【正文】 溫度控制器設(shè)計(jì) — 課程設(shè)計(jì)說明書 1 前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，溫度傳感器的種類日益繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式和三總線式方向發(fā)展。而數(shù)字溫度傳感器更因適用于各種微處理器接口組成的自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)具有可以克服模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器的弊端等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測溫計(jì)、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等 諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。采用 MCS51 單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。 溫度控制器設(shè)計(jì) — 課程設(shè)計(jì)說明書 2 1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 基本要求 高溫鍋爐在煉制 底 屬 時(shí)是必須嚴(yán)格控制溫度的，要求熔爐中的溫度變化范圍在 1℃ 以內(nèi)， 以免在融化所要煉制的 金屬的同時(shí)也融化了其他雜質(zhì)，以致煉出的金屬 純度不夠高。溫度的范圍可以人工設(shè)定。 （低熔點(diǎn)金屬的比如鉛、錫、鋁等的熔點(diǎn)溫度都比較低）。 性能指標(biāo) ① 溫度控制范圍 50℃ ~500℃， 要求精確到 ℃； ② 可人工設(shè)定溫度范圍內(nèi)的任一溫度點(diǎn)； ③ 由單片機(jī)控制顯示當(dāng)前電爐內(nèi)的溫度； ④ 系統(tǒng)性能穩(wěn)定、誤差范圍小、操控性好。 2 系統(tǒng)分析與論證 方案分析 方案一： 由 220V 交流電壓給電爐供電，在電爐內(nèi)壁接入鉑電阻 感溫元件 PT100，感溫元件所探測到的溫度信號被轉(zhuǎn)為很微小的電壓信號，經(jīng)過放大器放大后 送入A/D 轉(zhuǎn)換器中得到一定精度的數(shù)字信號，再數(shù)字信號輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，判斷出該對繼電器 發(fā)送通或斷的控制信號。繼電器主要由一個(gè)三極管和一個(gè)電阻線圈構(gòu)成，當(dāng)線圈通電時(shí)，它產(chǎn)生的電磁力使電爐的開關(guān)吸合，以提升爐內(nèi)的溫度；當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁力消失，電爐的開關(guān)自動(dòng)斷開，以降低爐內(nèi)的溫度。 以 鉑 電阻 感溫元件 為檢測元件的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖 21所示 ： 溫度控制器設(shè)計(jì) — 課程設(shè)計(jì)說明書 3 圖 以 鉑 電阻 感溫元件 為檢測元件的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖 方案二： 由 220V 交流電壓給電爐供電， 在電爐內(nèi)壁接入 熱電偶溫度計(jì) 作為 感溫元件， 熱電偶溫度計(jì) 的 測量范圍 達(dá)到 270～ 1800℃ ， 探測到的溫度信號被轉(zhuǎn)為很微小的電壓信號，經(jīng)過放大器放大后送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中得到一定精度的數(shù)字信號，再數(shù)字信號輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，判斷出該對繼電器 發(fā)送通或斷的控制信號。 單片機(jī)采用 8051 設(shè)計(jì)，內(nèi)置存儲(chǔ)器。繼電器主要由一個(gè)三極管和一個(gè)電阻線圈構(gòu)成，當(dāng)線圈通電時(shí)，它產(chǎn)生的電磁力使電爐的開關(guān)吸合，以提升爐內(nèi)的溫度；當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁力消失，電爐的開關(guān)自動(dòng)斷開，以降低爐內(nèi)的溫度。 分析： 方案一通過 鉑電阻 感溫元件 PT100 將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于得到的電壓信號是很微小的，因此要通過放大器進(jìn)行放大處理。 鉑電阻感溫元件 PT100測溫精度高，靈敏度高，而且價(jià)格也比較便宜，已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的性能，因此選用該元件做為本次設(shè)計(jì)所需元件。由于放大后的信號為模擬信號，因此通過 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為一定精度的數(shù)字信號，才能使用單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)會(huì)根據(jù)所得的信號判斷當(dāng)前的溫度狀況，進(jìn)而輸出‘ 0’或‘ 1’的控制信號對電路的通斷進(jìn)行控制。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出電平為‘ 0’的輸出信號使繼電器電路導(dǎo)通，電爐加熱升溫；反之 ，電爐不接通而降溫。該方案條理清晰簡潔，精確度也比較高，而且易于調(diào)節(jié)和控制溫度。 方案二采用的 熱電偶溫度計(jì) 的測溫 范圍 雖然達(dá)到 270～ 1800℃ ，但由于其穩(wěn)定性 低、 靈敏度 低， 系統(tǒng)成本 高，而且主要 適 用與高溫 范圍 ，與所要求的測溫 溫度控制器設(shè)計(jì) — 課程設(shè)計(jì)說明書 4 性能不符合，因此不選用該方案做為設(shè)計(jì) 方案。 方案確定 通過 對上面的方案進(jìn)行分析后， 綜合各方面的考慮之 后，我采用了方案 一作為本次設(shè)計(jì)的最終確定方案。 3 系統(tǒng)各單元模塊設(shè)計(jì) 傳感器模塊 傳感 器模塊 采用 鉑電阻溫度傳感器 PT100。 鉑電阻溫度傳感器具有精度高，穩(wěn) 定性好，可靠性強(qiáng)，產(chǎn)品壽命長等優(yōu)點(diǎn) ,適用于工業(yè)自動(dòng)化測量及各種實(shí)驗(yàn)儀器儀表。 技術(shù)指標(biāo) 名稱 分度號 測溫范圍℃ 精度等級 誤差Δ t℃ 鉑電阻 Pt100 Pt500 Pt1000 200～ 600 1/3DIN 177。 (+| t | ) A 級 177。 (177。 | t | ) B 級 177。 (177。 | t | ) 熱響應(yīng)時(shí)間 在溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，鉑電阻的輸出變化至量程變化的 50%所需要的時(shí)間稱為熱響應(yīng)時(shí)間，用τ 表示 。 鉑電阻絕緣電阻 常溫絕緣電阻的試驗(yàn)電壓可取直流 10～ 100V 任意值，環(huán)境溫度在 15～ 35℃范圍內(nèi)，相對濕度應(yīng)不大于 80%， 鉑電阻的常溫絕緣電阻應(yīng)不小于 100Ｍ Ω 實(shí)際 100Ｍ Ω。 鉑電阻的高溫絕緣電阻應(yīng)不小于 Ω, 實(shí)際 Ω。 厚膜鉑電阻溫度傳感器 的 藝特點(diǎn)： ﹡以鉑漿料替代鉑細(xì)絲 ﹡以絲網(wǎng)印刷替代手工纏繞 ﹡以玻璃包封替代套管封裝 溫度控制器設(shè)計(jì) — 課程設(shè)計(jì)說明書 5 元件特性： ﹡以激光調(diào)阻替代手工調(diào)阻 （ 1） 線性：鉑的材料特性，電阻值對溫度的變化幾乎是線性，此特性使得客戶能精確地依據(jù)事先定義的曲線，計(jì)算 待測物溫度，并設(shè)計(jì)其應(yīng)用電路。也正是此特性，元件具有可互換性的卓越特色。 （ 2） 廣泛的溫度測量范圍：由于鉑的特性穩(wěn)定，不會(huì)因高低溫而引起物理或化 化學(xué)變化。視其所選用的封裝材料而定，厚膜鉑電阻感溫元件在 200～ +600℃寬范圍內(nèi)擁有長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。 （ 3） 高精確度： 由 鉑漿料生產(chǎn)的厚膜鉑電阻其精確度可達(dá) 177。％，符合IEC751 的國際 A 級標(biāo)準(zhǔn)要求。 （ 4） 高可靠性：即使經(jīng)長期使用，厚膜鉑電阻仍然十分穩(wěn)定。 據(jù)測試， 厚膜鉑電阻 在 溫度 600℃ 條件下 250 小時(shí)后，電阻變化 ％。能滿足軍事、科研 、工業(yè)生產(chǎn)等重要領(lǐng)域的精密測溫要求。 （ 5） 極佳的性能價(jià)格比：厚膜鉑電阻能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，而且投資少、工藝流程簡捷、原材料成本底、成品率高，具有極佳的性能價(jià)格比。厚膜鉑電阻是傳統(tǒng)絲繞的替代產(chǎn)品，并可以部分替代熱敏電阻。 各傳感器元件的性能比較如下表： 元件類別 測量范圍 價(jià)格 系統(tǒng)成本 穩(wěn)定性 靈敏度 線性度 適合使用范圍 鉑電阻溫度傳感器 70