电子系统设计温度控制系统实验报告.docx
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电子系统设计温度控制系统实验报告
电子系统设计实验报告
温度控制系统的设计
姓名：
杨婷
班级：
信息21
学校：
西安交通大学
1、问题重述
本次试验采用电桥电路、仪表放大器、AD转化器、单片机、控制通断继电器和烧水杯，实现了温度控制系统的控制，达到的设计要求。
设计制作要求如下：
1、要求能够测量的温度范围是环境温度到100oC。
2、以数字温度表为准，要求测量的温度偏差最大为±1oC。
3、能够对水杯中水温进行控制，控制的温度偏差最大为±2oC，即温度波
动不得超过2oC，测量的精度要高于控制的精度。
4、控制对象为400W的电热杯。
5、执行器件为继电器，通过继电器的通断来进行温度的控制。
6、测温元件为铂热电阻Pt100传感器。
7、设计电路以及使用单片机学习板编程实现这些要求，并能通过键盘置入预期温度，通过LCD显示出当前温度。
二、方案论证
1、关于R/V转化的方案选择
方案一是采用单恒流源或镜像恒流源方式，但是由于恒流源的电路较复杂，且受电路电阻影响较大，使输出电压不稳定。
方案二是采用电桥方式，由电阻变化引起电桥电压差的变化，电路结构简单，且易实现。
2、关于放大器的方案选择
方案一是采用减法器电路，但是会导致放大器的输入电阻对电桥有影响，不利于电路的调节。
方案二是采用仪表放大器电路，由于仪表放大器内部的对称，使电路影响较小，调整放大倍数使温度从0到100度，对应的电压为0-5V。
3、电路的设计
1、电桥电路
通过调节电位器R3使其放大器输出端在0度的时候输出为0实现调零，然
后合理选择R1、R2的阻值配合后面放大器的放大倍数实现热电阻阻值向电压值的转化。
通过调节电位器R3使其放大器输出端在0度的时候输出为0实现调零，然
后合理选择R1、R2的阻值配合后面放大器的放大倍数实现热电阻阻值向电压值的转化。
本次实验中：
R1=R2=10KΩ，R3为500Ω的变阻器。
2、仪表放大器
合理选择R1、R2、R3、R4、R5、Rf，调节Rg可以实现放大倍数可变的电压差分放大。
令R3=R4=R5=Rf，R1=R2，输出端Vo与输入电压差值关系为Vo=Rf/R3（2R1/Rg+1）△Vin。
本实验中：
Rf=R3=R4=R5=10KΩ，R1=R2=10KΩ，Rg为500Ω的变阻器，这个电路放大倍数大概为128倍左右。
3、TLC1549（10位）模拟数字转换器（A/D）
10位分辨率A/D转换器，其引脚图如下：
TLC1549器件有两个数字输入和一个3态输出、片选（CS），输入输出时钟（I/O时钟）和数据输出（数据）的提供三线接口，串口主机处理器。
管脚说明:
ANALOGIN
（2）:
模拟信号输入。
外部驱动源的模拟,应该有一个十毫安电流能力。
CS（5）:
芯片选择。
高向低过渡的重置内部计数器和控制，使数据和I/O时钟内最
大的一个设置时间加上两个属于边缘内部系统时钟。
低到高过渡禁用I/O
时钟设置时间内下降的边缘加两个的内部系统时钟。
DATAOUT（6）:
这3态串行输出的A/D转换结果是在高阻抗状态时，以有效的芯片
选择，数据是从高阻抗状态，并动相应的逻辑电平的最高有效位先前的转
换结果。
下一个下降沿的I/O时钟驱动器DATAOUT的逻辑水平相应的下
一个最重要的一点，其余位转移，以便与LSB的出现在第九个下降沿的
I/O时钟。
十下降沿的I/O时钟，数据驱动低逻辑电平的串行接口，使数
据传输的超过10个时钟产生的未使用的零LSBs。
GND（4）:
接地
I/OCLOCK（7）:
输入/输出时钟。
I/O时钟接收串行I/O时钟输入和执行下列三个功能：
在第三个下降沿的I/O时钟，模拟输入电压开始充电电容阵列和继续这
样做，直到第十下降沿的I/O时钟。
其余九位前转换数据上的数据。
转让控制转换的内部状态控制器的下降沿十时钟。
REF+
（1）:
上参考电压值（标称虚拟通道连接）适用于参考+。
最大输入电压范围
为所确定的差别电压适用于参考+和电压适用于参考-。
REF–（3）:
较低的基准电压值（标称地面）适用于参考-。
VCC（8）:
正电源电压
4、单片机中的1602液晶显示器
其引脚图如下：
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时
对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K
的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存
器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS
和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW
为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示。
它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）
5、继电器驱动电路、继电器电路、烧水壶
利用单片机输出的控制信号（高低电平），通过继电器驱动电路，控制继电器的通断时间比例，从而控制烧水的温度。
四、测试方案与测试结果
1、实验所需器件表
电阻：
10KW/0.5w
8个
LM324四运放集成芯片
1个
102电位器
2个
Pt100铂热电阻
1个
数字温度计
1个
51单片机文具盒
1个
继电器驱动电路
1个
继电器电路
1个
烧水杯
1个
螺丝刀
1把
万用表
1个
示波器
1台
导线
若干
2、水温控制测量调试方法
通过铂热电阻Pt100将温度变化转换为电阻值的变化，再通过电桥间温度变化转换为电压变化，之后通过仪表放大器将电压放大一定的倍数（128倍左右），使输出电压在0-5V，将输出电压送入A/D转换器（TLC1549）转换为数字信号（10位二进制数）送入单片机，单片机对数字信号进行处理并将其输出至液晶显示屏（1602LCD）上显示。
为控制水温使之稳定，我们引用了PID控制算法，通过PID值控制继电器的占空比，继电器连接着电热杯的开关，所以可以使温度稳定在设定值。
（1）PID控制算法：
在测出目前水温的前提下，采用PID控制算法，即比例微分积分控制算法，
将测得的水温与设定的温度值做差，利用温差做PID算法，产生控制信号，控
制水的温度。
增量式PID算法如下：
控制信号u=Kp*E（k）+Ki*[E（k）+E（k-1）+……+E
（1）]+Kd*[E（k）-E（k-1）]
控制信号增量△u=Kp*[E（k）-E（k-1）]+Ki*E（k）+Kd*[E（k）-2E（k-1）+E（k-2）]
利用控制信号的增量不断修改控制信号，实现对温度的控制。
这种增量式算法相比位置式算法，没有积分项的长叠加，避免了随着控制时间变长导致的计算时间增加的问题出现。
（2）关于AD转化的数据处理
由于A/D转换送进来的信号是一个10位的二进制数（0-1023）代表一个温
度为0oC-100oC的温度，为了方便数据的处理，我们使0对应0oC，1000对应
100oC，所以只需要对信号除以10即可得到温度值，由于液晶显示的时候只能一
位位显示，所以将信号的百、十、个位分别取出来放入数组中，方便液晶显示输
出。
（3）继电器控制水温的方法
PID算法的输出值这里设定为一个0-100的数字，不超过最大值100，超过使其等于100，然后利用单片机内部的定时器控制单片机的一个端口的通断占空比，PID的控制量值越大，端口通的时间越长。
将此端口与一个继电器相连，控制继电器的开断，继电器连接在烧水壶的电源线上，继电器的开端比决定了烧水壶的通断电时间比，从而控制了烧水壶的烧水功率。
实现了对水温的控制。
（4）零度和满度校准的问题
实验中我们采用24度室温和65度高温两个温度下校准，低温时调整电桥的
电位器，高温时调整放大器的电位器，在数字测温计示数稳定的前提下，将单片
机的目前温度与数字测温计读数调为一致，反复调整几次，即可达到最佳状态。
3、测试结果分析
在单片机键盘输入设定温度65度，在单片机控制下烧水杯开始烧水，当单
片机的实测温度低于设定温度大约5度左右，即60度左右，继电器开始通断，
并且随着实测温度的升高，继电器的通断比越来越小，最终温度稳定在设定温度
65度左右，达到的实验要求。
五、结束语
通过本次实验，我对控制系统有了更加真实的体会，了解到要控制一个系统，
并且达到一定的精度要求，要充分考虑到多个方面的影响因素，了解现有器材的
缺陷，尽可能利用较小误差的测量方法。
另外，通过本次试验对于单片机液晶屏
显示的应用，我也更加的熟悉单片机的原理和编程方法。
最后，感谢老师的辛勤
指导，我也深刻体会到自己通过理论与实际的结合，学到不少实际设计中的知识，
但是也深刻感受到自己的不足，今后仍需努力。
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