小型温度控制系统结题报告.doc

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1、北京工业大学电子工程设计目录【摘要】-3一 课题背景-4二 需求分析-4三 稳压电源-4（一） 方案（论证）设计-5（二） 电路（选择）设计-6（三） 原理分析-6四 变送器模块-7（一） 电路（选择）设计-7（二） 原理分析-7五 驱动器模块-7（一） 电路（选择）设计-7（二） 原理分析-8六 数模转换模块-8七 模数转换模块-9八 调试原理与方法-10九 调试过程及数据与误差分析-10十 出现的问题分析及解决-11十一 结论-12十二 体会与建议-12【摘要】 随着现代工业技术的迅猛发展，工业上的各种技术指标精度的要求也越来越高，在众多指标中，温度的测量与控制是一个永恒的话题，只有了精确

2、地温度测量，才能把加热和散热的工作做得更好。本课题是小型温度测量与控制系统设计，以单片机AT89C51芯片为核心，和LED数码管显示，数模、模数转换和辅以稳压电源及变送器的测量控制系统。 本设计详细介绍了稳压电源与变送器电路的工作原理，硬件电路组成的思路。主要包括以下几个模块：稳压电源模块、变送器模块、A/D转换模块、D/A转换模块和变送器模块等组成。能够对环境温度随时随地检测与显示。【关键词】 ：A/D转换、D/A转换、驱动器设计。性能较好的稳压电源模块能够将市电220V转换为5V和12V为温度测量与控制系统提供稳定的电压。而变送器模块能准确地将传感器采集到的温度信息送到模数转换器，再由模数

3、转换器将模拟信号转换为数字信号最终发送给单片机。对应的，数模转换器将单片机送出的控制信号通过驱动器控制器件。图1.系统框图一 要求分析本系统虽然早已实际应用多年，但是对于初学反馈调节的本科生而言具有较高的了解价值，同时纵观现今社会发展现实，可以看出在至少将近几十年内还会继续拥有参考研究价值，因此这项实验不会和社会脱节，具有较为广泛的需求基础。（一） 直流稳压电源：1. 将市电220V转换为稳定的三组电源，其中有（+5V，1A）(+12V,1A)(-12V,1A)2. 在安装调试过程中由于220V交流电源，必须注意单元。（二） 变送器：1. 为降低误差，在设计中要考虑电路元器件的温漂，时漂和噪声

4、问题。2. 测量温度：0 1003. 输出电压：0 5V4. 测量误差：满刻度1%（0.05V或1 ）5. 负载阻抗： 1 M6. 限制条件： 0V 输出电压5V7. 安装：独立电路板结构（三） 数模转换模块：1. 输入范围：00H 0FFH 2. 对应输出： -10V+10V 3. 误差：1%FSR 4. 响应时间： 1ms 5. 电源供电：+5V，12V（四） 模数转换模块：1. 输入信号范围：0V+5V 2. 分辨率： 8bit 3. 精度：1LSB 4. 转换时间： 1ms（五） 驱动器：1. 对应测量温度： 0 100二 稳压电源：（一） 方案（论证）设计：1. 方案一：（1） 线性

5、稳压电路：特点：a）利用晶体管进行电压调整1） 动态响应特性好2） 纹波、噪声小b）电压调整晶体管工作在放大区1) 功耗大、发热量大2) 效率低 适用于低压差、小功率的场合 （2） 集成线性稳压电路（三端稳压器）特点：a）采用带隙（能隙）基准电压电路 1）温度稳定性好、噪声小 b）多种保护措施 1）过流、断路、过热保护 c）无需其他外围元件1）使用方便、无需调整2. 方案二：开关稳压电路：（1）特点：a）调整管工作在开关状态1）功耗小、发热量小 2）效率高适用于高压差、大功率的场合 b）输入和/或输出电流不连续 1）纹波、噪声大 精密的模拟电路不适用 c）采用储能元件维持输出电压稳定 1）动态

6、响应特性差 d） 电路复杂、外围元件多、对元件要求高（2） 开关稳压电路基本类型及其特点：a) 串联（Buck）型1) Vo Vi（升压），输出电流不连续c) 电感储能（Buck-Boost ）型1）输出电压不限并反向，输入输出电流均不连续d) Cuk型1)输出电压同上，输入输出电流均连续 （3）DC-DC变换器： 利用开关稳压电路基本原理设计的集成开关稳压器，外围元件少，易于实现。 3. 方案选择：交流供电电压低，输出功率较小。从实现电路简单，低成本的考虑应选择集成线性稳压电路的实现方案。（二） 电路（选择）设计：图2.稳压电源模块原理图（三） 原理分析：线性稳压电源的特点是起电压调整功能的

7、器件始终工作在线性放大区整流电源，一般是靠二极管的单向导通性质，把交流电正弦波变成只有上半部分的波，再经过滤波电容变为平滑的直流电。交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C4的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三 变送器模块：（一） 电路（选择）设计：图3.变送器模块原理图（二） 原理分析测量温度这种非电

8、物理量，需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上，这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。温度变送器是一个具有较高精度和稳定度的直流放大器，变送器的线性化电路采用反馈方式。对热电阻传感器，用正反馈方式校正，对热电偶传感器，用多段折线逼近法进行校正。四 驱动器模块：（一） 电路（选择）设计：图4.1驱动器模块原理图图4.2驱动器模块实物图（二） 原理分析：在实际的系统里，往往要求放大电路的末级输出一定的功率，以带动后面的负载。驱动电路是一个功率放大器, 简称功放。驱动电压为-9V +9V ,驱动电流最大为3A,随着输出负电压的增加,

9、制冷量增加,随着输出正电压的增加,制热量增加,从而以控制输出电压,达到控制温度的目的。图4.2驱动器模块波形图五 数模转换模块：（一） 电路（选择）设计：图5.数模转换模块原理图（二） 原理分析：电流开关型：用数字切换电流开关，产生与电阻网络权电流对应的电流“和”；脉宽调制型：将数字转换为输出脉冲宽度，用积分器将脉冲宽度转换为与之对应的电压输出。 （三） 理论计算：如： 六 模数转换模块：（一） 电路（选择）设计：图6.模数转换模块原理图（二） 原理分析：积分型：将电压转换成脉宽信号或频率，由定时器/计数器获得数字值。优点：分辨率高；缺点：转换速率极低 ；逐次比较型 ：由比较器和DA转换器通过

10、逐次比较逻辑构成，经n次比较而输出数字值。优点：速度较高、功耗低，在12位分辩率时价格便宜 ；并行比较型：用多个比较器，仅作一次比较而实行转换。优点：转换速率极高；分辩率高时电路规模大、价格也高，只适用于低分辨率高速场合 ；压频转换型：将模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量 ，从理论上讲其分辨率几乎可以无限增加。优点：分辩率高、功耗低、价格低；但是需要外部计数电路共同完成AD转换 ；（三） 理论计算：ADC0804：七 调试原理与方法：（一） 稳压电源电路板：1.利用调试台电源板右侧插座调试2.用万用表检测电路板左排针从上数第一管脚输出电压+5V、第九管脚+12V、第十一管脚-1

11、2V3.电压符合要求后可以将电源板按调试台位置插入4.调试台电源指示灯正常（二） 变送器模块电路板：1.利用调试台变送器板调试，电源板需要插上2.在调试台变送器插座插上变送器板，注意方向3.利用调试台键盘输入调试温度。调整电流源输出（模拟AD592电流变化）4.电流源输出电流为：I=273uA温度值5.温度值为：0摄氏度时放大器输出电压为0V6.温度值为：100摄氏度时放大器输出电压为5V（三） 驱动器模块电路板：1.利用调试台驱动器板调试，电源板需要插上2.当温度增加时，用万用表测电路板右排针从上数第7脚输出的变化趋势3.将板插上实验台，观察温度升高或降低时，指示灯的变化八 调试过程及数据与

12、误差分析：(一) 稳压电源电路板：万用表黑表皮接地，红表皮接三个输出点来测试三个输出的电压值，其中+5V管脚的输出电压稳定在4.970.05V，而-12V管脚的输出电压稳定在-11.970.04V，+12V管脚的输出电压稳定在11.960.00V左右。三个管脚的输出电压基本符合标准，满足电路输出的要求。(二) 变送器模块电路板：在0的时候，调整滑动变阻器VR1（见图3）使得电路的输出电压为0V；在100的时候，调整滑动变阻器VR2（见图3）使得电路的输出电压为5V。以后每增加10，输出电压均大概增加0.40.6V，经过我们的多次测试，在量程范围内，输出电压的实际值仅仅与理论值相差0.1V左右，

13、误差在允许范围内。(三) 驱动器模块电路板：温度上升时，指示灯红灯（加热）亮，输出端电压值升高。温度下降时，指示灯绿灯（制冷）亮，输出端（既电路板右排针从上数第七管脚）电压值降低。在调试台上调试时，输入10V电压时，输出端输出电压8.7V；输入-10V电压时，输出端电压-9.2V。基本达到设计要求。九 出现的问题分析及解决：(一) 稳压电源电路板：故障现象故障原因无整流输出或输出不正常整流桥接错或损坏无稳压输出或输出不正常集成稳压电路引脚接错或损坏12输出不正常交流输入中心抽头漏接输出波纹大滤波电容漏接保险管无输入交流输入漏接整理桥无输入保险管损坏电解电容发热或爆裂电解电容极性接反电解电容发热

14、或爆裂电解电容耐压不够无直流输出直流输出漏接表1.稳压电源板理论上遇到的故障及原因每次上电检查保险丝是否全部正常工作，若有烧断需及时找指导老师更换。每次调试完毕记得关闭电源，避免出现触电。(二) 变送器电路板：故障现象故障原因输出不随输入变化运算放大器损坏输出接近正或负电源电压运算放大器开环输出达不到满刻度放大器增益控制电阻过小输出不能到达0点平移电路未工作输出不能到达0点平移电路元件选择有误输出总是高于4.3V接5V保护二极管反接输出总是低于0.7接地保护二极管反接二极管全部烧毁保护二极管全部反接加载后输出有明显的衰减保护电路限流电阻过大无输出运算放大器电源漏接输出偏向电源一侧不随输入变化运

15、算放大器单电源漏接表2.变送器电路板理论上遇到的故障及原因实际中我们为降低误差，在设计中考虑了电路元器件的温漂、时漂和噪声等问题，因此选择使用了OP07运算放大器。试验中，试验台右排管脚+12V、-12V管脚的错误表示容易引起芯片烧坏，调试时应注意。变送器电路的设计与所使用的传感器密切相关，因此在设计中我们特别注意了传感器与变送器连接电路的设计和校准方法及实用的关系等问题。(三) 驱动电路板在调试过程中我们遇到了问题。第一个问题就是2955、3955发热严重，且稳压电源模块保险丝经常烧断，后来我们将接在正负12V之间的滑动变阻换小成5K，问题解决。另外我们在验证驱动电路板时，只会正电压不输出负

16、电压，因此进行了几次查线阶段。首先查出了焊接不结实问题，有的地方焊锡多导致连线，用吸拔器吸走多余焊锡又进行了一次排查，检查无误后再去验证，问题依旧没有解决。随后我们调整了电路，并且找老师商讨之后，验证成功。十 结论稳压电源板的三个管脚输出电压基本符合标准，满足电路输出+5V、12V的要求。温度变送器模块电路板，经过我们的多次测试，在量程范围内，输出电压的实际值仅仅与理论值相差几乎为零，误差并不是很明显。驱动器电路板，温度上升时，指示灯红灯（加热）亮，输出端电压值升高。温度下降时，指示灯绿灯（制冷）亮，输出端电压值降低。基本达到设计要求。十一 体会与建议电子工程设计训练课就想我们大二时上过的电子

17、技术实验一样，对动手能力要求较高，不仅仅是要告诉我们一种知识，更要我们在了解了理论的基础上自己动手将其验证。张老师在教会我们使用一些必要的软件，如protel99se，以及一些相应的原理图之后，告诉了我们一些注意事项及需要用到的知识范围，剩下的就都是我们要靠我们去设计和调试了，比如查阅书籍、下载芯片的数据手册等。 在这门课上，我们再一次成为了真正的主体，相信以此我们将理论应用到现实上的能力会大大增强。我们先是根据实验的要求，结合自己所学的内容，设计出所需要的电路；电路图经过老师认证后，就要去器材室找自己电路所涉及的器件，器件的型号及参数很重要，而这些都是决定试验成功的关键；经过这一系列的准备工

18、作后，就要开始真正进行焊板了，这是真正考验耐心和动手能力了，看到有的组因为不小心将手烫伤就始终万加小心，结果也确实完好无损。最后进行的就是调试，在稳压电源和变送器模块的调试过程中，我们的调试很成功。可是在做附加题目驱动器模块的时候出了问题，而且相当棘手。我们先是对照着电路图检查接线，肯定没问题后又怀疑是焊接的问题，仔仔细细得把所有可能出错的地方都查了一遍，可是调试的时候还是不成功，而且坏了5个保险丝。无奈之下，只能更改电路细节，然后再次去找老师讨论。没想到问题出在我们领的芯片上，在将其中一片3055更换为2955后，电路终于按照设计要求输出电压。实验结束后，我们觉得这门课真的很考验综合能力，不仅要求我们具有专业知识和动手能力的同时，查阅准确资料以及发现问题和解决问题的能力也不能太弱。还要考验两个人的默契及合作能力，是真正考验全面能力的一门学科。11