【正文】 溫度控制器設(shè)計 — 課程設(shè)計說明書 1 前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(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需要信號調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器的弊端等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測溫計、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行檢測和控制。采用 MCS51 單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，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，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。 溫度控制器設(shè)計 — 課程設(shè)計說明書 2 1 設(shè)計任務(wù)與要求 基本要求 高溫鍋爐在煉制 底 屬 時是必須嚴格控制溫度的，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。 （低熔點金屬的比如鉛、錫、鋁等的熔點溫度都比較低）。 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； ③ 由單片機控制顯示當(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)字信號輸入單片機內(nèi)進行處理，判斷出該對繼電器 發(fā)送通或斷的控制信號。繼電器主要由一個三極管和一個電阻線圈構(gòu)成，當(dāng)線圈通電時，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，電磁力消失，電爐的開關(guān)自動斷開，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 — 課程設(shè)計說明書 3 圖 以 鉑 電阻 感溫元件 為檢測元件的單片機溫度控制系統(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 作為 感溫元件， 熱電偶溫度計 的 測量范圍 達到 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)字信號輸入單片機內(nèi)進行處理，判斷出該對繼電器 發(fā)送通或斷的控制信號。 單片機采用 8051 設(shè)計，內(nèi)置存儲器。繼電器主要由一個三極管和一個電阻線圈構(gòu)成，當(dāng)線圈通電時，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，電磁力消失，電爐的開關(guān)自動斷開，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，而且價格也比較便宜，已經(jīng)達到了設(shè)計所要求的性能，因此選用該元件做為本次設(shè)計所需元件。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，才能使用單片機進行處理，單片機會根據(jù)所得的信號判斷當(dāng)前的溫度狀況，進而輸出‘ 0’或‘ 1’的控制信號對電路的通斷進行控制。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，單片機發(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 的測溫 范圍 雖然達到 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 — 課程設(shè)計說明書 4 性能不符合，因此不選用該方案做為設(shè)計 方案。 方案確定 通過 對上面的方案進行分析后， 綜合各方面的考慮之 后，我采用了方案 一作為本次設(shè)計的最終確定方案。 3 系統(tǒng)各單元模塊設(shè)計 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，產(chǎn)品壽命長等優(yōu)點 ,適用于工業(yè)自動化測量及各種實驗儀器儀表。 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)時間 在溫度出現(xiàn)階躍變化時，鉑電阻的輸出變化至量程變化的 50%所需要的時間稱為熱響應(yīng)時間，用τ 表示 。 鉑電阻絕緣電阻 常溫絕緣電阻的試驗電壓可取直流 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 實際 100Ｍ Ω。 鉑電阻的高溫絕緣電阻應(yīng)不小于 Ω, 實際 Ω。 厚膜鉑電阻溫度傳感器 的 藝特點： ﹡以鉑漿料替代鉑細絲 ﹡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 — 課程設(shè)計說明書 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，計算 待測物溫度，并設(shè)計其應(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。 （ 3） 高精確度： 由 鉑漿料生產(chǎn)的厚膜鉑電阻其精確度可達 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） 極佳的性能價格比：厚膜鉑電阻能實現(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