工程实践与科技创新[4F]

技术文件
完成时间：2011.12.24
项目名称：简易恒温加热系统的设计
设计小组编号：第三组
设计小组名单：张琪(组长)、李腾、周慧
摘要：
科创4F 主要实现一个简易的温度控制系统。

使用铂电阻感应温度变化，采用MYDAQ 作为AD-DA转换装置，并配合Labview进行计算机分析处理，来控制加热器，以实现简单的温度控制，使用的控制算法原型是0-1开关法，控制精度在1°以内。

关键词：
Labview 温敏电阻温度控制恒温
ABSTRACT
This experiment is about a simple temperature control system, which uses aplatinum temperature sensitive resistor to sense temperature and takes MYDAQ as AD-DA transformation devices using Labview to do the necessary computation and thus fulfills the objective of controlling the heating device.The base algorithm is 01 switch algorithm with controlling inaccuracy contained in 1 degree.
KEYWORDS
Labview Temperature sensitive resistor Temperature Control
上海交通大学电子信息与电气工程学院
地址：东川路800号
目录
1. 概述 (1)
1.1编写说明 (1)
1.2名词定义 (1)
1.3硬件开发环境 (1)
1.4软件开发环境 (1)
2. 系统总述 (2)
2.1系统组成 (2)
2.2系统的主要功能 (2)
2.2.1硬件模块 (3)
2.2.2软件模块 (3)
3. 温度传感器模块的设计 (4)
4. AD-DA转换模块的硬件设计 (8)
5. 通断控制模块的硬件设计 (10)
6. 硬件系统的封装 (11)
7. 软件模块总体结构 (12)
8. 主程序及用户输入 (13)
9. 输入转换 (14)
10. 用户输入 (15)
11. 输出显示 (16)
12. 输出控制 (18)
13. 致谢 (19)
14. 参考文献 (20)
15. 附录A 系统操作说明书 (21)
16. 附录B 测试和分析 (22)
16.1测试项目和方法 (22)
第1页
16.2测试的资源 (22)
16.3测试结果及分析 (22)
17. 附录C 课程学习心得和意见建议 (23)
18. 附录D 软件程序清单 (24)
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1.概述
1.1编写说明
本文档主要面向想要了解科创4F简易控温系统的人所编写，想要的知识主要有Labview编程、三极管开关控制、继电器的基础知识。

文档主要包含两大方面：系统的硬件模块与软件模块。

1.2名词定义
硬件系统：构成温度控制系统的硬件部分，主要指除计算机外的所有硬件设备。

软件系统：Labview中编写的所有控制程序。

1.3硬件开发环境
三极管、稳压电源、继电器、带三极管开关控制的集成继电器
1.4软件开发环境
Labview
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2. 系统总述
2.1 系统组成
系统由硬件和软件两大模块组成
硬件模块和软件模块通过AD-DA 转换装置连接工作
2.2 系统的主要功能
为了达到对加热器的实时控制和及时反馈的设计目标，硬件系统的总体构建和功能如下图所示：
温度传感器采集温度，经过
AD 转换，将数据传送计算机分析处理。

计算机计算出控制信号，经过DA 转换，发送给通断控制。

通断控制模块控制加热模块的导通与断开。

2.2.1硬件模块
温度传感器模块的设计
AD-DA转换模块的设计
通断控制模块的设计
2.2.2软件模块
输入转换
输出控制
输出显示
用户输入
主程序
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3.温度传感器模块的设计
温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，通过研究发现，金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。

基于测量水温的考虑，所以我们认为选用STT系列的铂电阻传感器比较合适。

铂电阻温度传感器的主要特点：
1.铂电阻传感器有良好的长期稳定性,典型实验数据为：在400℃时持续300小时,0℃时的最大温度漂移为0.02℃。

2.铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0～630.74℃范围内可用下式表示Rt=R0(1+At+Bt2)在-190～0℃范围内为Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3) 。

式中：RO、Rt为温度0°及t°时铂电阻的电阻值，t为任意温度，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=
3.9684×10-3/℃，B=-5.847×10-7/℃2，C=-
4.22×10-l2/℃3。

由公式可看出，温度传感器
当R0值不同时，在同样温度下，其Rt值也不同。

铂电阻温度传感器的引出导线规格
两线制：传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。

三线制：要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过计算可知，Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r,当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。

四线制：当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，通过计算得出电阻值。

由于我们所购置的铂电阻为两线制，为了提高测量的精度，我们考虑用电桥法设计电路。

非平衡电桥测量铂电阻
电桥法测电阻电桥是一种用电位比较法进行测量的仪器，被广泛用来精确测量许多电学量和非电量。

电桥是一种用电位比较法进行测量的仪器，被广泛用来精确测量许多电学量和非电量。

在自
第4页
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动控制测量中用电位比较法进行测量的仪器是常用的仪器之一。

电桥按其用途可分为平衡电桥和非平衡电桥。

按其使用的电源又可分为直流电桥和交流电桥。

按其结构可分为单臂电桥和双臂电桥。

1.非平衡电桥的工作原理
如图1所示，在惠斯顿电桥中：E 为稳压电源，R 1和R 2为固定电阻，R P 为可变电阻，R x
为电阻型传感器，U out 为电桥输出电压．当U out = 0时，电桥处于平衡状态，此时有
(1)
当U out ≠ 0时，电桥处于不平衡状态，则有
在一定条件下，调整电桥达到平衡状态．由（1）式可见，此时电桥的平衡状态与电源无
关；当外界条件改变时，传感器的阻值R x 会有相应的变化，这时电桥平衡被破坏，桥路两端的电压U out 也随之而变，由
于桥路的输出电压U out 能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压即可以检测外界条件的变化．这种在非平衡条件下工作的电桥称为非平衡电桥，这样的测量方法为非电量电测法．
2.测量电路介绍
如采用电阻式传感器作为被测对象，传感元件的引出线有以下几种方式：二线制、三线制和四线制．采用二线制接法（图1），虽然导线电阻会给测量带来影响，但在测量精度要求不高、测量仪器与被测传感元件距离较近时，常采用二线制．但如果金属电阻本身的阻值很小，那末引线的电阻及其变化也就不能忽视，例如对于Pt100铂电阻，若导线电阻为1 Ω，将会产生2.5 ℃的测量误差．为了消除或减少引线电阻的影响，通常的办法是采用三线联接法加以处理，如图2所示．工业热电阻目前大多采用的都是三线制接法．
在三线制接线电路中，传感元件的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线．传感元件在与电桥配合时，与传感元件相接的三根导线粗细要相同，长度要相等，阻值要一致（图中r1，r2，r3即为引线电阻）．其中一根引线与测量仪表连接，由于测量仪表的内阻很大，可认为流过r2的电流接近于零．另两根引线分别与电桥的两个相邻臂相连，这样引线电阻对测量就不会造成影响．为了高精度的测量，可将电阻测量仪设计成图3所示的四线制测量电路．图中I为恒流源，
r1 、r2、r3 、
r4是引线电阻，R
x为电阻型传感器，V为电压表．因为电压表内阻很大，则且
因为U M= U x + I V
（r2 + r3），所以
由此可见，引线电阻将不引入测量误差．
以下是我们根据理论设计的电桥
电压源V1为15V直流电源，由MyDaq直接提供。

被测电阻为R2+R6。

输出电压是V13，即图示中电压表所测
电阻电压关系由以下程序计算获得
#include<iostream>
using namespace std;
int main(){
double e= 15.0, r2=4700,rx,u;
cout<<"u=";
cin>>u;
rx=100-u*(r2+100)*(r2+100)/e/r2;
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cout<<"rx="<<rx<<endl;;
return 0;
}
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4. AD-DA 转换模块的硬件设计
MYDAQ 的规格
（1）双差分模拟输入与模拟输出通道(200ks/s, 16位, +/- 10 V 范围)
通过螺丝端子接口来使用配对的+/- 10V 电压范围模拟输入与输出通道或者通过3.5mm 音频标准插孔来接口+/- 2V 电压范围的音频信号。

（2）+5，+15以及-15V 电源输出(高达500mW 的输出功率)
USB 供电特性最大程度地提升了便携性，myDAQ 的电源输出为简单电路和传感器提供足够的电源供给。

（3）8个数字输入与数字输出接口（3.3V TTL 兼容）
使用软件定时的数字接口来与低压TTL （LVTTL ）以及5V TTL 数字电路接口，每根数字线可以单独设置为输入或输出。

（4）60V 数字万用表用于电压，电流以及电阻测量
隔离万用表包含测量AC 以及DC 电压与电流功能并且还能用于测量电阻，二极管电压以及通断检测。

MYDAQ 的特点
（1）一体化的设备——包含了8种常用即插即用基于计算机的实验室硬件仪器
有了NI myDAQ ，计算机就变成了仪器。

8种常用的工程仪器随同NI ELVISmx 硬件驱动程序一同安装。

（2）myDAQ 由美国国家仪器（NI ）公司设计，并使用了来自于德州仪器（TI ）公司的优质模拟集成电路（ICs ）
NI myDAQ 用户手册中的硬件系统框图以及TI 集成电路清单描述了TI 的数据转换器，放大器以及接口与电源管理芯片是如何应用在myDAQ 产品设计当中的。

（3）紧凑与便携性，随时随地进行工程实践
NI myDAQ 足够小巧以至于可以轻松地将它放置在背包的口袋中，并且它的USB供电特性可以在任何地方配合笔记本电脑来进行使用。

（4）与LabVIEW以及Multisim结合，拓展功能与特性
引入真实世界的信号来验证答案是否正确。

使用Multisim来对比电路仿真与实测结果，使用LabVIEW来进行自动化测量并进行信号处理。

. 针对实验室之外的动手实验而量身定制，NI myDAQ将便携性与一系列综合特性完美结合。

与NI LabVIEW以及Multisim无缝连接，myDAQ让学生拥有属于自己的真实创新工程实践平台，在课堂与实验室之外搭建原型系统并分析电路特性。

由于myDAQ的功能和特点能很好地满足我们的设计需要，所以我们选用NI公司的产品MYDAQ作为AD-DA转换模块。

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5. 通断控制模块的硬件设计
初步设计方案
最初实现是用三极管来实现电路的通断控制。

myDaq 输出控制小信号，导通或者断开继电器输入回路，由此控制加热回路的通断。

方案的优点：1.能够实现了电路的控制。

2.成本低廉。

方案的缺点：1.三极管输出回路需要24V 稳压电源。

2. 结构松散，不易于测试。

改进设计方案
三极管控制的输出回路，即继电器输入回路中需要用到24V 稳压直流电压源。

这需要使用到试验台的稳压电源设备，为了减少设备的使用，提高系统的集成度，我们尝试设计了这个稳压电路。

通过multisim 仿真，我们观测到预期的稳压效果。

但由于体积过大不易于后期集成等诸多因素没有采用。

经老师建议控制模块的供电形式最终确定为电源适配器。

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6. 硬件系统的封装
由于加热模块使用到了220交变电压，直接使用电路板焊接的电路存在一定的危险性。

松散的设备也降低系统的可靠性。

同时为了避免剪断加热器，我们利用插线板来对硬件模块进行封装。

由于插线板容量有限，我们使用集成的继电器控制模块。

该模块由5v 直流电压驱动工作。

它有常开、常闭两种模式，均接受一个控制小信号，来改变输出回路通断。

已接入集成继电器的插线板
连接好的插线板中引出多条导线连接MyDAQ 。

为避免封装后的混淆，以及方便引线的插拔，我们使用了接线卡槽，并为引线贴上标签。

7.软件模块总体结构
主程序协调控制各个模块。

输入转换从MyDaq中获取输入数据，并进行相应的转换。

用户输入接受用户的输入。

输出控制计算控制信号并输出到MyDaq。

显示输出控制面板的显示。

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8.主程序及用户输入
主程序连接各个软件模块，协同工作：接受输入转换获得的输入温度，并输出到温度曲线控件以及输出控制和显示输出中，主程序还负责将用户输入的参数派送到相应的模块。

具体的有：获取运行开关参数，发送至输出控制模块获取用户输入的设定温度，派送至输出控制以及显示控制模块。

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输入转换子VI 由Elvis 获取MyDaq 电压信号，依次通过Formula2、Formula 计算获得相应温度，输出到result 。

Formula2 计算电阻值
其方程为：100-X1*(4700+100)*(4700+100)/15/4700。

Formula 计算温度值其方程为：2.5973*X1-259.95
用户输入部分的按钮输入在主程序中实现，设定温度输入也是如此。

上图为设定温度输入部分。

该部分通过一个反馈节点来实现温度输入，当用户输入温度并按下确定按钮时，反馈节点中存储的温度变为设定水温控件中的温度。

用户输入部分还有运行控制，该部分的实现是按键控件获取用户输入并由主程序将结果发生至输出控制，来进行具体的控制。

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11.输出显示
输出显示主要包括三方面：温度计显示、指示灯显示以及进度条显示。

上图为进度条显示模块。

该模块中包含最低温度模块子VI。

该VI结构图如下：
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这个子VI的功能是保持系统运行中获得的最低温度，以用于进度显示的计算需要。

实现方法是通过一个反馈节点来存储温度，当当前温度低于存储温度时，重置存储温度为当前温度。

默认出初始最低温度为100度。

指示灯显示和温度计显示都是通过一个将bool型变量输入到相应的控件即可
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12.输出控制
输出控制模块程序图如上。

该模块接受三个参数并输出两个参数。

三个输入参数依次为：当前温度、设定温度和运行控制；两个输出参数为加热指示灯与加热控制。

输出控制的控制算法基于01开关控制，而略不同于01开关算法。

在普通的01开关的基础上加入了关闭预判功能。

所谓关闭预判指的是在加热过程中如果系统还没有到达过设定温度，而处于持续升温阶段时，若温度低于设定温度某一个数值时，加热即停止，用加热惯性将剩余温度加热上去。

之后在恒温阶段若温度低于设定温度开关即打开，高于则停止。

实现方法是通过一个反馈节点来记录是否曾经到达过加热温度，并由此来选择停止加热的条件。

上图中共有两个条件可供选择，比设定温度低2度、等于设定温度。

这里可以根据具体情况来设定。

为控制系统的运行，加入一个与门，使系统的输出受运行控制按钮参数的控制。

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13.致谢
不知不觉中，一个学期的科创课程也落下了帷幕。

回顾我们这一路走来，其实并非一帆风顺，几经周折，屡遇困难，可往往却都能化险为夷，峰回路转。

这些与王老师和毕老师的悉心指导是分不开的。

在此，首先让我们为两位老师致以最崇高的敬意！您们如同茫茫大海中闪耀的灯塔，又如浩瀚宇宙中璀璨的明星。

在我们不如迷途之时，一直指引着我们跨过艰难险阻，克服重重困难。

可以说，没有您二位的谆谆教导，默默奉献，就没有今天的成果！其次，我们要向科创中一直陪伴在我们身边，给予我们无限支持的学长和学姐。

你们以最和蔼的态度，最周到的考虑，最温馨的关怀......给与我们最强大的动力。

从你们身上，我们学到很多宝贵的精神，优秀的品质。

让我们也想你们致以最诚挚的谢意！同样，我们要感谢另一组硬件组的同学。

正是因为我们的并肩战斗，团结协作，才得以高效，高质地完成了项目。

这样一种合作的精神是何其可贵！最后，让我们再次对两位老师，学长学姐，同学们表达最真诚的谢意！
第19页
14.参考文献
[11]百度百科.STT系列铂电阻温度传感器. /view/3625516.htm
[11]上海交大物理实验中心.非平衡电桥的应用. /ols/ExperimentLib/synthesis/07201 316/preview.xml
[11]NI公司产品与服务.NI myDAQ. /mydaq/zhs/specifications.htm
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15.附录A 系统操作说明书
1.接线：系统接线较为简单，如下图所示：插线槽的各个端口有标签著名每根线的用途，
需要接好的线主要有4根，两根电源和两根输出电压，电源线接MyDaq的15v输出，电
压
输出接MyDaq 的AI0 及AI1。

2.通电：将插座通电，并将加热器接到插座上即可。

3.温敏电阻：温敏电阻的位置应当处于被控目标中。

4.加热器：加热器可以是各种加热器，例如普通的加热棒。

加热器使用的原则是能加热受
控目标。

5.运行：启动电脑上的Labview程序，点击运行，系统即运行起来了。

在设定温度框中输
入需要达到的温度并确认，并点击开始控温按钮，整个控温系开始运作。

6.退出：依次点击停止控温、退出按钮即退出系统。

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16.附录B 测试和分析
16.1测试项目和方法
测试项目为水温控制。

方法是设定水温为65度，看是否能恒定在该温度误差不超过1度。

恒温过程中加入一定凉水看水温是否能回复恒定。

16.2测试的资源
一小瓶水即可。

16.3测试结果及分析
测试结果在origin中显示为
如上图所示：开始阶段水温急剧上升，有加入惯性超过设定温度有点，随后水温降下来，并在65度左右波动，途中大幅度的波动是来由于恒温过程中加入了凉水，可以看到在凉水加入一段时间后水温又回复到65度左右。

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17.附录C 课程学习心得和意见建议
学习心得：科技创新类课程的学习中要掌握好理论与实际的联系。

有时候很复杂的计算在实际应用中是可以通过软件模拟来实现的，正如那个经典的故事说的一样，牛顿让一个助手测量一个容器的大小是，助手不需要进行复杂的积分微分计算，只需用水填满容器，再测量水的体积即可。

我们的课程也是如此，很多复制的物理过程在实际应用中是不想要理论计算的。

就如我们做电桥是一样，我们可以用multisim仿真来做很多事情。

意见和建议：4F是一个很好的科创，但是对实验仪器的要求，却使得我们不得不在实验室进行实验，然而一周一次的开放时间感觉灵活度不够大，当我们周六下午有事情的时候，就会很尴尬，所以我们建议将开放时间改自由一点。

第23页
第24页
18.
附录D 软件程序清单
Heating.vi
DataCollectCtrl.vi
第
25页
OutputCtrl.vi
ProcessBar.vi。