温度的测量与控制总结报告
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来进行温度的采集。PT100 两端因材料不同，在相同温度下，电阻值不同产生电势差，电势 差通过放大器，就可以得到一个电压信号，这个电压信号即是温度的信号。把硬件电路焊好 之后，打一瓶热水，利用两个万用表，一个测电压值，另一个和 PT100 放一起测温度，每 隔一摄氏度就记录一次电压值。这样就完成了温度电压对照表，找出它们的对应关系。
较低温度的状态；尽量在两个升温过程中完成所有参数的测试，可以两组交替测试。
三、总体思路：
温度的测量和控制主要分为四个步骤进行： 1. 温度的采集：利用 PT100 对温度进行采集，通过采集电路 ，输出一个电压信号即温度采 集信号。 2. 数据的处理：对采集到的电压信号，输入到 G2553 系统，通过 AD 转换及一定的换算公 式，输出一个 PWM 控制信号。 3. 加热的控制：以达林顿管做开关管，采用 PWM 方式调节功率。把采集的数据经 PID 算法 处理得到调整的 PWM 信号，通过光耦将控制电路与加热电路隔离，控制开关管导通占空比 来控制加热功率。
图 3 温度——电压对照关系 3、 温度调整测试
采用增量式 PID 算法控制，由于实物温度采集滞后性很大，PID 参数整定效果尚不理想， 存在较大的超调量。通过串口发回的数据用 Excel 表格建立图表如下：
六、总结：
在做温度测量与控制这个课题的开始，通过学习运放相关知识，再参照课件，发现课件 中的电路图 TL431 精密稳压 IC 的外围电阻参数存在问题，通过计算选用合适的阻值，运放 部分我参照相关资料重新设计为放大倍数 50 位的仪表放大器。在电桥电路部分，与 PT100 平衡的桥避我采用 200 欧电位器，实际制作时使用 50 欧定值加 100 欧电位器，实现电路在 要求测温范围内输出电压可调节到 AD 基准电压内。
0.46
31
0.54
0.52
32
0.57
0.59
35
0.758
0.77
36
0.844
0.84
41
Байду номын сангаас
1.157
1.15
43
1.292
1.27
44
1.388
1.34
46
1.502
1.46
50
1.785
1.71
51
1.832
1.77
53
1.95
1.89
55
2.07
2.02
57
2.18
2.14
60
2.38
2.32
+5V
R1 4.7K
R2 510
T1 S9013
C1 104
R4
5.1K R5
150/5W
T2 2SC1008
+30V
负 载
IC1 P521-1 R3 C2 T3 10K 104 TIP41
图 2 加热控制电路图
4. 数据的显示： 把温度采集到的电压信号和数据处理产生的温度通过 1602 显示出来，利用按键来设置
4. 数据的显示：把处理的数据，通过 1602 显示出来。为方便对 PID 算法分析，采用串口线 定时将采集的数据与调整的 PWM 传送到 PC 机，再用 Excel 生成图表直观分析。
四、主要模块的设计思想：
1. 温度的采集： 温度采集有很多种选择的方案，由于元器件原因，我们选的是利用铂热电阻 9（PT100）
提高要求 : （1）可以将电热元件温度稳定地控制在 30℃~80℃之间的任一指定温度值，温度值可 以设定；尽量减短升温时间，减小温度起伏； （2）从 40℃升温到 60℃的时间可以设置；并尽量保持匀速升温； （3）自由发挥。
说明：（1）以具有测温功能的万用表做为标准温度计。 （2）竞赛和测试都使用学生配给的一套设备。 （3）竞赛系统和万用表的测温传感器可以贴近粘贴在电热元件上。 （4）为缩短测试周期，正式测试前可风扇等强制降温方法，将电热元件的温度保持在
2. 测量到的温度与电压对照表：
通过用一杯热水与带测温功能的数字万用表为基准参考，对温度采集电路实测结果下。 限于实验条件，记录的数据存在一定误差，可以看到实物和仿真结果相近，具有较好的线性 度。
表 1 温度——电压对照表 温度 实测电压 仿真电压
28
0.369
0.33
29
0.392
0.4
30
0.47
加热温度的预设值也显示出来。采用串口线定时将采集的数据与调整的 PWM 传送到 PC 机， 再用 Excel 生成图表直观分析。
5. 软件设计： 由于 MSP430G2553 单片机 IO 较少，为实现所需功能，软件设计初期合理的规划十分
重要，通过合理规划。管脚分配如下：
图 3 管脚分配图 软件设计上主要采用经典 PID 调节算法,使用 TA1 定时器每隔 0.5S 进一次中断，执行 ADC 采样、刷新 1602 显示。每隔 5S 计算一次 PID 数据，调节 PWM 输出并通过串口上传 检测值与控制值到 PC。程序流程图如下：
对采集到的温度和电压数据，进行一定的计算，找出电压温度的对应关系，通过 AD 转 换，把采集电路的输出电压，转换成温度，然后为温度的控制及显示做好数据准备。并作出 温度电压的对照表。
3. 温度的控制： 对于温度控制的电路，我们采用的是三极管驱动模式。
设计思路： 1）根据负载特性来选择驱动管
根据设计要求，加热电源为 30V/2A，则最大加热功率为 60W，最大电流为 2A，负载 要求≥15Ω/60W。则驱动管的 UCEO ≥45V，ICM ≥3A，可选 TIP41(参数（) 100V\6A\65W）。 2）根据驱动管来设计前级放大电路。驱动管在深度饱和状态时，其电流放大倍数一般在 10---20，这就要求前级的驱动电流≥200mA，对三极管的要求 UCEO ≥45V，ICM ≥400mA， 可选 2SC1008(参数)。 3）光耦的选型与设计
选择光耦时主要考虑：开关速度（高速光耦或低速光耦），线性光耦与非线性光耦。常 用的光耦型号如下：
线性光耦（4 脚）：PC817A/B/C、PC111、TLP521 等； 非线性光耦：4N25、4N26、4N35、4N36 等； 高速光耦： 6N135、 6N136、 6N137 等。 除此外，还应考虑光耦的以下参数：发光二极管电流 IF、光电三极管电流 IC、三极管 耐压 UCEO、电流传输比 IC/IF、隔离电压等。 选择 TLP521-1 时（参数），对开关脉冲的要求：开关频率 1KHz 时，占空比 10%--100%； 开关频率 100Hz 时，占空比 1%--100%。 4）根据光耦的参数设计前级驱动电路 三极管选 S9013（参数），驱动电流约 8mA。 5）三极管的选型 选择三极管时，主要考虑以下参数：集电极最大电流 ICM、集电极最大耗散功率 PCM、 CE 间击穿电压 UCEO、电流放大系数（典型值）、最高工作频率等。 当三极管工作在开关状态时，还应考虑：电流放大系数（最小值）、饱和压降 UCE(sat)、 UBE(sat)、电压转换速度等。
PID 算法方面，选用增量式，第一次使用 PID 算法，经验不足，加之加热实物的温度采 集与水泥电阻内部温度存在很大的滞后性，PID 参数整定不理想。
二、设计任务：
基本要求 ： （1）设计一个温度测量电路，其输出电压能随电热元件温度的变化而变化；记录温度 在 30℃~60℃范围内每变化 5℃对应的模拟电压值（填写表 1）； （2）以数字方式显示温度值； （3）先将电热元件温度稳定地控制在 40℃（保持至少一分钟）；然后快速升温到 60℃ 并 将温度稳定地控制在 60℃（保持至少两分钟）；并分别用 LED 指示灯指示升温中、温度达 到 40℃和温度达到 60℃。
每隔0.5sTA1中断
在LCD上刷新显示 电压、温度
开始 程序初始化
计时到5S？
Y
计算PID调节量 调节PWM输出
N
上传检测值、输出 值到PC
启动ADC、PWM输 出
启动ADC采样
待机模式
退出中断
图 4 程序流程图
五、系统调试结果：
1. 仿真设计与结果：
使用 proteus 软件，对模拟电路部分仿真，对电路参数合理调整。LM324 是通用四通道 运放，电路设计上采用 LM324 的三个通道搭建仪表放大器，具有高输入阻抗，对 PT100 电 桥电路影响小，精度高，放大倍数选定 50 位。经仿真分析，在 30-60 度范围内有较好的线 性度，输出电压在 0-2.5V 之间，符合 MSP430 单片机内部 AD2.5V 基准电压范围。
图 1 温度采集的原理电路图
2. 数据的处理： 当被测物理量与传感器或仪表的输出之间呈线性关系时，采用线性变换。变换公式为
Y
Y0
Ym Nm
Y0 N0
(X
N0 )
式中：Y0—被测量量程的下限； Ym—被测量量程的上限； Y—标度变换后的数值； N0—Y0 对应的 A/D 转换后的数字量； Nm—Ym 对应的 A/D 转换后的数字量； X—Y 所对应的 A/D 转换后的数字量；
温度的测量与控制总结报告
作者：张永福、吴炜、李季红 指导老师：周维龙、密茜
一、设计要求：
设计并制作一套能在 30℃到 80℃范围内实现温度测量与控制的电路系统。系统中采 用 20Ω/30W 的空心瓷管电阻（或水泥电阻）做为电热元件，用直流稳压电源（30V/2A）做 为供电电源，用 PT100 做为温度传感器。
较低温度的状态；尽量在两个升温过程中完成所有参数的测试，可以两组交替测试。
三、总体思路：
温度的测量和控制主要分为四个步骤进行： 1. 温度的采集：利用 PT100 对温度进行采集，通过采集电路 ，输出一个电压信号即温度采 集信号。 2. 数据的处理：对采集到的电压信号，输入到 G2553 系统，通过 AD 转换及一定的换算公 式，输出一个 PWM 控制信号。 3. 加热的控制：以达林顿管做开关管，采用 PWM 方式调节功率。把采集的数据经 PID 算法 处理得到调整的 PWM 信号，通过光耦将控制电路与加热电路隔离，控制开关管导通占空比 来控制加热功率。
图 3 温度——电压对照关系 3、 温度调整测试
采用增量式 PID 算法控制，由于实物温度采集滞后性很大，PID 参数整定效果尚不理想， 存在较大的超调量。通过串口发回的数据用 Excel 表格建立图表如下：
六、总结：
在做温度测量与控制这个课题的开始，通过学习运放相关知识，再参照课件，发现课件 中的电路图 TL431 精密稳压 IC 的外围电阻参数存在问题，通过计算选用合适的阻值，运放 部分我参照相关资料重新设计为放大倍数 50 位的仪表放大器。在电桥电路部分，与 PT100 平衡的桥避我采用 200 欧电位器，实际制作时使用 50 欧定值加 100 欧电位器，实现电路在 要求测温范围内输出电压可调节到 AD 基准电压内。
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T1 S9013
C1 104
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T2 2SC1008
+30V
负 载
IC1 P521-1 R3 C2 T3 10K 104 TIP41
图 2 加热控制电路图
4. 数据的显示： 把温度采集到的电压信号和数据处理产生的温度通过 1602 显示出来，利用按键来设置
4. 数据的显示：把处理的数据，通过 1602 显示出来。为方便对 PID 算法分析，采用串口线 定时将采集的数据与调整的 PWM 传送到 PC 机，再用 Excel 生成图表直观分析。
四、主要模块的设计思想：
1. 温度的采集： 温度采集有很多种选择的方案，由于元器件原因，我们选的是利用铂热电阻 9（PT100）
提高要求 : （1）可以将电热元件温度稳定地控制在 30℃~80℃之间的任一指定温度值，温度值可 以设定；尽量减短升温时间，减小温度起伏； （2）从 40℃升温到 60℃的时间可以设置；并尽量保持匀速升温； （3）自由发挥。
说明：（1）以具有测温功能的万用表做为标准温度计。 （2）竞赛和测试都使用学生配给的一套设备。 （3）竞赛系统和万用表的测温传感器可以贴近粘贴在电热元件上。 （4）为缩短测试周期，正式测试前可风扇等强制降温方法，将电热元件的温度保持在
2. 测量到的温度与电压对照表：
通过用一杯热水与带测温功能的数字万用表为基准参考，对温度采集电路实测结果下。 限于实验条件，记录的数据存在一定误差，可以看到实物和仿真结果相近，具有较好的线性 度。
表 1 温度——电压对照表 温度 实测电压 仿真电压
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0.33
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0.392
0.4
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加热温度的预设值也显示出来。采用串口线定时将采集的数据与调整的 PWM 传送到 PC 机， 再用 Excel 生成图表直观分析。
5. 软件设计： 由于 MSP430G2553 单片机 IO 较少，为实现所需功能，软件设计初期合理的规划十分
重要，通过合理规划。管脚分配如下：
图 3 管脚分配图 软件设计上主要采用经典 PID 调节算法,使用 TA1 定时器每隔 0.5S 进一次中断，执行 ADC 采样、刷新 1602 显示。每隔 5S 计算一次 PID 数据，调节 PWM 输出并通过串口上传 检测值与控制值到 PC。程序流程图如下：
对采集到的温度和电压数据，进行一定的计算，找出电压温度的对应关系，通过 AD 转 换，把采集电路的输出电压，转换成温度，然后为温度的控制及显示做好数据准备。并作出 温度电压的对照表。
3. 温度的控制： 对于温度控制的电路，我们采用的是三极管驱动模式。
设计思路： 1）根据负载特性来选择驱动管
根据设计要求，加热电源为 30V/2A，则最大加热功率为 60W，最大电流为 2A，负载 要求≥15Ω/60W。则驱动管的 UCEO ≥45V，ICM ≥3A，可选 TIP41(参数（) 100V\6A\65W）。 2）根据驱动管来设计前级放大电路。驱动管在深度饱和状态时，其电流放大倍数一般在 10---20，这就要求前级的驱动电流≥200mA，对三极管的要求 UCEO ≥45V，ICM ≥400mA， 可选 2SC1008(参数)。 3）光耦的选型与设计
选择光耦时主要考虑：开关速度（高速光耦或低速光耦），线性光耦与非线性光耦。常 用的光耦型号如下：
线性光耦（4 脚）：PC817A/B/C、PC111、TLP521 等； 非线性光耦：4N25、4N26、4N35、4N36 等； 高速光耦： 6N135、 6N136、 6N137 等。 除此外，还应考虑光耦的以下参数：发光二极管电流 IF、光电三极管电流 IC、三极管 耐压 UCEO、电流传输比 IC/IF、隔离电压等。 选择 TLP521-1 时（参数），对开关脉冲的要求：开关频率 1KHz 时，占空比 10%--100%； 开关频率 100Hz 时，占空比 1%--100%。 4）根据光耦的参数设计前级驱动电路 三极管选 S9013（参数），驱动电流约 8mA。 5）三极管的选型 选择三极管时，主要考虑以下参数：集电极最大电流 ICM、集电极最大耗散功率 PCM、 CE 间击穿电压 UCEO、电流放大系数（典型值）、最高工作频率等。 当三极管工作在开关状态时，还应考虑：电流放大系数（最小值）、饱和压降 UCE(sat)、 UBE(sat)、电压转换速度等。
PID 算法方面，选用增量式，第一次使用 PID 算法，经验不足，加之加热实物的温度采 集与水泥电阻内部温度存在很大的滞后性，PID 参数整定不理想。
二、设计任务：
基本要求 ： （1）设计一个温度测量电路，其输出电压能随电热元件温度的变化而变化；记录温度 在 30℃~60℃范围内每变化 5℃对应的模拟电压值（填写表 1）； （2）以数字方式显示温度值； （3）先将电热元件温度稳定地控制在 40℃（保持至少一分钟）；然后快速升温到 60℃ 并 将温度稳定地控制在 60℃（保持至少两分钟）；并分别用 LED 指示灯指示升温中、温度达 到 40℃和温度达到 60℃。
每隔0.5sTA1中断
在LCD上刷新显示 电压、温度
开始 程序初始化
计时到5S？
Y
计算PID调节量 调节PWM输出
N
上传检测值、输出 值到PC
启动ADC、PWM输 出
启动ADC采样
待机模式
退出中断
图 4 程序流程图
五、系统调试结果：
1. 仿真设计与结果：
使用 proteus 软件，对模拟电路部分仿真，对电路参数合理调整。LM324 是通用四通道 运放，电路设计上采用 LM324 的三个通道搭建仪表放大器，具有高输入阻抗，对 PT100 电 桥电路影响小，精度高，放大倍数选定 50 位。经仿真分析，在 30-60 度范围内有较好的线 性度，输出电压在 0-2.5V 之间，符合 MSP430 单片机内部 AD2.5V 基准电压范围。
图 1 温度采集的原理电路图
2. 数据的处理： 当被测物理量与传感器或仪表的输出之间呈线性关系时，采用线性变换。变换公式为
Y
Y0
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N0 )
式中：Y0—被测量量程的下限； Ym—被测量量程的上限； Y—标度变换后的数值； N0—Y0 对应的 A/D 转换后的数字量； Nm—Ym 对应的 A/D 转换后的数字量； X—Y 所对应的 A/D 转换后的数字量；
温度的测量与控制总结报告
作者：张永福、吴炜、李季红 指导老师：周维龙、密茜
一、设计要求：
设计并制作一套能在 30℃到 80℃范围内实现温度测量与控制的电路系统。系统中采 用 20Ω/30W 的空心瓷管电阻（或水泥电阻）做为电热元件，用直流稳压电源（30V/2A）做 为供电电源，用 PT100 做为温度传感器。