课程设计仪器用温箱温度控制系统.doc

第一章 引言 仪器用温箱是常用的电加热设备，广泛用于各个行业。传统的温箱采用模拟式控制仪表，PD算法，接触器断续调节温度，控制温度低，温度波动范围大。本系统介绍的温箱温度控制系统以80C51单片机为核心，进行数据PID调节，输出控制信号，驱动加热丝加热，使温箱达到较为理想的控制目的。 1.1设计目的 (1) 掌握A/D转换电路的应用、掌握8253可编程定时器/计数器的应用、掌握温度采集及控制方法。 (2) 锻炼和培养由各个子模块功能单元构筑完整的微机控制系统的能力。 1.2设计要求 (1) 系统的被控对象为仪器用温箱，被测参数为温箱的温度，测温范围为0-300℃，误差不超过±0.1℃。 (2) 仪器用温箱中的被测气体通过温箱的管状加热交换器加热后，送入仪器中进行测量。 (3) 温箱按照预定的升温速率升温，或保持恒定大的温度不变。 (4) 温箱用电热丝加热。  第二章 温度控制系统的组成 仪器用温箱温度控制系统的原理图如图2-1所示。被测参数温度值由测温元件测量后得到0.5~1V信号，经放大后转换成5~10V的电压信号，经LM331电压—频率变换器变换成频率信号，再经8253可编程定时器/计数器转换成数字信号送入单片机。在CPU中进行数据处理后，一方面送去显示，一方面与键盘输入的设定值进行比较，若低于设定值，则进行PID调节，输出控制信号，驱动电加热丝加热，达到温度控制目的。 图2-1 仪器用温箱温度控制系统原理图  第三章 温度控制系统的硬件设计 3.1 温度检测和模拟量输入通道 （1）温度检测和放大电路 由于本系统的控制精度要求在0-300℃范围内误差不超过±0.1℃的高精度，选用了精度高、性能稳定可靠的测温元件---铂电阻。其测量及放大电路如图3-1所示 图3-1 铂电阻测温、放大及V/F转换电路图 在图3-1中Rt为测温铂电阻，跨接在运算放大器OP07的反馈回路上，使得铂电阻的阻值变化转换成运算放大器的输出电压变化。Vref为一个精密稳压源。输入端的电阻为温度系数很小的精密电阻。LM358放大后得到的5~10V电压信号经检测和放大的模拟信号送A/D转化器。 （2）用LM331V/F转换器实现A/D转换 LM331是一种廉价、精密的电压-频率转换专用集成电路。它的特点是V/F变化特性为10Hz/mV,其非线性误差小，电源适应能力强，可使用单5V电源。用V/F转换器实现A/D转换器，需要与频率计数器配合使用。由LM331实现A/D转换器的框图如图3-2所示。 图3-2 由LM331实现A/D转换器的框图 图中，模拟信号经V/F转换器LM331，把电压信号转化为脉冲信号，脉冲信号送到计算器的计数器/定时器的端口。同时启动频率计数器和定时器，定时器采用基准频率作为定时脉冲。当定时结束时，定时器产生输出信号使频率计数器停止计数，这样计数器的计数值与频率之间的关系是 而 因此 式中D------计数值 T--------计数时间 Ds-------定时计数器计数初值 s-----基准频率 -------LM331的输出频率 在本系统中用LM331实现A/D转换器的电路如图3-3所示。 图3-3 频率信号转换成数字信号的电路图 图3-3中，8253是可编程间隔定时器/计数器芯片，用来将LM331的输出频率信号转换成数字信号，送至单片机。A/D转换器框图中的定时器和频率计数器由8253和D触发器共同完成，它们的作用有： （1）定时器定时1s时间间隔，是由8253芯片的计数器2和1串联得到的。 （2）计数器由8253芯片的计数器0来实现，即LM331的V/F输出脉冲端连接至8253芯片的CLK0端。 （3）为保证1s的精确时间是，采用了由软件发出选通，硬件关闭的办法。 3.2 键盘与显示电路 键盘用以设定给定温度。显示器用来显示当前温箱的温度值。显示器采用4位LED显示器，利用动态驱动方式。选用80C51外围接口芯片作为显示器与键盘的接口。其具体连接情况如图3-4所示。 图3-4 键盘与显示电路 在图3-4中，LED采用共阴极方式，4个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供，矩阵式键盘的行线由PC提供。LED采用动态扫面方式，而键盘采用中断的工作方式。因为系统已经使用了和,所以采用定时器T0作为外部中断源。可以选择设置T0工作在方式2外部计数方式，定时器TH0，TL0初值为0FFH，并允许T0中断，这样当T0引脚上发生负跳变时，TL0加1，产生溢出，置“1”TF0向CPU发出中断申请，同时TH0的内容0FFH送TL0，即TL0恢复初值0FFH,然后CPU去执行键盘扫描。  第四章 数字控制器的数学模型 温箱的数学模型和控制算法的选择 根据实际测量，温箱是一个近似一阶惯性环节。以加热功率为输入