起伏小：控制方式 控制效果取决于：控制对象、控制方式、执行单元2

8、022-4-2218o 从40升温至60的时间可设置，并尽量保持保持匀速升温； 时间设定：实时控制；控制对象、控制方式和执行单元能匹配 没定义控制对象2022-4-2219o 自由发挥 更多功能：界面控制，精度高，适应性强（不同温度传感器、不同控制对象）等 切忌：画蛇添足，考虑设计成本和系统复杂性 简单，满足要求2022-4-22202022-4-2221设计方案o 系统框图2022-4-2222温度测量（采集）u温度测量与采集的方式多种。u惠斯顿电桥u学生设计方案1： 采用惠斯顿电桥电路，将Pt100 随温度变化而产生的电阻值的变化转变成微弱的电压的变化再经过差动放大电路后得到一个适合单片机

9、采集范围的电压，单片机根据采集的电压值换算成对应的温度值，再与预设的温度值进行比较，输出控制信号通过驱动电路控制功率负载的加热，从而达到温度测量和控制的目的。2022-4-2223设计的框图o 控制的方框图预设温度值采集当前温度与预设的温度值比较产生控制信号（PWM）控制驱动电路空心瓷管温度改变散热怎样采集当前温度，用什么电路实现呢？2022-4-2224温度采集电路温度采集电路o 采用惠斯顿电桥测温电路，R1,R2，Pt100，R3构成测量电桥并且用基准源为压块驱动电桥(其中R1=R2，R3为100欧姆的精密电阻)当Pt100 的电阻值和R3是的电阻值不相等时，电桥输出一个毫伏级的压差信号。

10、即将电阻的变化转化成电压的变化。2022-4-2225o温度测量电路2022-4-2226差模放大电路差模放大电路o002022-4-2227推算o 放大倍数的计算： iR7=(u1-u2)/R7 uo1-uo2=iR7(R6+R7+R8) = (u1-u2)(R6+R7+R8)/R7 当R9=R10,R11=R13时 uo=-R11/R9(uo1-uo2) =-R11/R9(u1-u2)(R6+R7+R8)/R7 所以得到输出电压uo正比于输入电 压(u1-u2)。2022-4-2228o INA128仪表放大器2022-4-2229单片机采集电压单片机采集电压ADC10CTL0 |= EN

11、C +ADC10SC+AD10ON; ADC10CTL1 = INCH0; _bis_SR_register(CPUOFF); AD=ADC10MEM;AD_temp=(int)(float)AD/1024)*3300); i+; sum_temp+=AD_tem; if(i=10000) i=0; v_temp=sum_temp/10000; 2022-4-2230ADC10.pdf2022-4-2231产生控制信号（产生控制信号（PWM波）波）int PID( int temp, int control)/temp是当前温度，control 设置温度 float Kp=700; /比例系数

12、 float Ki=12; /积分系数 float Kd=5; /微分系数 ek=(control-temp); P=125-Kp*(ek-ek1)-Ki*Kd*(e2*ek1- k2)- 0.050*( control-300); ek2=ek1; ek1=ek; return P;2022-4-2232PID算法微分项的作用2022-4-2233PWM波的产生波的产生#include void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /StopWDTP1DIR |= 0 x01; / P1.0 outputCCTL1 = CCIE; / CCR1 inte

13、rrup enabledCCR1 = 50000; TACTL = TASSEL_2 + MC_2; /SMCLK,ContmodeBIS_SR(LPM0_bits + GIE); / LPM0 /interrupt#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR_interrupt void Timer_A(void) if(TA0IV) P1OUT = 0 x01; CCR1 = 50000; 2022-4-2234内部电路2022-4-2235驱动电路的设计驱动电路的设计o MOSMOS管驱动电路：管驱动电路：空心瓷管接单片机pwm输出2022-4-2236调试调试 程序在

14、编译通过后不一定就能够满足本设计的预期要达到的目的，往往需要进一步更改或调整程序的某些参量值或代码段已达到设计要求。 本设计需要调试的主要部分： 1、电桥的平衡，差模放大电路阻抗的匹配。 2、采集温度的校准。 3、PID算法调试。2022-4-2237PID参数的选择2022-4-2238分析与理解惠斯顿电桥输入电压恒定考虑电阻的阻值不一致不完全的惠更斯电桥2022-4-2239 分析差模放大电路 分析差模放大电路与仪表放大器的电路 推导计算公式2022-4-2240 分析驱动电路 电路的设计值得商榷 考虑输入电压的范围以及三极管的导通 采用达林顿管的电路 电路的基本功耗 是否考虑两个电源的隔

15、离2022-4-22412022-4-2242o 学生设计方案2 采用惠斯顿电桥测温电路，当Pt100 的电阻值和R13是的电阻值不相等时，电桥输出一个毫伏级的压差信号，这压差经过差动放大电路放大到输出期望大小的电压信号，该信号可直接通过Msp430g2553单片机内部AD采样，此方法误差小，满足精度要求，故采用此方案。 2022-4-2243系统框图 Msp430单片机 系统LCD51100 键盘桥式电路仪表放大器PWM控制波形输出Pt100温度传感器2022-4-2244信号采集与处理信号采集与处理 2022-4-2245电源滤波电源滤波 2022-4-2246功率控制功率控制 2022-

16、4-2247指示部分与电压检测指示部分与电压检测 指示电路电压检测电路2022-4-2248电桥关系式电桥关系式o 已知PT100允通电流5mA,取中间值2.5mA，选用5V的电源，则R4/R8=R5/R7=5V/2.5mA=2K,根据实际取R4、R5、R7、R8为4.7K。根据题目要求，温度范围30-80度和发挥部分，我们把温度定在30-100度，再根据PT100分度表，PT100的电阻范围大约为110到138ohm，所以R13取110ohm。 则电桥的输出电压和PT100电阻RL的关系为00RRRURRRUUiLLio2022-4-2249仪用放大部分 当PT100为138ohm，时，电桥

17、输出最大电压为 单片机的采样最高电压为3.6V,所以后面的仪用放大器应的放大倍数为 根据INA128的参数可得电阻R12的阻值为mvRRRURRRUUiLLiMAX4 .5300maxmax6853.4mv3600mvmaxMAXaduUUA7461685000012R2022-4-2250 温度和PT100电阻值的关系可以通过资料得 将上式代入（1）式并代入数值可得一个最终公式)1090802. 31 (1003TRadadUUT39. 05 .111662246322908182022-4-2251软件流程图软件流程图2022-4-2252测试方法描述测试方法描述对仪用放大部分的测试把PT

18、100用一个200ohm的精密可调电阻代替，调节此电阻，使电桥输出5mv、10mv、15mv50mv，并记录数据。对总个系统的测试总个系统的测试要记录AD采样值与万用表实测温度，得到一个曲线图，再和公式值去比较和修正。特别要注意的是温度传感器PT100和万用表的传感器有结构的区别，俩个对温度的反应时间是不同的，一定要创造一个稳定的温度环境使两个传感器核心温度相同时，测得的数据才是有效的。2022-4-2253测试数据测试数据o放大部分数据放大部分数据( (放大放大6868倍倍) )电桥输出电压（mv）5101520253035404550放大输出（mv）34568810231361171020

19、382380272730653409理论值（mv）340680102013601700204023802720306034002022-4-2254o系统的测试数据 AD采样（mv）626924112213191509170719112101229526932884307732753458公式温度34.441.145.449.854.158.563.167.471.780.784.989.393.897.9修正公式温度27.735.440.245.149.654.559.864.269.079.487.589.494.398.3实测温度27.835.440.145.149.754.559.86

20、4.469.179.587.589.494.498.52022-4-2255数据分析与结论数据分析与结论 从放大部分所测得数据可以看出，放大部分基本和理论值相对应，有些误差可能的来源有：仪用放大器本身的误差、人工测量误差、万用表的误差等。 从总个系统的测试数据看，特别是看附表的曲线图，实际和理论有比较大的误差，这个是无法避免的，通过人为的修改后，取得了很好的效果。 总而言之，本系统实现了题目的基本要求的全部、发挥部分的大部！2022-4-2256附图2022-4-22572022-4-2258学生设计方案3o 设计思路描述 本设计包括1mA恒流源电路、信号调理电路、MCU （MSP430G25

21、53）控制单元电路、加热电路、LCD12864 液晶显示电路、键盘矩阵电路。2022-4-22591mA恒流源电路2022-4-2260o 1mA恒流源电路：1mA恒流源电路由7809、7805、TL431、BSS138 （MOSFET）组成，负责驱动PT100，将PT100 的电阻变化转换成电压变化。该恒流源能在电源或负载发生大范围变化时，保持电流恒定不变。具有非常高的精度，完全能 胜任驱动PT100 的工作。2022-4-2261o 信号调理电路 信号调理电路由三片OP07CP精密运放构成两个射级跟随器和一个差动放大器，射级跟随器具有非常高的输入电阻和非常小的输出电阻，用以隔离PT100与

22、后级信号调理电路。差动放大器用以处理PT100 两端的电压，求出两端对地的电压差， 并将其放大十倍输出，从而将PT100 的电阻变化转换成电压变化。由于OP07CP 具有非常低的输入失调电压，所以，采用OP07CP 构成的信号调理电路能够完全对PT100 两端的信号进行精密转换。2022-4-2262加热电路与过热保护电路2022-4-2263o MCU 控制单元采用MSP430G2553 做为核心，由内部的十位ADC 对信号调理电路输出的信号进行采集，经过数字滤波器等处理，将温度值与电压值送入LCD12864 显示电路显示。同时根据采集到的数据改变送入加热电路的PWM 的占空比，从而改变IR

23、F540 的导通量，即控制空心瓷管电阻的温度。键盘矩阵为四线制的15按键矩阵，通过对15个按键进行二进制编码，来实现按键输入，按键用以输入温度设置等。LED温度显示电路对40C 和60C进行显示。2022-4-2264算法数学描述o 系统初始化完成之后，控制按键调节PID 的初始值，同时开启ADC10 采样，将ADC10 采样的值在PT100传感器的分度表中进行查询对照，得出两个相邻的温度值，然后用比例法来确定其准确的温度值。 Tempreture= （Rx-R1）/(R2-R1)*1 (R2为较大电阻值) 2022-4-2265PIDo 将测得的温度值反馈给PID，利用PID 自动控制输出的

24、PWM 波来控制大功率空心瓷管电阻，从而使温度达到设定的目标值。 (E(t)为误差，E(t-1)为上一次误差，E(t-2)为上上次误差，Kp 为比例系数，Ki 为积分系数，Kd 为微分系数。） 2022-4-2266算法数学描述及软件设计要点1）软件中我们使用了多个中断，这样有利于减少msp430 单片机系统的功耗及降低数字信号对模拟信号的干扰。例如键盘部分采用的是中断法而非查询法等等。 2）在单片机的控制部分，我们使用PID 来控制单片机信号的输出，使单片机能够更加智能化的输出一个理想的信号。 3）在温度显示部分，我们将查询法和比例法相结合，首先用查询法将温度值确定在两个相邻的温度值之间，然

25、后根据温度值在 1C 之内是呈线性增长，我们就用比例法将较为精确的温度值计算出来，最后将取得的温度值在lcd12864 上显示出来。 4）由于ADC10 采样的电压不可能是一个完全平稳的直流电压，所以在ADC10 采样的时候必定会存在一定误差，所以为减少误差，我们在软件里加入了数字一阶低通滤波，这样就可以将误差控制在一定的范围之内，以达到更小的精度值。2022-4-2267测试方法描述4.1恒流源电路调试采用0.01精度的电阻箱调至100代替PT100，调整RP1使DZ1基准端为2.5V，此时流过PT100的电流为1mA。大范围改变电源电压，保持电阻箱阻值不变，记录TL431的基准电压，和恒流源电流值。大范围改变电阻箱阻值，记录恒流源电流值。4.2信号调理部分误差调试，将调试好的恒流源和信号调理电路连接，仍然用电阻箱代替PT100，将电阻箱分别置于100、110、120、130。然后用万用表测出电阻箱两端的电压，以及信号调理输出的电压，计算出对应的误差求出误差平均值。4.3将调试好的恒