温度控制系统课程设计

一．概述

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。本设计的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻丝两断的电压，输出为电加热炉内的温度。输入和输出的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1))。控温范围为100~500℃，利用PID控制算法进行温度控制。

二．温度控制系统的组成框图

采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见下图。其中数字控制器的功能由单片机控制实现。

图1..1温度控制系统的组成框图

三．温度控制系统结构图及总述

图1.2温度控制系统结构图

图中由4~20mA变送器，I/V，A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。其中，变送器选用XTR101，它将热电偶信号（温度信号）变为4~20mA电流输出，再由高精密电流/电压变换器RCV420将4~20mA电流信号变为0~5V标准电压信号，以供A/D转换用。转换后的数字信号送入AT89C51单片机中与与

炉温的给定值进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差，其偏差被PID程序计算出输出控制量。由AT89C51输出电信号送至SCR触发电路，触发晶闸管并改变其导通角大小，从而控制电加热炉的加热电压，起到调温的作用。

四．温度控制系统硬件与其详细功能介绍

1. AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.SCR触发回路和主回路

图2.1 SCR触发回路和主回路

如图所示为一晶闸管触发电路。包括脉冲触发器（单稳态电路，由IC1和IC2组成），控制门，光电耦合器4N25，放大器和双向晶闸管。由全波整流电路得到的同步电压使晶体管BG1每半波导通一次。当控制端为“1”高电平的时候，BG1的每次导通都会经由单稳电路由IC2输出一个负脉冲，该脉冲经IC3反向后由光电耦合器和放大电路发大后触发晶闸管，在这一半周内晶闸管基本上处于全导通状态。若控制端为“0”低电平的时候，则单稳态电路不输出脉冲，在这一半周内晶闸管也不导通。因此，可以改变控制端的电平，控制单稳态电路每秒输出的脉冲数，从而改变晶闸管每秒钟内导通的时间，达到调压的目的。

3.热电偶的选择

热电偶是常用的测温元件，它利用不同材料的导体一端紧密连接在一起产生的热电势效应将温度信号转换为电势信号。本设计采用K型热电偶——镍络-镍硅，对温度进行检测，参比端温度为20℃。由以下公式可以计算出K型热电偶分别在100℃，200℃，300℃，400℃，500℃时候的输出电势：

E(100,20)=E(100,0)-E(20,0)=4.096mV-0.798 mV=3.298 mV E(200,20)=E(200,0)-E(20,0)=8.138mV-0.798 mV=7.34 mV

E(300,20)=E(300,0)-E(20,0)=12.209mV-0.798 mV=11.411 mV E(400,20)=E(400,0)-E(20,0)=16.397mV-0.798 mV=15.599 mV E(500,20)=E(500,0)-E(20,0)=20.644mV-0.798 mV=19.846 mV

4.I/V转换器RCV420

RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将4~20mA的环路电流变为0~5V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作温度范围，输入失调电压<1mA，总的变换误差<0.1%，电源电压范围±5~±18V。

5.4~20mA变送器XTR101

XTR101为4~20mA线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40℃~+85℃的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%，供电电源可以从11.6V到40V,输入失调电压<±2.5mV，输入失调电流<20nA。XTR101外形采用标准的14脚DIP封装。

6.定A/D转换器ADC0809

ADC0809是美国国家半导体公司的CMOS型8位28条引脚A/D转换器。采用逐次逼近技术，输出的数字信号由TTL三态缓冲器顺序控制，可以直接与数据总线相连。分辨率为8位，精度为7位，时钟频率范围在10~1280kHz之间，单一+5V电源供电，数据具有三态输出能力，易于和微处理器相连。

7.LED数码管驱动芯片ICM7218A

ICM7218是一种多功能LED数码管驱动芯片，能驱动8位共阳或者共阴数码管，且输出可以直接驱动LED显示器。其内部主要由控制器，8*8静态RAM，BCS译码，B码和显示字段译码器，扫描振荡控制电路和显示驱动器等组成。

ICM7218的外引线有写入控制线2条：WR和MODE；数据线8条：ID0~ID7;LED显示驱动线16条；电源线2条。WR为写选通信号，低电平有效。MODE为写入控制字的写入显示数据控制线，当MODE=1时，写控制字；当MODE=0是，写数据。

总结

这次课程设计，遇到了很多方面的问题，在老师的辅导，同学的帮助下，

很好的解决了这些问题。第一次学会了很多新的东西。这些东西不仅仅只是知识方面的，也有能力方面的——提高了自己查阅各种资料，分析和解决问题的能力以及一种实事求是的精神。这份设计的优点在于：SCR触发回路的设计，很大程度上减少了谐波对系统的干扰；变送器XTR101和I/V转换器RCV420的配合，可以使得最后的信号可远传；K型热电偶——镍络-镍硅的选择，线性度好，使得测量结果精确。

单片机温度控制系统设计 目录

（一）设计任务与要求； 1 （二）设计方案 1 （三）硬件设计 6 （四）软件设计 7 （五）调试过程 10 （六）小结 11 （七）参考资料 11 （一）设计任务与要求； 温度控制实验

掌握ADC0809的使用方法。掌握通过8255A并行口传输数据的方法，以控制发光二极管的亮与灭以及数码管显示数据。了解集成温度传感器AD590的工作原理和应用，熟悉小信号放大器的工作原理和零点、增益的调整方法，了解微机对温度采样控制的基本方法。

编制程序，利用ADC0809将温度模拟量转换为数字量，并通过8255A并行口传输数据的方法，通过数码管显示出来，并根据温度的高低控制发光二极管的亮与灭。设定单点温度控制点为30oC，当小于30oC时，L1指示灯亮，模拟电热器加热；当大于30oC时L1灭，L2亮，模拟关掉电热器。 （二）设计方案 设计思路：

本文介绍一种性能可靠、功能齐全、稳定性好的温度控制器，温度显示采用数码管，带动发光二极管进行显示。设定30 oC为温度控制点，温度小于30 oC，实验箱上L1灯亮；大于30 oC，L1灭、L2亮。

设计电路先使用AD590温度传感器来获取温度。AD590温度传感器具有体积小、反应快、稳定性好、测量精度高等优点，是电流输出型温度传感器。AD590传感器输出信号通过10K电阻取出的电压信号，经零点调整，小信号放大后，输出的电压信号VT，供ADC0809采样用。将AD590采集到的温度模拟量转换为数字量。再通过8255A并行口传输数据，显示七段LED数码管显示以及发光二极管的亮与灭。 各使用到的芯片及其作用： AD590

由于科学研究、工业和家用电器等方面对测温和温控的需要,各种新型的集成电路温度传感器不断被研制出来,AD590 便是其中之一。AD590 是AD 公司利用PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。AD590 可直接输出与热力学温度成比例的电流信号,在输出端串联一个电阻则转换为电压信号。

图2-1 AD590 的外形电路图 图2-2 集成温度传感器电路符号

AD590 是电流型温度传感器, 通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡,AD590 的后缀以I ,J ,K,L ,M表示。AD590L ,AD590M一般用于精密温度测量电路,其电路外形如图1 所示,它采用金属壳3 脚封装, 其中1 脚为电源正端V+ ; 2 脚为电流输出端I0 ;3 脚为管壳,一般不用。集成温度传感器的电路符号如图2-2 所示。 AD590 的主特性参数如下: 工作电压:4～30V;

工作温度: - 55～ + 150 ℃; 保存温度: - 65～ + 175 ℃; 正向电压: + 44V; 反向电压: - 20V;

焊接温度(10 秒) :300 ℃; 灵敏度:1μA/ K。

图2-3感温部分的核心电路 图2-4 AD590 的内部电路

其中T1、T2 起恒流作用,可用于使左右两支路的集电极电流I1 和I2 相等; T3、T4 是感温用的晶体管, 两个管的材质和工艺完全相同, 但T3 实质上是由n 个晶体管并联而成, 因而其结面积是T4 的n 倍。

图中的T1～T4相当于图3 中的T1、T2 , 而T9 , T11 相当于图3 中的T3、T4。R5、R6 是薄膜工艺制成的低温度系数电阻,供出厂前调整之用。T7、T8 , T10 为对称的Wilson 电路,用来提高阻抗。T5、T12 和T10 为启动电路,其中T5 为恒定偏置二极管。T6 可用来防止电源反接时损坏电路, 同时也可使左右两支路对称。R1 ,R2 为发射极反馈电阻,可用于进一步提高阻抗。T1～T4 是为热效应而设计的连接方式。而C1 和R4 则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9 , T10 , T11 三者的发射极电流相等,并同为整个电路总电流I 的1/ 3。T9 和T11 的发射结面积比为8 :1 ,T10 和T11 的发射结面积相等。T9 和T11 的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5 和R6 上,因此可以写出:ΔUBE = (R6 - 2 R5) I / 3R6 上只有T9 的发射极电流,而R5 上除了来自T10 的发射极电流外, 还有来自T11 的发射极电流,所以R5 上的压降是R5 的2/ 3。162

单片机温度控制系统

表2-5 AD590温度与有关参数一览表

温度 AD590电流 经10KΩ电压 零点调整后电压 放大5倍后电压VT ADC数字量 0℃ 273.2μA 2.732V 0.0V 0V 00H 10℃ 283.2μA 2.832V 0.1V 0.5V 1AH 20℃ 293.2μA 2.932V 0.2V 1V 33H 30℃ 303.2μA 3.032V 0.3V 1.5V 4DH 40℃ 313.2μA 3.132V 0.4V 2V 66H 50℃ 323.2μA 3.232V 0.5V 2.5V 80H 60℃ 333.2μA 3.332V 0.6V 3V 99H 70℃ 343.2μA 3.432V 0.7V 3.5V B3H 80℃ 353.2μA 3.532V 0.8V 4V CCH 90℃ 363.2μA 3.632V 0.9V 4.5V E6H 100℃ 373.2μA 3.732V 1V 5V FFH ADC0809

ADC0809是CMOS8位A/D转换器，采用逐次逼近式进行A/D转换。芯片内有一个8路模拟开关、一个比较器、一个带有树状模拟开关的256R分压器和一个逐次逼近的寄存器，其内部逻辑框图如图2- 所示。ADC0809有8路模拟量输入通道。ALE为地址锁存信号，高电平有效时，ADDC~ADDA被锁存，从而可通过对ADDC、ADDB、ADDA 3端输入的地址译码，选通8路模拟量输入（IN0~IN7）

的任意一路进入片内，进行A/D转换。

图2-6 ADC0809的内部结构 图2-7 ADC0809引脚图 引脚说明及工作时序 VCC ,GND :电源和地

IN0～IN7 :8 路模拟量的输入端,当模拟量的变化频率很高时,需进行采样保持后再接入输入端; ADDA、ADDB、ADDD : 输入地址选择端, 当(ADDC、ADDB、ADDA) 从000 变化到111 时,分别选择IN0 到IN7 通道进行A/ D 转换;

START:为A/ D 转换启动信号,启动脉冲的上升沿将所有内部寄存器清零,下降沿开始转换; AL E:地址锁存允许信号, 上升沿将输入地址(ADDC、ADDB、ADDA) 锁存,确定相应的模拟通道以便进行A/ D 转换;

OE:数据输出允许端,高电平时打开片内的三态锁存缓冲器,将输出寄存器(存放着A/ D 转换的结果)的数据送到数据线上;

EOC:转换结束信号,高电平有效,在START 信号上升沿之后0～8 个周期内变为低电平,转换结束变为高电平,可用作查询或中断信号用;

CL K:时钟信号, ADC0809 工作频率f 不大于640kHz , 一般利用扩展槽上的CLOCK 信号(4. 77MHz) 8 分频得到的596kHz 信号。

树状开关和256R分压器组成一个基本D/A转换器。当给ADC0809一个启动信号（START）后，通过控制与时序电路以及逐次逼近寄存器，采用逐步逼近的方式进行A/D转换。ADC0809的START是A/D转换启动信号，高电平有效，EOC是转换结束信号，高电平有效，当A/D转换完毕，EOC的高电平可用作中断请求信号。ADC0809转换后的数字量通过三态缓冲器输出，当输出允许OE=‘1’时，打开三态输出门输出数字量。

图2-8 地址码与输入通道的对应关系 图2-9 ADC0809时序图 8255A

8255A是Intel系列的并行接口芯片，由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式，用其连接外部设备时，通常不需要再附加外部电路，给使用带来极大的方便。因此，常用它作为微型计算机与其它外设之间的接口。可由程序来改变其功能，通用性强、使用灵活。通过8255A，CPU可直接同外设相连接，是应用最广的并行I/O接口芯片。

8255A是一个具有两个8位（A口和B口）和两个4位（Ｃ口分高／低４位）并行Ｉ/O端口的接口芯片，它在Intel系列CPU与外设之间提供与TTL 电平兼容的接口，适应多种数据传送方式（如无条件传送、查询传送和中断传送）的要求。与此相应，8255A设置了方式0、方式1和方式2（双向传送）三种工作方式。用户可根据外设条件，通过向8255A写入工作方式控制字来灵活构成多种接口电路。

①通信方式0是一种基本的输入输出方式,该方式适用于较简单的场合,这种场合可以不使用联络线。该方式的特点是:输出有锁存,而输入不被锁存,而且方式0是单向的I/O,即一次初始化指定了输入或输出,不能再改变;如果改变,则必须重新初始化。不能指定同一端口同时既为输入又为输出。

②通信方式1是选通输入/输出方式。在这种方式中,A口和B口用于输入/输出的数据端口, C口某些位用于接收或产生应答联络信号。该方式的特点是:方式1在输入/输出数据时都被锁存,可以用查询方式和中断方式进行数据的输入/输出。

③通信方式2是分时双向输入/输出方式,即同一端口的I/O线既可以作为输入也可以作为输出。该方式的特点是: A口可以工作于方式2,但是B口只能工作在方式0和方式1,在方式2输

入/输出数据时都被锁存;方式2可以用于查询方式和中断方式进行数据的输入/输出,在方式2时,为双向传送设置的联络信号,实际上就是在方式1下输入和输出两种操作时的组合,只有中断申请信号INTR既可以作为输入的中断申请,又可以作为输出的中断申请。

图2-10 8255A的内部结构框图 图2-11 8255A的引脚图 8255A的引脚功能

8255A采用40条引脚的双列直插式（DIP ,Dual in-line package）封装，其引脚信号有：

Ａ1、A0：片内寄存器选择信号（输入） D7~ D0： 与CPU侧连接的数据线（双向） PA7~ PA0：Ａ口外设数据线（双向） PB7 ~PB0：Ｂ口外设数据线（双向） PC7~ PC0：Ｃ口外设数据线（双向） RSSET：复位信号（双向）

控制信号 以及Ａ1、A0的组合可以实现对3个数据口（PA、PB、PC）和控制口（控制寄存器）的读写操作，如表2-12所示。

A1 A2 RD WR CS 输入操作（读） 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0

0 端口A→数据总线 端口B→数据总线 端口C→数据总线 输出操作（写） 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1

1 1 0 0 0 0 0 0 0

0 数据总线→端口A 数据总线→端口B 数据总线→端口C 数据总线→控制字寄存器 断开功能（禁止） × 1 × × 1 × × 0 1 × 1 1

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