温控系统-南开大学电子信息教学中心.docVIP

第1章 温度控制系统及电子元器件温度特性研究 本章介绍了一个实际的闭环温度控制系统，是一个比较典型的综合性系统实验。其内容涉及信息的采集、传输、处理和控制等多个方面。既有硬件方面的设计和制作，又有软件方面的算法设计和编程。通过本实验，可以启发学生再学习和再思考，训练和培养学生的系统设计和调试能力。 1.1 实验目的 1．了解和掌握一个实际的闭环温度控制系统的基本组成及工作原理。 2．学习和掌握温控系统的基本控制方法，了解PID各项参数在控制过程中的作用及其选择方法。 3．学习运用不同算法，提高系统的控制品质，达到设计要求。 1.2 实验系统组成及工作原理 1.2.1 温度控制实验系统的组成 本实验系统的硬件由PC机、PCI数据采集卡（位于PC机插槽内）、实验控制箱、加热与制冷工作台及工作电源几部分组成。采用计算机对工作台上的铜块进行恒温控制，控温范围为－40～＋120℃。并通过主机程序将温度曲线在屏幕上实时显示出来。系统组成的实物如图1-1所示。加热与制冷工作台上有两块铜块，分别用于加热和制冷实验。 图1-1 温控系统的组成 温控系统的工作原理可以表示成图1-2所示的框图： 图1-2 温控系统的工作原理框图 系统有加热和制冷两部分。加热平台中的一个铜块是控温对象，通过对铜块温度的实时采样和反馈控制，在PC机上将其温度通过实时曲线直观地表示出来。铜块上面可安放一块集成电路（IC），本系统设计目的是给IC提供一个可变温度环境。IC的引脚可通过安装在平台盖上的IC插座和外电路相连，以实现在不同温度下对IC特性的实验研究。在铜块内部缠绕有加热电阻丝，铜块通过电阻丝加热来实现系统在常温到+120℃范围内的控温。当铜块温度低于设定温度时，通过电阻丝加热，当其温度高于设定温度时，让可控硅截止，停止加热。温度传感器是由紧贴在铜块表面上的铂电阻（Pt100）实现的反馈控制。制冷平台上同样是一个铜块，通过半导体制冷，可控硅微调加热来达到低于室温的恒温控制。 各部分的详细工作原理，可参考后续章节的实验参考资料。 1.2.2 系统硬件及工作原理 温度控制实验系统的硬件组成框图如图1-3所示。 Pt100作为温度传感器实时检测加热与制冷台的温度。温度信号经过仪器仪表放大器AD626放大，送到插在PC机PCI接口槽的数据采集卡，进行A/D转换变成实时数字温度信号。经过温度控制算法，产生实时控制信号。由D/A输出至控制移相脉冲发生器，经过隔离和比较运算对加热和制冷的可控硅进行导电角控制，实现对温度的实时控制。 在本实验中，对PCI数据采集卡、仪器仪表放大器、Pt100温度传感器以及可控硅的使用进行了解，这是对本系统硬件设计的学习。 1. 重要芯片介绍 在硬件电路设计时，根据需要采用了一些集成电路芯片。主要有：AD626、TCA785、MOC3021、BTA08等。其中BTA08为双向可控硅，它的工作原理可参考后续章节的实验参考资料，具体参数可查看相关的数据手册。以下简单介绍其它几个芯片。 1） AD626 AD626为美国模拟公司生产的仪表放大器集成电路。它具有高性能，低功耗，低噪声，放大器增益由管脚所接电阻值控制，内部带有低通滤波器，其截止频率可以任选，允许连续50V的过载电压及可在单电源或双电源下工作等优点。其管脚分配及内部功能如图1-4所示： 图1-4 AD626管脚图 AD626的增益可由7脚所接电阻阻值决定。其固定增益为10和100倍两种 ，可通过7脚开路或接地进行选择。当开路时，增益为10倍；当接地时，增益为100倍。当接定值电阻时，可以改变增益。 AD626的内部带有一个一阶有源低通滤波器，它的幅频特性曲线拐点值取决 于管脚4的电容CF，拐点频率与CF有以下关系： 其中：f — 拐点频率，Hz CF — 滤波电容，F 其增益线性误差为0.01%FSR(G=100时)，输入失调电压50(V，共模抑制比90dB，建立时间24(S，频宽100kHz,共模电压范围6V,电源电压±1.2V～±6V。 当采用正负电源供电时，其输出电压介于-2.5V到+5V之间。若采用单电源供电时，其输出电压介于0V到+5V之间。 2） TCA785 TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路。它是取代TCA780及TCA780D的更新换代产品，其引脚排列与TCA780、TCA780D和国产的KJ785完全相同，性能参数可以互换。目前，它在国内变流行业中已广泛应用。与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。TCA7