空气环境温度控制系统.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流空气环境温度控制系统.精品文档.摘 要本系统采用单片机AT89C51为控制核心，将增量型PID控制算法和全数字PWM脉宽调制技术相结合，引入温度差动反馈，构成基于数字控制器的空气温度闭环控制系统，通过对电机输出功率的准确控制，实现了容器中空气温度的精确控制。由于采用闭环控制系统，应用了积分控制和微分控制，所以控制系统几乎没有静差并且动态反应速度快，具有较强的抗干扰能力。系统采用自热小的薄膜铂电阻温度传感器对容器中空气温度进行监测，形成温度的反馈信号。为了精确处理传感器信号，本系统采用了输出线性度好，转换精度高,抗干扰能力强的-A/D转换芯片A

2、D7710。在标准PID算法基础上，本设计选择了积分分离PID控制算法，并且根据AT89C51的特点，在数值计算上采取了累计处理的方法，有效抑制了积分饱和，基本消除了积分不灵敏区的影响。本程序可实性和可再利用性较好，各项被检测结果表明，本系统各项性能、指标达到或略好于设计要求，且人机界面友好。关键词：单片机；增量型PID；PWM AbstractThe system uses single-chip (AT89C51) as the control core, unifies the increase PID control algorithm and the entire digital P

3、WM pulse-duration modulation technology, the temperature difference feedback was introduced, constitutes based on the digital controller air temperature closed-loop control system. Through electrical machinery output power accurate control, we realized the air temperature accuracy control. Because o

4、f adopt the closed-loop control system ，apply the integral and differential control, the control system does not have the static difference nearly ,moreover have a fast dynamic response, also has the strong ant jamming ability.The system adopts a smallself-heated film platinum resistance temperature

5、 sensor，through measure the air temperature in the vessel, form the temperature feedback signal. In order to process the sensor signal precisely, this system used the good output linearity, the high transformation precision, antjamming ability strong - A/D Transformation chip AD7710。In the standard

6、PID algorithm foundation, we chose the separate integral PID control algorithm, and according to AT89C51s characteristic we have adopted the accumulation processing method in the value computation to restrain the integral saturated and eliminate integral dead spot influence basically. The programmer

7、 which has a better realization and utilization, various result indicates that the systems capability and quota achieved the requirement of design and the man-machine contact surface is friendly.Key words: single-chip；improved PID；PWM毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及

8、取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或

9、全部内容。作者签名： 日 期： 目录第一章 绪 论11.1 课题的目的11.2 国内外现状与发展11.2.1 集成温度传感器的产品分类21.2.2 智能温度传感器发展的新趋势31.2.3 铂电阻温度传感器41.2.4 脉冲调节（PWM）51.2.5 单片机及人机接口61.3 主要任务7第二章 系统设计任务与设计方案82.1 设计任务与要求82.2 系统总体方案的设计82.3 主控模块的方案论证92.4 前向通道方案论证102.4.1 传感器的方案论证102.4.2 A/D的方案论证112.5 后向通道方案论证122.5.1 PWM的方案论证26122.5.2 PID控制算法的方案论证142.6

10、 人机接口的方案论证15第三章 硬件设计173.1 空气环境温度控制系统总体框图如图3.1所示173.2 主控模块173.2.1 AT89C51单片机设计173.2.2 I/O接口扩展的设计233.2.3 看门狗电路的设计253.3 前向通道的设计273.3.1 铂电阻温度传感器的设计273.3.2 A/D转换部分的设计293.4 后向通道的设计333.4.1 控制算法的设计333.4.2 功率驱动及PWM的设计373.5 人机接口的设计393.5.1 键盘及显示电路的设计393.5.2 报警电路的设计423.5.3 打印机的设计42第四章 软件设计41致谢54参考文献55附录：一56第一章

11、绪 论 1.1 课题的目的 空气环境温度控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同空气温度控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电阻丝的加热来实现温度控制。然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得佳性能。本文首先用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电阻丝的加热来实现温度控制。然后在模型参考自适应算法 MRAC基础上,用单片机

12、实现了自适应控制,弥补了传统 PID控制结构在特定场合下性能下降的不足,设计了一套实用的空气环境温度测控系统,使它在不同时间常数下均可以达到技术指标。此外还有效减少了输出继电器的开关次数,适用于环境参数经常变化的环境下的控制系统。本课题涵盖了传感器技术，信息处理技术，计算机通信技术，PID调节器，PWM控制器，键盘和显示等几个方面的技术。同时根据串行通讯原理，设计了单片机与PC机的接口电路，建立了单片机与PC机之间的串行通讯协议，并利用相应的编程语言对测温系统实现操作。该测温系统具有实时存储功能，便于对信号进行分析和处理。在本设计中，我们为了能实现人机的对话及时知道系统的运行状况，我们应给本系

13、统增加了报警功能。本课题的主要目的是为了让人们能准确的测量温度，从而能根据所知的温度来进行控制。达到测控相结合，更好的利用我们的能力去为我们服务。让我们能感知温度更方便快捷的去调节。1.2 国内外现状与发展现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模

14、拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。 温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越强烈。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标，摄氏温标，热力学温标。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产，科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。另外温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械

15、、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。 随着技术的发展，各种惯性器件的性能在不断提高，体积也在不断小型化。对于惯性器件（如加速度计、陀螺）性能的提高，温度补偿作为一种重要的修正方式越来越引起人们的注意，因此如何在惯性器件极小的空间内精确地测量、传输、处理温度信息，温度成了能否使其性能和体积优势进一步提高的关键问题1.2.1 集成温度传感器的产品分类1) 模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温

16、度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。2) 模拟集成温度控制器模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处

17、理器的控制，这是二者的主要区别。3) 智能温度传感器智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。1.2.2 智能温度

18、传感器发展的新趋势进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。1) 提高测温精度和分辨力在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1C。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625C。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125C 测温精度为0.2C。为了提高多通道智能温度传

19、感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。2) 增加测试功能新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还

20、增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654)，分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。3) 总线技术的标准化与规范化目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBUS总线和S

21、PI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。1.2.3 铂电阻温度传感器目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。铂电阻的发展越来越依靠工艺装备.近年来,国际上铂电阻生产厂用真空沉积,阴极溅射和烧结浆料等不同工艺方法推出一种新薄膜铂电阻,这种膜层工艺改变了原来的线绕工艺制造铂电阻,在一些需表面,小区域和快速测温以及需高阻值元件的场合特别适用.薄膜铂电阻在法国,德国生产发展很快,有完整的流水

22、线,产量也很高.美国也有自己的铂电阻技术标准,但这个标准不是强制性的,而是推荐性的.美国大部分铂电阻公司既生产符合美国技术标准的产品,也生产其他标准的产品,即按照客户的需要进行供应.此外,美国一些铂电阻公司对自己产品提出的要求甚至超过了国际电工委员会的规定,从这一点可以看出美国人的商业观念和产品意识. 我国与国外的主要技术差距：国内铂电阻温度传感器领域虽然已有一支几十年中发展起来的技术队伍,能够提供不少高质量产品,但由于应用领域窄,产品种类产量少,生产周期长,成本高,难以形成大批量生产。有很多反面国外水平相比还有较大差距.材料方面：包括金属,非金属,化工,陶瓷,半导体等,国内冶金,化工现有条件

23、往往难以提供各类用量小,质量高,规格要求特殊的基础材料,即使能提供与国外近似的牌号,但质量上也只能保证一般工业用.国外在对材料要求较高时可采用双真空冶炼及定向处理,消除杂质,由专门的机构完成,使产品的长期稳定性得以保证,如果出现问题,也容易将材料问题和工艺问题区别开来.而我国在材料方面的研究尚有欠缺,同样问题国内一般不能较好地解决,材料只能有什么用什么,或勉强代用.工艺方面：包括基础工艺及特殊工艺两方面.我国工业还不能完全解决诸如等离子,激光,电子束之类加工工艺,在特殊工艺上又常常被人忽视,不注意积累开发.国外往往开展长期工作积累经验,他们对传感器的结构,材料,工艺等都十分重视,与国内重理论,

24、轻实践,重设计,轻工艺的习俗正好相反.研制规模：传感器属知识密集型开发产品,人员结构具有较高知识水平.国外研制,开发,生产传感器的企业多为人的规模,都是充分利用本国或其他国家专业化厂的特点开展协作,本厂只组装,测试,既保证了产品质量又使成本下降,便于竞争,极大地提高了效率.销售意识：法国是欧洲生产温度传感器的主要国家之一,开发研制和生产水平在国际上处于中上等,推广应用搞得好,供售关系密切,需要的零件基本上是靠其他专业企业协作加工完成,二次仪表的水平,质量比较高,均是按国际标准和欧洲标准生产的,传感器基本上都配有二次仪表.在这一点上,我国的仪表与之相比差距明显.1.2.4 脉冲调节（PWM）脉宽

25、调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器

26、到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.Atemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟

27、电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBA

28、CS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波

29、频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。1.2.5 单片机及人机接口单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。近年来,随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入。在工业自动化控制、自动检测、仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备和专用装备的智能化等方面,单片机都扮演着越来越重要的角色。国内外有许多不同种类的单片机。8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多

30、家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。在本次设计中我选用了ATMEL公司的AT89C51，采用Intel MCS-51内核，是现今最常用的51内核单片机。测控系统通常都有人机接口，有两方面的意义：一是操作人员能向微机发布命令和输入数据；二是微机能向操作人员报告运行状态和运行结果。从总体来说，我国的生产工艺和装备水平仍然与世界先进水平有很大差距，主要是能耗、物耗高，效率低，产品质量较差等。但是我们的价格比国外却便宜许多。因此，我们要大力依靠科技进步，不断进行技术更新与技术改造，引进，消

31、化，吸收国外先进技术与设备，使之国产化，开发系列国产装备，以提高行业的整体水平。1.3 主要任务本文介绍了一种PID空气温度控制系统。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定；它是用温度传感器将检测到的实际空气温度A/D转换，送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID算法进行修正，求得对应的控制量控制可控硅驱动器，调节电阻丝的加热功率，从而实现对空气温度的控制。因此采集的空气温度数据精度至关重要。利用AT89C51单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、缓冲、转换、并进行PID实施控制和键盘终端处理及显示，包括各参数数值的修正。但在控制过程中应该注意，采

32、样周期不能太短，否则使调节过于频繁，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率大为降低。采样周期太长,也是不合适，因为干扰无法及时消除，使调节品质下降。随着单片机在各行业控制系统中的普遍采用，其构成的实时控制系统日臻完善，使该温度控制系统的总体性能大大提高，功能更趋完善，并详细介绍了该系统的软、硬件实施手段及系统特点。第二章 系统设计任务与设计方案2.1 设计任务与要求空气环境温度控制系统的设计，以温度的检测和控制为研究目标，设计以单片机为核心的，具有检测、和控制双结合的作用。采用PID作为调节器、PWM作为控制器，设计PID调节以及PWM控制所需的相关输入输出接口电路。要求如下：（1）能在32

33、37范围内设定控制空气环境温度。（2）通过键盘设置需要保持的温度。（3）数码管实时显示空气的温度。（4）空气温度曲线实时打印。（5）静态控制精度为0.5。2.2 系统总体方案的设计（一）、方案论证与比较本题目是设计制作一个空气环境温度控制系统，对象为有限室内的空气温度，利用电阻式加热器件进行加热。 要求能在32-37范围内设定控制空气温度，并具有较好的快速性和较小的超调，以及十进制数码管显示等功能。1、总体方案设计及论证根据题目要求，电阻式加热器件作为热源放入器皿中，当环境温度改变时实现自动控制。因此电阻式加热器件是被控对象，空气温度是被控变量。要想使空气温度保持在规定的范围内，需要控制好电阻

34、丝的输出功率，使容器内的温度达到动态平衡。因此可以有以下三种控制方案：方案一：可控硅控制可控硅通过起控制端的电压强弱开控制其导通的深度，控制电压是直流电，可控硅要么通，要么不通，实质是控制可控硅的导通角，以调节可控硅的通断时间比，从而控制输出交流电的有效电压。为了使容器里的温度保持在规定的范围内，可以控制可控硅在交流电每半个周期中（正弦波）开始导通的相位角度，当正弦波过零时，控制自动停止。这种方案需要计算正弦波开始和停止的时间，这样会使系统的控制精度下降，因此不采用这种控制方案。方案二：继电器控制继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自

35、动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器优点是技术成熟可靠，触点容量相对较大，成本低，几乎零功耗，发热量小。它的缺点是开断时会产生涌流，由于反应稍慢，无法用于很精细的开断控制电路中，鉴于我们对控制精度要求较高所以不采用继电器这种控制方法。方案三：数字脉宽（PWM）控制PWM是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的技术，它对模拟信号电平进行数字编码，通过使用高分辨率计数器、调制方波的占空比来控制一个具体的模拟信号，只要带宽足够，任何模拟值都可以用PWM进行编码，是现在非常实用的控制方法，它的使用大幅度降低了

36、系统的成本，既经济又节约空间，同时它的抗噪性能强，控制精度高使用单片机输出PWM波，能很精确的控制波的频率和脉宽，准确的控制设备的输出功率，达到精确控制的目的。所以在本设计中采用如图2.1所示的设计方案。图2.1 系统总体框图2.3 主控模块的方案论证方案1：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。方案2：本方案的CPU模块采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。方案3：采用AT89C51单片机，其内部有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的8位CPU和闪烁存储器组合在单

37、个芯片中。而且它的I/O口也足够本次设计的要求。比较这3种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案3。2.4 前向通道方案论证2.4.1 传感器的方案论证 方案1：采用热敏电阻和热电偶传感器测量温度，可满足32-37的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1的温度信号是不适用的。 方案2：采用铂电阻温度传感器：它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，通过研究发现，金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为

38、100，电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（32-37）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。（1）热敏电阻主要用于点温度、小温差差的测量，远距离、多点测量与控制，温度补偿和电路的自动调节等。测温范围为32-37。与其他温度传感器相比，热敏电阻温度系数大、灵敏度高、响应迅速、测量线路简单，有些不用放大器就能输出几伏的电压。体积小、寿命长、价格便宜，由于本身电阻值大，因此可以不考虑引线长度带来的误差，适于远距离的测量和控制。而对耐湿、耐酸、耐碱、耐热冲击、耐震动场合

39、，可靠性较高。它的缺点是非线性较大，在电路上要进行线性补偿，这样将会使电路更加复杂，互换性较差。 （2）热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程，如燃烧和爆炸过程等。对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观就显得笨大，对于温度场的反应也就迟缓得多。使用热电偶的时候，必

40、须消除环境温度的波动对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿器抵消这种影响。当测量点远离仪表时，还需要使用热点势率和热电偶相近的导线来传输信号，这种导线称为补偿导线。（3）铂电阻温度传感器导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：（1）电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料的复现性和工艺性好，价格低；（4）在测量范围内物理和化学性质稳定。目前，在工业中应用最广的材料是铂和铜

41、。铂电阻与温度之间的关系，在0630.74范围内可用下式表示： RT=R0（1+AT+BT2） （1）在-2000的温度范围内为 RT=R01+AT+BT2+C（T-100）T3 （2）式中，R0和RT分别为在0和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，有实验确定，A=3.90802X10-3-1，B=-5.80195X10-7-2，C=-4.27350X10-12-4。由式（1）和式（2）可见，要确定电阻RT与温度T 的关系，首先要确定R0的数值，R0值不同时，RT与T的关系不同。目前国内同意设计的一般工业用标准铂电阻R0值有100欧姆和500欧姆两种，并将电阻值RT与温度T 的相应关

42、系同意列成表格，称其为铂电阻的分度秒度，分度号分别用Pt100和Pt500表示。铂电阻在常用的热电阻中准确度最高，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033K961.78标准温度计来使用。铂电阻广泛用于-200850范围内的温度测量，工业中通常在600以下。可见，温度越高非线性误差越大，题目要求温控范围是3237，温度较低，可近似将其电阻值与温度看作线性关系，而且在这么低的温度下，电阻与温度的关系不会改变。因此在本系统中选用面积只有一平方毫米，精度高，抗干扰能力强的铂电阻温度传感器。2.4.2 A/D的方案论证方案一：采用A/D转换芯片CS5532，它具有高动态范围

43、、可编程输出字速率和灵活的电源配置选项。其内部有一个极低噪声的斩波稳定仪表放大器，其增益可选择为1X、2X、4X、8X、16X、32X。由于传感器输出信号比较小，分辨能力较低。 方案二：采用A/D转换芯片AD7710，它是一种双通道、低电平差动输入、- 信号调理型的模/ 数变换器。它内部含有可编程增益放大器(PGA) 、多路转换器(MUX) 、电荷平衡模/ 数变换器、时钟发生器、参考电压源、串行接口。由于该芯片具有集成度高、非线性误差小(0.0015 %) 、分辨率高(21. 5 位) 、微控制器串行接口等特点, 所以在称重、热电偶、应变仪、RTD、过程控制、数据采集、微控制器应用系统中获得了

44、广泛的应用。根据本文的设计要求选择A/D7710作为转换芯片。2.5 后向通道方案论证2.5.1 PWM的方案论证26根据任务，本系统需完成对玻璃容器内温度变化的监控，即控制电阻丝输出功率来控制对容器内空气的加热量大小来达到对容器内空气温度变化的调整。所以需要精确的直流电源控制方案来控制电阻丝的输出功率。方案一：TL494脉宽调制TL494脉宽调制是电源中被广泛用来构成其他激式直流开关电源的专用器件，是直流开关电源中常用的脉宽调制器件。该器件既可调频又可调脉宽，且其可调性强，工作区间大，可用他搭建不同的驱动电路。由它构成的半桥变换开关电源，体积小、重量轻，可应用于其他各个领域，但硬件的价格比较

45、贵。TL494的使用在带来以上优点的同时，增加了产品的成本，所以不采用这种方案。方案二：数字脉宽PWM调温采用全数字PWM脉宽调制控制，引入温度反馈提高控制精度。这种方案的优点是：（1）采用单片机可以根据需要实现多种PWM控制方案，也可以采用如PID等智能控制方法。（2）由单片机直接产生PWM驱动控制脉冲，接口方便，成本很低，软件上采取措施可以防止桥式变换器的直通现象，可靠性高。（3）采用闭环控制，提高控制精度。MOS管的栅极是绝缘的，属于电压驱动，不需要电流，它的特点是功率高、开关速度较快，一般可用于功率开关或直流变换器。单片机输出PWM，利用PWM产生高低电平来控制MOS管的G极，从而控制

46、D极和S极之间的通断，当D极和S极导通时，电极正极接电源，负极接地。当D极和S极断开时，电极正极和电源相连，而负极通过二极管通向电容的正极，给二极管充电，形成回路。这样就可以达到一种平衡状态，调节PWM方波的占空比就可以调节电极两端的电流，从而控制电阻丝的输出功率。这种控制电极的方法使MOS管要么工作在饱和区，要么工作在截止区，有效的控制了MOS管的发热量，从而增加稳定性。综合上述分析，经过性能、可靠性、成本等论证，本系统执行机构采用大功率MOS管，对电阻丝的输出功率采用数字PWM脉宽调速PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直

47、到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前 为止主要有以下5类方法. 1 相电压控制PWM VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,