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
一、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100o C。

2、以数字温度表为准，要求测量的温度偏差最大为±1o C。

3、能够对水杯中水温进行控制，控制的温度偏差最大为±2o C，即温度波动不得超过2o C，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。

三、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
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：
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。

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:
ANALOG IN(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。

DATA OUT(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/O CLOCK(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
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0-5 V，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0 o C -100 o C的温度，为了方便数据的处理，我们使0对应0 o C，1000对应
100o C，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。