电子工艺实训

北 京 工 业 大 学

电子工程设计报告

学 院 实验学院

专 业 电子信息工程

姓名学号1 范鑫 12521322

姓名学号2 马野 12521108

指导教师 严 峰

日 期 2015 年 5月 26 日

摘要

温度测量与控制电路是在实际应用中相当广泛的测量电路。本次设计主要运用基本的模拟电子技术和数字电子技术的知识及其基本的温度传感器知识，从基本的单元电路出发，实现了温度测量与控制电路的设计。总体设计中的主要思想：

一、达到设计要求；二、尽量应用所学知识；三、设计力求系统简单可靠，有实际价值。

本次设计在第一学期三个模块的基础上完成了温度闭环控制程序的软件部分，实现了软件硬件结合系统联调。本文介绍了软件的设计流程、设计思路、成果展示以及软件调试过程中的感想与总结。

关键词:温控；上位机；串口

Abstract

Temperature measurement and control circuit are measuring circuit that were widely used in practical application. This design mainly uses the basic analog electronic technology and digital electronic technology knowledge and basic knowledge of temperature sensor ,starting from basic element circuits to realize the design of temperature measurement and control circuit .The main ideas of the all design are as follows , first , meeting the design requirements ,second , trying to apply more knowledge that we have , third it must has practical value.

In the first semester we have completed three hardware module.On the basics of them closed-loop temperature control was designed by us,and finally we are succeed in the combination of software and hardware system debugging.This paper will introduce the design process,design ideas of the software as well as the debugging process of the software.Finally,some thoughts about experiment of welding process and summary

Key words:Temperature measurement and control;The host computer;Serial port

目录：

第一章 温度测量控制总体概述 ..................................................................................................... 4

一、 课题背景 ......................................................................................................................... 4

二、 总体概述 ......................................................................................................................... 4

第二章 硬件部分的设计与实现 ..................................................................................................... 5

一、实验目的 ........................................................................................................................... 5

二、 实验原理与分析 ............................................................................................................. 5

三、 原理图 ............................................................................................................................. 6

四、 PCB图 .............................................................................................................................. 9

五、 焊接电路板 ................................................................................................................... 11

六、 数据分析 ....................................................................................................................... 12

七、调试问题和误差分析 ..................................................................................................... 13

第三章 软件部分设计 ................................................................................................................... 14

一、 需求概述 ....................................................................................................................... 14

二、 运行环境 ....................................................................................................................... 14

三、 基本设计概念与处理流程 ........................................................................................... 15

3.1、基本设计概念 ........................................................................................................ 15

3.2、处理流程 ................................................................................................................ 16

四、 算法分析 ....................................................................................................................... 18

4.1、AD转换 ................................................................................................................. 18

4.2、显示电路 ................................................................................................................ 19

4.3、矩阵键盘 ................................................................................................................ 20

4.4、PWM波 ................................................................................................................. 20

4.5、上位机监测 ............................................................................................................ 21

第四章 减法放大电路设计（DA转换） .................................................................................... 22

4.1、需求概述 ........................................................................................................................ 22

4.2、设计思想 ........................................................................................................................ 22

4.3、原理图与仿真结果 ........................................................................................................ 22

4.4 调试与误差分析 .............................................................................................................. 24

第五章 创新设计 ........................................................................................................................... 25

5.1 PID算法 ........................................................................................................................... 25

5.1.1 PID概述 ................................................................................................................ 25

5.1.2 设计流程 ............................................................................................................... 25

5.1.3 算法分析 ............................................................................................................... 26

5.2 EEPROM .......................................................................................... 错误！未定义书签。

5.2.1 EEPROM概述 ...................................................................... 错误！未定义书签。

5.2.2 EEPROM的实现................................................................... 错误！未定义书签。

第六章 成果展示 ........................................................................................................................... 27

第七章 体会感想 ........................................................................................................................... 30

第一章 温度测量控制总体概述

一、课题背景

温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金，化工，机械，食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度测量控制系统是非常有价值的。

二、总体概述

温控系统分为软件与硬件两个部分，软件部分采用STC单片机进行设计。本次设计的主要内容分为A/D采集，显示电路，定时器中断，PWM输出4个模块。还有DA转换电路的设计以及硬件调试，最后软硬件结合进行系统联调，完成温控系统的总体设置。

前向通道：由温度传感器，信号调理电路，A/D转换器组成。温度传感器将温度信号转化成电信号，电信号可能是电阻信号，电流信号等模拟信号，也可能是数字信号。如果是模拟信号则需转化成数字信号，进入微控制器进行数据采集。 后向通道：由D/A转换器，驱动器，执行机构组成。微控制器将温度测量值和给定值产生的偏差通过D/A转换电路换成正负电压值，再通过驱动电路进行功率放大，再通过执行机构进行加温和制冷，形成温度闭环控制系统，实现温度的控制。

显示电路：使用数码管或液晶作为显示电路，通过微控制器接口对其进行驱动，实现温度的测量和显示。

键盘电路：使用独立式键盘或行列式键盘，通过接口驱动，实现数字键或者功能键，通过键盘可实现温度值的设定，功能键完全确定，取消等功能。 电源电路：为温度测量控制系统提供直流电源，5V电源，12V电源，-12V电源

第二章 硬件部分的设计与实现

一、实验目的

电压模块：交流供电9V 和15V，实现线性稳压电源直流输出+5V电压和±12V电压。

放大模块：实现用将温度信号用电压值来表示，将0-100度的温度（0.273mA-0.373mA的电流）转换为0-5v的电压。

功率放大：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,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，本实验就是将mA级的电流放大到1A。

二、实验原理与分析

①稳压电源：整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流分为两大方式：半波整流和全波整流。在此次试验中我们选取的是全波整流，采用了全桥式整流电路。滤波，将整流电路输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 常用方法：电容滤波、电感滤波、复合滤波。输入端用一个全波整流桥把输入的交流电转换为有一定纹波的直流电。在该电路中要求减小纹波，而措施是接上大电容进行一定的滤波减少纹波。实验中我们用LM7805CT芯片提供正5V电压输出，LM7812CT芯片提供正12V电压输出，LM7912CT芯片提供负12V电压输出。电路的主体是三端稳压器，三端稳压器的内部是由晶体管和放大器组成的，晶体管用基极接地接法提高高频特性，同时将电路的电压放大倍数设置为1倍；放大器作为负反馈，进行差动放大，以输出作为基准电压，三端稳压器的输入端作为差动放大的另一个输入端。同时对于电路的稳定性，抗噪声性能等等一系列的性能产生积极影响。对于电路的性能的提高产生正面影响。

②放大模块：本次实验最重要的电路大概就是调零电路与放大电路。AD590输出0.273mA的电流，经过一个1KΩ的电阻接地可以获得0.273V的电压，再经过一个反比例放大电路放大十倍得到-2.73V的电压。为了对电压调零，我们用滑动变阻器通过电阻分压的方法从12V电源处分得2.73V的电压再与之前的-2.73V通过加法电路即可实现调零。最后把调零后得电压通过一个5倍得反向放大电路得到最后的结果使得输出范围在0-5V。

③功率放大：此实验利用乙类放大OCL电路进行功率的放大。乙类放大电路管耗小，有利于提高效率，但是存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被消掉。因此当信号为负时，上边管子截止，下边导通，为正时，上边导通，下边截止，从而实现了完整波形的输出，因此称之为互补电路。由于此次实验是将整的信号变化到负信号，可以实现此功能。

第二章 硬件部分的设计与实现

一、实验目的

电压模块：交流供电9V 和15V，实现线性稳压电源直流输出+5V电压和±12V电压。

放大模块：实现用将温度信号用电压值来表示，将0-100度的温度（0.273mA-0.373mA的电流）转换为0-5v的电压。

功率放大：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,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，本实验就是将mA级的电流放大到1A。

二、实验原理与分析

①稳压电源：整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流分为两大方式：半波整流和全波整流。在此次试验中我们选取的是全波整流，采用了全桥式整流电路。滤波，将整流电路输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 常用方法：电容滤波、电感滤波、复合滤波。输入端用一个全波整流桥把输入的交流电转换为有一定纹波的直流电。在该电路中要求减小纹波，而措施是接上大电容进行一定的滤波减少纹波。实验中我们用LM7805CT芯片提供正5V电压输出，LM7812CT芯片提供正12V电压输出，LM7912CT芯片提供负12V电压输出。电路的主体是三端稳压器，三端稳压器的内部是由晶体管和放大器组成的，晶体管用基极接地接法提高高频特性，同时将电路的电压放大倍数设置为1倍；放大器作为负反馈，进行差动放大，以输出作为基准电压，三端稳压器的输入端作为差动放大的另一个输入端。同时对于电路的稳定性，抗噪声性能等等一系列的性能产生积极影响。对于电路的性能的提高产生正面影响。

②放大模块：本次实验最重要的电路大概就是调零电路与放大电路。AD590输出0.273mA的电流，经过一个1KΩ的电阻接地可以获得0.273V的电压，再经过一个反比例放大电路放大十倍得到-2.73V的电压。为了对电压调零，我们用滑动变阻器通过电阻分压的方法从12V电源处分得2.73V的电压再与之前的-2.73V通过加法电路即可实现调零。最后把调零后得电压通过一个5倍得反向放大电路得到最后的结果使得输出范围在0-5V。

③功率放大：此实验利用乙类放大OCL电路进行功率的放大。乙类放大电路管耗小，有利于提高效率，但是存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被消掉。因此当信号为负时，上边管子截止，下边导通，为正时，上边导通，下边截止，从而实现了完整波形的输出，因此称之为互补电路。由于此次实验是将整的信号变化到负信号，可以实现此功能。

三、原理图

1、稳压电源

图2.1电源原理图 范鑫

图2.2 电源原理图 马野

2、放大模块

图2.3 电流为0.273mA时的电压

图2.4 电流为0.373mA时的电压

3、功率放大

图2.5 输入正电压时输出正电流为1A

图2.6 输入负电压时输出电流为-1A

四、PCB图

1、稳压电源

2、放大模块 图2.7 电源模块PCB

图2.8 放大电路PCB

3、功率放大

图2.9 功率放大电路PCB

五、焊接电路板

1、稳压电源：

图2.10 稳压电源焊接电路 2、放大电路：

图2.11 放大电路焊接电路

3、功率放大

:

图2.12 功率放大电路焊接电路

六、数据分析

1、稳压电源：

三端稳压器的输出端需要一个滤波电路对于三段稳压器的输出进行滤波，进一步减少纹波。数据方面则是三端稳压器能够产生需要的正负12V电压，以及正5V电压即可。而三段稳压器的输入端的电容要用大电容，输出端接一个小电容，进行滤波即可。

2、放大模块：

图2.13 放大电路数据折线图

由于电路上存在的一些误差，最后数据也会有所误差，测量时温度在25-55之间还是很准的，在温度较低或较高时可能会有所误差。 最大绝对误差为4-3.82=0.18 精度为0.18/5=3.6% 精度等级为5%

3、功率放大

经实际测量得到电流变化范围为-1.23A——1.12A从而驱动加热制冷。测试结果如图2.15所示

图2.15 功放加热与制冷图

七、调试问题和误差分析

1、稳压电源：

由于焊板子时比较细心，焊完后又仔细检查了板子上各个焊点之间是否出现了虚焊短路的现象，在仔细排查后一次成功的测出了要求的输出电压，误差也非常小。

2、放大电路：

本次电路实践起来问题还是很大的，因为用了两级放大电路，设计的时候想的是第一级放大10倍，第二级放大5倍，但是由于电路之间的各种误差，导致放大倍数不稳定，因此只能靠调节两个滑动变阻器来调节输出的电压。就这样一直修改了很久才得以得出最后的结果。

3、功率放大电路：

第三块板的焊接还是比较顺利的，其中最重要的就是其中对地分流电阻R4的调节。在第一次调试的时候由于R4电阻过大导致输出电流过大烧毁了三极管。后来用万用表测量得知2N3055与2N8050烧毁，然后换了新的三极管调小了R4后重新测量，测得了数据。此次试验采用了乙类放大电路，乙类放大电路效率偏

低，单级效率为

，最大不会超过78%，这次的电路采用的是两级

级联所以效率大概在60%~70%之间，效率偏低，这也是乙类放大电路的缺电。

第三章 软件部分设计

一、需求概述

需要通过STC单片机来实现的功能如下： ①A/D转换采集某个通道的电压值 ②经过显示电路显示到LCD屏幕上 ③通过矩阵键盘设置预置温度并存入 ④计算现实与设定温度的差值 ⑤根据差值输出相应的PWM波

⑥在上位机上可以监测温度的实时变化（创新设计）

二、运行环境

Keiluvision4 VB6.0

win7/XP 64位操作系统

三、基本设计概念与处理流程

3.1、基本设计概念

本系统的基本设计概念可以分为三部分，

一、上位机操作界面的构建：在用户界面部分，根据需求分析的结果，需要一个用户友善界面。在界面设计上，应做到简单明了，易于操作，并且要注意到界面的布局，应突出的显示重要以及出错信息。外观上也要做到合理化，用vb6.0实现。

二、通信协议的建立：通过发送包头数据让上下位机可以识别发送和接收的不同数据。

三、下位机程序的设计（AD采集，SPI，串口通信等）。

设计流程如图3.1，3.2所示：

图3.1 下位机温控系统流程图 图3.2 上位机显示流程图 AD采集CH1通道后将采集到的电压值转为温度值，然后通过显示电路将采集到的温度显示在LCD屏上。通过矩阵键盘输入要设定的温度值，然后计算设定温度与实际温度的差值，根据得到的差值判断输出PWM波的占空比。

上位机接收数据并在上位机界面显示出来。

3.2、处理流程

图3.3 AD转换流程图

判断AD转换标志位是否为0来判断是否AD转换完成，若转换完成则将电压值转为温度值显示在LCD屏上，若没有则等待转换。

图3.4 矩阵键盘流程图

图3.5 中断输出PWM波形

利用中断模拟PWM波形的输出，在定时器一个周期内，若t小于设定的展开能够比则让管脚输出为1，反之则为0，这样既可输出占空比可变的模拟PWM波。

图 3.6 上位机程序流程图

上位机通过串口接收下位机发送来的数据，接收到数据后判断数据包头是否为112233，如果是则表示数据为想要接收的数据并将其转化为温度值显示出来，若不为112233则重新接收下一组数据。

四、算法分析

4.1、AD转换

void adzhuan()

{

float adv=(float)500/1023;

high=ADC_RES;

high=(uint)(high*adv);

bai=high/100;

shi=high%100/10;

ge=high%10;

i++;

}

将寄存器中高八位与第八位的数据读取出来，并合并为实际的数据，然后通过一定的系数转换转换为温度显示。

4.2、显示电路

图3.7 lcd_xian子函数

图3.8 显示电路程序

用写好的子函数lcd_xian实现将AD采集回的值显示在LCD显示屏上。

4.3、矩阵键盘

P1=P1|0XFF;

P1=P1&0XE0;

P3=P3|0XF0;

temp=P3&0XF0;

if(temp!=0xf0)

{

DelayMs(20);

temp=P3&0XF0;

if(temp!=0xf0)

{

temp=P3&0XF0;

switch(temp)

{

case 0xE0:num=1;b=b+10;

break;

case 0xD0:num=2;b=b+1;

break;

case 0xB0:num=3;b=b+0.1;

break;

case 0x70:num=4;flag=0;

break;

}

while(temp!=0xf0)

{

temp=P3&0XF0;

}

}

}

逐行检测，进行去抖并检测松手判断。

4.4、PWM波

利用定时器中断的原理，设置一个自增变量zkb，若t

void timer0() interrupt 1 using 1 //中断服务

{

//TR0=0; //定时器关

t++; //计一次数

if(t

{N=1;}

else if(t>zkb)

{N=0;}

if(t>=100)

{t=0;}

TH0=(65536-10)/256; //赋回初值

TL0=(65536-10)%256;

//TR0=1; //定时器开

}

4.5、上位机监测

利用VB中的MScomm控件，接收下位机传上来的数据

MSComm1.InputLen = 0

strBuff = MSComm1.Input

BytReceived() = strBuff

For i = 0 To UBound(BytReceived)

If Len(Hex(BytReceived(i))) = 1 Then

strData = strData & "0" & Hex(BytReceived(i)) & " " '如果只有一个字符，则前补0，如F显示0F，最后补空格

Else '方便显示观察如： 00 0F FE

strData = strData & Hex(BytReceived(i)) & " "

利用自定的通信协议，判断下位机发送来的数据是否为所需要的数据，并显示在界面上 If Left(str, 6) = "112233" Then

a1 = "&H" & Mid(str, 7, 2)

b1 = "&H" & Mid(str, 9, 2)

c1 = "&H" & Mid(str, 11, 2)

d1 = "&H" & Mid(str, 13, 2)

e1 = "&H" & Mid(str, 15, 2)

f1 = "&H" & Mid(str, 17, 2)

g1 = "&H" & Mid(str, 19, 2)

H1 = "&H" & Mid(str, 21, 2)

i1 = "&H" & Mid(str, 23, 2)

aaa = a1 * 10 + b1 + c1 * 0.1

bbb = d1 + e1 * 0.1 + f1 * 0.01

ccc = g1 * 10 + H1 + i1 * 0.1

Text1.Text = bbb

Text2.Text = aaa

Text3.Text = ccc

第四章 减法放大电路设计（DA转换）

4.1、需求概述

下位机程序已写好，可以成功的根据温度差输出占空比可变的PWM波，需要一个DA转换电路实现将PWM波转为稳定的电压来实现升温降温。

4.2、设计思想

我们选择了差分放大电路并在后面接上了低通滤波器来实现。在低通后面我还加上了一个跟随电路，这样就可以有效的解决阻抗匹配这一类的问题。仿真结果如下，在占空比=50时电压为-10mv接近于0，在占空比=99时电压为10.689V，在占空比=1时电压为-10.609V。这已经可以驱动电路进行制冷或加热。

4.3、原理图与仿真结果

原理图如图3.7所示

仿真结果如图 所示

图4.1 差分电路

图4.2 占空比为1时的电压显示

图4.3 占空比为50时电压显示

图4.4 占空比为99时 电压示数

4.4 调试与误差分析

在调试时，可能由于阻抗匹配的问题，导致空载电压与接入电路后的电压不等，所以在输出端加了一个跟随电路解决了阻抗匹配问题。

第五章 创新设计

5.1 PID算法

5.1.1 PID概述

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、„）。

5.1.2 设计流程

图5.1 PID算法流程图

先判断温差是否大于2，如若大于2℃则全速升温或降温，否则用设定好的PID算法对温度进行控制，使其平衡实现温度稳定。

5.1.3 算法分析

if(shuju20) { zkb=99; } else { e1=c-shuju;//温度差数 duk=(kp*(e1-e2)+ki*e1+kd*(e1-e2*2+e3))/10; uk=uk+duk; if(uk>100) { uk=100; } else if(uk

根据设定好的参数(e1,e2,e3,kp,ki,kd)，调节发出PWM波的占空比从而改变电压达到让温度稳定下来的目的。

在温差大于20度时，将占空比设为100即正向电压调至最大，让温度急速增加。在温度差小于等于20度时，进入PID稳定控制算法，经过设定好的算法运算控制PWM波形占空比的稳定，让其最终稳定在设定温度。

第六章 成果展示

本次系统联调时，踩了5组数据分别为0℃，20℃，40℃，60℃，70℃。 经PID系统稳定下来后，温度成功控制在1摄氏度以内。

图6.1 0℃

图6.2 20℃

图6.3 40℃

图6.4 60℃

图6.5 70℃

北 京 工 业 大 学

电子工程设计报告

学 院 实验学院

专 业 电子信息工程

姓名学号1 范鑫 12521322

姓名学号2 马野 12521108

指导教师 严 峰

日 期 2015 年 5月 26 日

摘要

温度测量与控制电路是在实际应用中相当广泛的测量电路。本次设计主要运用基本的模拟电子技术和数字电子技术的知识及其基本的温度传感器知识，从基本的单元电路出发，实现了温度测量与控制电路的设计。总体设计中的主要思想：

一、达到设计要求；二、尽量应用所学知识；三、设计力求系统简单可靠，有实际价值。

本次设计在第一学期三个模块的基础上完成了温度闭环控制程序的软件部分，实现了软件硬件结合系统联调。本文介绍了软件的设计流程、设计思路、成果展示以及软件调试过程中的感想与总结。

关键词:温控；上位机；串口

Abstract

Temperature measurement and control circuit are measuring circuit that were widely used in practical application. This design mainly uses the basic analog electronic technology and digital electronic technology knowledge and basic knowledge of temperature sensor ,starting from basic element circuits to realize the design of temperature measurement and control circuit .The main ideas of the all design are as follows , first , meeting the design requirements ,second , trying to apply more knowledge that we have , third it must has practical value.

In the first semester we have completed three hardware module.On the basics of them closed-loop temperature control was designed by us,and finally we are succeed in the combination of software and hardware system debugging.This paper will introduce the design process,design ideas of the software as well as the debugging process of the software.Finally,some thoughts about experiment of welding process and summary

Key words:Temperature measurement and control;The host computer;Serial port

目录：

第一章 温度测量控制总体概述 ..................................................................................................... 4

一、 课题背景 ......................................................................................................................... 4

二、 总体概述 ......................................................................................................................... 4

第二章 硬件部分的设计与实现 ..................................................................................................... 5

一、实验目的 ........................................................................................................................... 5

二、 实验原理与分析 ............................................................................................................. 5

三、 原理图 ............................................................................................................................. 6

四、 PCB图 .............................................................................................................................. 9

五、 焊接电路板 ................................................................................................................... 11

六、 数据分析 ....................................................................................................................... 12

七、调试问题和误差分析 ..................................................................................................... 13

第三章 软件部分设计 ................................................................................................................... 14

一、 需求概述 ....................................................................................................................... 14

二、 运行环境 ....................................................................................................................... 14

三、 基本设计概念与处理流程 ........................................................................................... 15

3.1、基本设计概念 ........................................................................................................ 15

3.2、处理流程 ................................................................................................................ 16

四、 算法分析 ....................................................................................................................... 18

4.1、AD转换 ................................................................................................................. 18

4.2、显示电路 ................................................................................................................ 19

4.3、矩阵键盘 ................................................................................................................ 20

4.4、PWM波 ................................................................................................................. 20

4.5、上位机监测 ............................................................................................................ 21

第四章 减法放大电路设计（DA转换） .................................................................................... 22

4.1、需求概述 ........................................................................................................................ 22

4.2、设计思想 ........................................................................................................................ 22

4.3、原理图与仿真结果 ........................................................................................................ 22

4.4 调试与误差分析 .............................................................................................................. 24

第五章 创新设计 ........................................................................................................................... 25

5.1 PID算法 ........................................................................................................................... 25

5.1.1 PID概述 ................................................................................................................ 25

5.1.2 设计流程 ............................................................................................................... 25

5.1.3 算法分析 ............................................................................................................... 26

5.2 EEPROM .......................................................................................... 错误！未定义书签。

5.2.1 EEPROM概述 ...................................................................... 错误！未定义书签。

5.2.2 EEPROM的实现................................................................... 错误！未定义书签。

第六章 成果展示 ........................................................................................................................... 27

第七章 体会感想 ........................................................................................................................... 30

第一章 温度测量控制总体概述

一、课题背景

温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金，化工，机械，食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度测量控制系统是非常有价值的。

二、总体概述

温控系统分为软件与硬件两个部分，软件部分采用STC单片机进行设计。本次设计的主要内容分为A/D采集，显示电路，定时器中断，PWM输出4个模块。还有DA转换电路的设计以及硬件调试，最后软硬件结合进行系统联调，完成温控系统的总体设置。

前向通道：由温度传感器，信号调理电路，A/D转换器组成。温度传感器将温度信号转化成电信号，电信号可能是电阻信号，电流信号等模拟信号，也可能是数字信号。如果是模拟信号则需转化成数字信号，进入微控制器进行数据采集。 后向通道：由D/A转换器，驱动器，执行机构组成。微控制器将温度测量值和给定值产生的偏差通过D/A转换电路换成正负电压值，再通过驱动电路进行功率放大，再通过执行机构进行加温和制冷，形成温度闭环控制系统，实现温度的控制。

显示电路：使用数码管或液晶作为显示电路，通过微控制器接口对其进行驱动，实现温度的测量和显示。

键盘电路：使用独立式键盘或行列式键盘，通过接口驱动，实现数字键或者功能键，通过键盘可实现温度值的设定，功能键完全确定，取消等功能。 电源电路：为温度测量控制系统提供直流电源，5V电源，12V电源，-12V电源

第二章 硬件部分的设计与实现

一、实验目的

电压模块：交流供电9V 和15V，实现线性稳压电源直流输出+5V电压和±12V电压。

放大模块：实现用将温度信号用电压值来表示，将0-100度的温度（0.273mA-0.373mA的电流）转换为0-5v的电压。

功率放大：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,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，本实验就是将mA级的电流放大到1A。

二、实验原理与分析

①稳压电源：整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流分为两大方式：半波整流和全波整流。在此次试验中我们选取的是全波整流，采用了全桥式整流电路。滤波，将整流电路输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 常用方法：电容滤波、电感滤波、复合滤波。输入端用一个全波整流桥把输入的交流电转换为有一定纹波的直流电。在该电路中要求减小纹波，而措施是接上大电容进行一定的滤波减少纹波。实验中我们用LM7805CT芯片提供正5V电压输出，LM7812CT芯片提供正12V电压输出，LM7912CT芯片提供负12V电压输出。电路的主体是三端稳压器，三端稳压器的内部是由晶体管和放大器组成的，晶体管用基极接地接法提高高频特性，同时将电路的电压放大倍数设置为1倍；放大器作为负反馈，进行差动放大，以输出作为基准电压，三端稳压器的输入端作为差动放大的另一个输入端。同时对于电路的稳定性，抗噪声性能等等一系列的性能产生积极影响。对于电路的性能的提高产生正面影响。

②放大模块：本次实验最重要的电路大概就是调零电路与放大电路。AD590输出0.273mA的电流，经过一个1KΩ的电阻接地可以获得0.273V的电压，再经过一个反比例放大电路放大十倍得到-2.73V的电压。为了对电压调零，我们用滑动变阻器通过电阻分压的方法从12V电源处分得2.73V的电压再与之前的-2.73V通过加法电路即可实现调零。最后把调零后得电压通过一个5倍得反向放大电路得到最后的结果使得输出范围在0-5V。

③功率放大：此实验利用乙类放大OCL电路进行功率的放大。乙类放大电路管耗小，有利于提高效率，但是存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被消掉。因此当信号为负时，上边管子截止，下边导通，为正时，上边导通，下边截止，从而实现了完整波形的输出，因此称之为互补电路。由于此次实验是将整的信号变化到负信号，可以实现此功能。

第二章 硬件部分的设计与实现

一、实验目的

电压模块：交流供电9V 和15V，实现线性稳压电源直流输出+5V电压和±12V电压。

放大模块：实现用将温度信号用电压值来表示，将0-100度的温度（0.273mA-0.373mA的电流）转换为0-5v的电压。

功率放大：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,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，本实验就是将mA级的电流放大到1A。

二、实验原理与分析

①稳压电源：整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流分为两大方式：半波整流和全波整流。在此次试验中我们选取的是全波整流，采用了全桥式整流电路。滤波，将整流电路输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 常用方法：电容滤波、电感滤波、复合滤波。输入端用一个全波整流桥把输入的交流电转换为有一定纹波的直流电。在该电路中要求减小纹波，而措施是接上大电容进行一定的滤波减少纹波。实验中我们用LM7805CT芯片提供正5V电压输出，LM7812CT芯片提供正12V电压输出，LM7912CT芯片提供负12V电压输出。电路的主体是三端稳压器，三端稳压器的内部是由晶体管和放大器组成的，晶体管用基极接地接法提高高频特性，同时将电路的电压放大倍数设置为1倍；放大器作为负反馈，进行差动放大，以输出作为基准电压，三端稳压器的输入端作为差动放大的另一个输入端。同时对于电路的稳定性，抗噪声性能等等一系列的性能产生积极影响。对于电路的性能的提高产生正面影响。

②放大模块：本次实验最重要的电路大概就是调零电路与放大电路。AD590输出0.273mA的电流，经过一个1KΩ的电阻接地可以获得0.273V的电压，再经过一个反比例放大电路放大十倍得到-2.73V的电压。为了对电压调零，我们用滑动变阻器通过电阻分压的方法从12V电源处分得2.73V的电压再与之前的-2.73V通过加法电路即可实现调零。最后把调零后得电压通过一个5倍得反向放大电路得到最后的结果使得输出范围在0-5V。

③功率放大：此实验利用乙类放大OCL电路进行功率的放大。乙类放大电路管耗小，有利于提高效率，但是存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被消掉。因此当信号为负时，上边管子截止，下边导通，为正时，上边导通，下边截止，从而实现了完整波形的输出，因此称之为互补电路。由于此次实验是将整的信号变化到负信号，可以实现此功能。

三、原理图

1、稳压电源

图2.1电源原理图 范鑫

图2.2 电源原理图 马野

2、放大模块

图2.3 电流为0.273mA时的电压

图2.4 电流为0.373mA时的电压

3、功率放大

图2.5 输入正电压时输出正电流为1A

图2.6 输入负电压时输出电流为-1A

四、PCB图

1、稳压电源

2、放大模块 图2.7 电源模块PCB

图2.8 放大电路PCB

3、功率放大

图2.9 功率放大电路PCB

五、焊接电路板

1、稳压电源：

图2.10 稳压电源焊接电路 2、放大电路：

图2.11 放大电路焊接电路

3、功率放大

:

图2.12 功率放大电路焊接电路

六、数据分析

1、稳压电源：

三端稳压器的输出端需要一个滤波电路对于三段稳压器的输出进行滤波，进一步减少纹波。数据方面则是三端稳压器能够产生需要的正负12V电压，以及正5V电压即可。而三段稳压器的输入端的电容要用大电容，输出端接一个小电容，进行滤波即可。

2、放大模块：

图2.13 放大电路数据折线图

由于电路上存在的一些误差，最后数据也会有所误差，测量时温度在25-55之间还是很准的，在温度较低或较高时可能会有所误差。 最大绝对误差为4-3.82=0.18 精度为0.18/5=3.6% 精度等级为5%

3、功率放大

经实际测量得到电流变化范围为-1.23A——1.12A从而驱动加热制冷。测试结果如图2.15所示

图2.15 功放加热与制冷图

七、调试问题和误差分析

1、稳压电源：

由于焊板子时比较细心，焊完后又仔细检查了板子上各个焊点之间是否出现了虚焊短路的现象，在仔细排查后一次成功的测出了要求的输出电压，误差也非常小。

2、放大电路：

本次电路实践起来问题还是很大的，因为用了两级放大电路，设计的时候想的是第一级放大10倍，第二级放大5倍，但是由于电路之间的各种误差，导致放大倍数不稳定，因此只能靠调节两个滑动变阻器来调节输出的电压。就这样一直修改了很久才得以得出最后的结果。

3、功率放大电路：

第三块板的焊接还是比较顺利的，其中最重要的就是其中对地分流电阻R4的调节。在第一次调试的时候由于R4电阻过大导致输出电流过大烧毁了三极管。后来用万用表测量得知2N3055与2N8050烧毁，然后换了新的三极管调小了R4后重新测量，测得了数据。此次试验采用了乙类放大电路，乙类放大电路效率偏

低，单级效率为

，最大不会超过78%，这次的电路采用的是两级

级联所以效率大概在60%~70%之间，效率偏低，这也是乙类放大电路的缺电。

第三章 软件部分设计

一、需求概述

需要通过STC单片机来实现的功能如下： ①A/D转换采集某个通道的电压值 ②经过显示电路显示到LCD屏幕上 ③通过矩阵键盘设置预置温度并存入 ④计算现实与设定温度的差值 ⑤根据差值输出相应的PWM波

⑥在上位机上可以监测温度的实时变化（创新设计）

二、运行环境

Keiluvision4 VB6.0

win7/XP 64位操作系统

三、基本设计概念与处理流程

3.1、基本设计概念

本系统的基本设计概念可以分为三部分，

一、上位机操作界面的构建：在用户界面部分，根据需求分析的结果，需要一个用户友善界面。在界面设计上，应做到简单明了，易于操作，并且要注意到界面的布局，应突出的显示重要以及出错信息。外观上也要做到合理化，用vb6.0实现。

二、通信协议的建立：通过发送包头数据让上下位机可以识别发送和接收的不同数据。

三、下位机程序的设计（AD采集，SPI，串口通信等）。

设计流程如图3.1，3.2所示：

图3.1 下位机温控系统流程图 图3.2 上位机显示流程图 AD采集CH1通道后将采集到的电压值转为温度值，然后通过显示电路将采集到的温度显示在LCD屏上。通过矩阵键盘输入要设定的温度值，然后计算设定温度与实际温度的差值，根据得到的差值判断输出PWM波的占空比。

上位机接收数据并在上位机界面显示出来。

3.2、处理流程

图3.3 AD转换流程图

判断AD转换标志位是否为0来判断是否AD转换完成，若转换完成则将电压值转为温度值显示在LCD屏上，若没有则等待转换。

图3.4 矩阵键盘流程图

图3.5 中断输出PWM波形

利用中断模拟PWM波形的输出，在定时器一个周期内，若t小于设定的展开能够比则让管脚输出为1，反之则为0，这样既可输出占空比可变的模拟PWM波。

图 3.6 上位机程序流程图

上位机通过串口接收下位机发送来的数据，接收到数据后判断数据包头是否为112233，如果是则表示数据为想要接收的数据并将其转化为温度值显示出来，若不为112233则重新接收下一组数据。

四、算法分析

4.1、AD转换

void adzhuan()

{

float adv=(float)500/1023;

high=ADC_RES;

high=(uint)(high*adv);

bai=high/100;

shi=high%100/10;

ge=high%10;

i++;

}

将寄存器中高八位与第八位的数据读取出来，并合并为实际的数据，然后通过一定的系数转换转换为温度显示。

4.2、显示电路

图3.7 lcd_xian子函数

图3.8 显示电路程序

用写好的子函数lcd_xian实现将AD采集回的值显示在LCD显示屏上。

4.3、矩阵键盘

P1=P1|0XFF;

P1=P1&0XE0;

P3=P3|0XF0;

temp=P3&0XF0;

if(temp!=0xf0)

{

DelayMs(20);

temp=P3&0XF0;

if(temp!=0xf0)

{

temp=P3&0XF0;

switch(temp)

{

case 0xE0:num=1;b=b+10;

break;

case 0xD0:num=2;b=b+1;

break;

case 0xB0:num=3;b=b+0.1;

break;

case 0x70:num=4;flag=0;

break;

}

while(temp!=0xf0)

{

temp=P3&0XF0;

}

}

}

逐行检测，进行去抖并检测松手判断。

4.4、PWM波

利用定时器中断的原理，设置一个自增变量zkb，若t

void timer0() interrupt 1 using 1 //中断服务

{

//TR0=0; //定时器关

t++; //计一次数

if(t

{N=1;}

else if(t>zkb)

{N=0;}

if(t>=100)

{t=0;}

TH0=(65536-10)/256; //赋回初值

TL0=(65536-10)%256;

//TR0=1; //定时器开

}

4.5、上位机监测

利用VB中的MScomm控件，接收下位机传上来的数据

MSComm1.InputLen = 0

strBuff = MSComm1.Input

BytReceived() = strBuff

For i = 0 To UBound(BytReceived)

If Len(Hex(BytReceived(i))) = 1 Then

strData = strData & "0" & Hex(BytReceived(i)) & " " '如果只有一个字符，则前补0，如F显示0F，最后补空格

Else '方便显示观察如： 00 0F FE

strData = strData & Hex(BytReceived(i)) & " "

利用自定的通信协议，判断下位机发送来的数据是否为所需要的数据，并显示在界面上 If Left(str, 6) = "112233" Then

a1 = "&H" & Mid(str, 7, 2)

b1 = "&H" & Mid(str, 9, 2)

c1 = "&H" & Mid(str, 11, 2)

d1 = "&H" & Mid(str, 13, 2)

e1 = "&H" & Mid(str, 15, 2)

f1 = "&H" & Mid(str, 17, 2)

g1 = "&H" & Mid(str, 19, 2)

H1 = "&H" & Mid(str, 21, 2)

i1 = "&H" & Mid(str, 23, 2)

aaa = a1 * 10 + b1 + c1 * 0.1

bbb = d1 + e1 * 0.1 + f1 * 0.01

ccc = g1 * 10 + H1 + i1 * 0.1

Text1.Text = bbb

Text2.Text = aaa

Text3.Text = ccc

第四章 减法放大电路设计（DA转换）

4.1、需求概述

下位机程序已写好，可以成功的根据温度差输出占空比可变的PWM波，需要一个DA转换电路实现将PWM波转为稳定的电压来实现升温降温。

4.2、设计思想

我们选择了差分放大电路并在后面接上了低通滤波器来实现。在低通后面我还加上了一个跟随电路，这样就可以有效的解决阻抗匹配这一类的问题。仿真结果如下，在占空比=50时电压为-10mv接近于0，在占空比=99时电压为10.689V，在占空比=1时电压为-10.609V。这已经可以驱动电路进行制冷或加热。

4.3、原理图与仿真结果

原理图如图3.7所示

仿真结果如图 所示

图4.1 差分电路

图4.2 占空比为1时的电压显示

图4.3 占空比为50时电压显示

图4.4 占空比为99时 电压示数

4.4 调试与误差分析

在调试时，可能由于阻抗匹配的问题，导致空载电压与接入电路后的电压不等，所以在输出端加了一个跟随电路解决了阻抗匹配问题。

第五章 创新设计

5.1 PID算法

5.1.1 PID概述

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、„）。

5.1.2 设计流程

图5.1 PID算法流程图

先判断温差是否大于2，如若大于2℃则全速升温或降温，否则用设定好的PID算法对温度进行控制，使其平衡实现温度稳定。

5.1.3 算法分析

if(shuju20) { zkb=99; } else { e1=c-shuju;//温度差数 duk=(kp*(e1-e2)+ki*e1+kd*(e1-e2*2+e3))/10; uk=uk+duk; if(uk>100) { uk=100; } else if(uk

根据设定好的参数(e1,e2,e3,kp,ki,kd)，调节发出PWM波的占空比从而改变电压达到让温度稳定下来的目的。

在温差大于20度时，将占空比设为100即正向电压调至最大，让温度急速增加。在温度差小于等于20度时，进入PID稳定控制算法，经过设定好的算法运算控制PWM波形占空比的稳定，让其最终稳定在设定温度。

第六章 成果展示

本次系统联调时，踩了5组数据分别为0℃，20℃，40℃，60℃，70℃。 经PID系统稳定下来后，温度成功控制在1摄氏度以内。

图6.1 0℃

图6.2 20℃

图6.3 40℃

图6.4 60℃

图6.5 70℃