毕业设计166温度控制器的设计 - 大学课程设计

温度控制器设计— 课程设计说明书

前 言

随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式和三总线式方向发展。而数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

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1 设计任务与要求

1.1 基本要求

高温锅炉在炼制底属时是必须严格控制温度的，要求熔炉中的温度变化范围在1℃以内，以免在融化所要炼制的金属的同时也融化了其他杂质，以致炼出的金属纯度不够高。温度的范围可以人工设定。（低熔点金属的比如铅、锡、铝等的熔点温度都比较低）。

1.2 性能指标

① 温度控制范围-50℃~500℃，要求精确到0.1℃； ② 可人工设定温度范围内的任一温度点； ③ 由单片机控制显示当前电炉内的温度；

④ 系统性能稳定、误差范围小、操控性好。

2 系统分析与论证

2.1 方案分析

方案一：

由220V交流电压给电炉供电，在电炉内壁接入铂电阻感温元件PT100，感温元件所探测到的温度信号被转为很微小的电压信号，经过放大器放大后送入A/D转换器中得到一定精度的数字信号，再数字信号输入单片机内进行处理，判断出该对继电器发送通或断的控制信号。继电器主要由一个三极管和一个电阻线圈构成，当线圈通电时，它产生的电磁力使电炉的开关吸合，以提升炉内的温度；当线圈断电时，电磁力消失，电炉的开关自动断开，以降低炉内的温度。

以铂电阻感温元件为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图如图2-1

所示：

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图2.1 以铂电阻感温元件为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图

方案二：

由220V交流电压给电炉供电，在电炉内壁接入热电偶温度计作为感

温元件，热电偶温度计的测量范围达到-270～1800℃，探测到的温度信号被转为很微小的电压信号，经过放大器放大后送入A/D转换器中得到一定精度的数字信号，再数字信号输入单片机内进行处理，判断出该对继电器发送通或断的控制信号。单片机采用8051设计，内置存储器。继电器主要由一个三极管和一个电阻线圈构成，当线圈通电时，它产生的电磁力使电炉的开关吸合，以提升炉内的温度；当线圈断电时，电磁力消失，电炉的开关自动断开，以降低炉内的温度。 分析：

方案一通过铂电阻感温元件PT100将温度转换为电压信号，由于得到的

电压信号是很微小的，因此要通过放大器进行放大处理。铂电阻感温元件PT100测温精度高，灵敏度高，而且价格也比较便宜，已经达到了设计所要求的性能，因此选用该元件做为本次设计所需元件。由于放大后的信号为模拟信号，因此通过A/D转换器将模拟信号转换为一定精度的数字信号，才能使用单片机进行处理，单片机会根据所得的信号判断当前的温度状况，进而输出‘0’或‘1’的控制信号对电路的通断进行控制。当温度低于设定值时，单片机发出电平为‘0’的输出信号使继电器电路导通，电炉加热升温；反之，电炉不接通而降温。该方案条理清晰简洁，精确度也比较高，而且易于调节和控制温度。

方案二采用的热电偶温度计的测温范围虽然达到-270～1800℃，但由于其稳定性低、灵敏度低，系统成本高，而且主要适用与高温范围，与所要求的测温

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性能不符合，因此不选用该方案做为设计方案。

2.2 方案确定

通过对上面的方案进行分析后，综合各方面的考虑之后，我采用了方案一作为本次设计的最终确定方案。

3 系统各单元模块设计

3.1 传感器模块

传感器模块采用铂电阻温度传感器PT100。铂电阻温度传感器具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点,适用于工业自动化测量及各种实验仪器仪表。 技术指标 名称 分度号 Pt100 铂电阻 Pt500 Pt1000 热响应时间

在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化的50%所需要的时间称为热响应时间，用τ0.5表示。 铂电阻绝缘电阻

常温绝缘电阻的试验电压可取直流10～100V任意值，环境温度在 15～35℃范围内，相对湿度应不大于80%，铂电阻的常温绝缘电阻应不小于100ＭΩ 实际>100ＭΩ。铂电阻的高温绝缘电阻应不小于0.5ＭΩ, 实际0.8ＭΩ。 厚膜铂电阻温度传感器的艺特点：

﹡以铂浆料替代铂细丝

测温范围℃ -200～600 精度等级 误差Δt℃ 1/3DIN A级 B级 ±(0.10+0.0017| t | ) ±(0.15±0.002 | t | ) ±(0.30±0.005 | t | ) ﹡以丝网印刷替代手工缠绕 ﹡以玻璃包封替代套管封装

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元件特性：

﹡以激光调阻替代手工调阻

（1）线性：铂的材料特性，电阻值对温度的变化几乎是线性，此特性使得客户能精确地依据事先定义的曲线，计算待测物温度，并设计其应用电路。也正是此特性，元件具有可互换性的卓越特色。

（2）广泛的温度测量范围：由于铂的特性稳定，不会因高低温而引起物理或化 化学变化。视其所选用的封装材料而定，厚膜铂电阻感温元件在-200～+600℃宽范围内拥有长期稳定性好的特点。

（3）高精确度：由铂浆料生产的厚膜铂电阻其精确度可达±0.06％，符合IEC-751的国际A级标准要求。

（4）高可靠性：即使经长期使用，厚膜铂电阻仍然十分稳定。据测试，厚膜铂电阻在温度600℃条件下250小时后，电阻变化<0.02％。能满足军事、科研、工业生产等重要领域的精密测温要求。

（5）极佳的性能价格比：厚膜铂电阻能实现规模化生产，而且投资少、工艺流程简捷、原材料成本底、成品率高，具有极佳的性能价格比。厚膜铂电阻是传统丝绕的替代产品，并可以部分替代热敏电阻。 各传感器元件的性能比较如下表：

元件类别 测量范围 价格 系统成本 稳定性 灵敏度 线性度 适合使用范围 铂电阻温-70～ 度传感器 +600℃ 热电偶温-270～ 度计 热敏电阻

Pt100温度传感器阻值计算（电工委员会标准IEC751的方程式）： 在-78℃到0℃的温度范围内：

Rt=100[1+3.90802×10-3×t-0.5802×10-6×t2-4.27350×10-12(t-100)t3]

在0℃到+600℃的温度范围内：

1800℃ -80～ 150℃ 测量范围广且精确中等 中等 高 中等 高 度需求高之应用领域 中等 高 低 中等 低 中等 低 高 中等 低 高温测量 测量范围窄或单点温度测量 5

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