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1、基于温度控制系统的传感器环节作 者 姓 名：指 导 教 师：学 院 专 业：信息学院 自动化班 级 学 号：1109 20113648课程设计（论文）任务书课程设计（论文）题目：基于温度控制系统的传感器环节课程设计要求及分析：设计要求：分析反馈环节，并应用Multisim软件实现炉温计算机仿真。要求分析：查阅相关资料，与实际仪器相结合，分析硬件之间的关系。理论作为依据，研究并分析反馈环节的工作原理与工作方式。掌握每个元件的作用。课程设计(论文)的基本内容：针对炉温控制的工艺要求，分析原始温度控制系统的设计方案，研究反馈环节内部元件，掌握温度控制系统的工作方式。在整个课程设计中完成以下任务：(1
2、) 查阅相关资料，了解计算机控制系统，并对反馈环节做出分析与改善以及提出方案；(2) 进行方案可行性论证，并收集相关的技术参数；(3)根据课题要求制定合理的系统方案；(4)总结研究成果，撰写论文。摘 要目 录1温度控制系统1.1温度控制系统简介温度控制系统的是基于计算机控制的基础上进行具体改善。典型计算机控制系统结构如图1-1。计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。图1-1 计算机控制系统典型结构图本次
3、课程设计所用的仪器为温度控制装置。实现对烤箱的温度控制。在计算机基本原理的基础上。应用智能调压器对部分模块进行供电。智能调压模块控制端链接一个1-5V的控制电压来控制智能调压模块。在课程设计中，我们主要研究反馈环节。被控对象为烤箱内的温度。烤箱内接PT100进行检测，输出为一个电压信号，通过运算放大将信号变为0-5V并且送入到板口上的A/D转换器中进行计算机控制。1.2温度控制系统组成通过分析得出，此系统为闭环控制系统。温度控制系统的组成分为硬件和软件两个方面。根据上图结合实际情况进行分析，温度控制系统的硬件包含以下3个部分（1） 过程装置。包括被控对象、执行机构和测量变送装置。（2） 输入输
4、出通道。包括过程通道和总线接口。（3） 计算机系统。包括计算机和外部设备。根据实际情况，此系统的软件包括组态王和Matlab以及Mulsitim。1.3温度控制系统的工作方式电阻炉炉温计算机控制系统如图1-2图1-2 炉温计算机控制系统 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），在经变送器变成标准信号（1-5V）从现场进入控制室，经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的给定温度比较，得到偏差信号。该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，在经过D/A将该数字量控制信号转换成模拟量。控制信号模拟量
5、作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流220V电压进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的。电鱼两端电压的高低决定了电阻的加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。2传感器2.1传感器简介传感器部分为测量变送装置。测量由热电阻pt100进行测量。变送环节由芯片INA125进行转换，将电压信号转换为0-5V。在通过ADC将信号送入到计算机。2.2传感器组成如图2-1，可以清楚的看出，传感器主要由PT100和INA125组成。图2-1 传感器元件图2.2.1热电阻PT100pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。pt100温度传感器是一种将温度变量
6、转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。PT100温度分布表如图2-2所示。图2-2 PT100温度分布表2.2.2放大器INA125INA125是一个低功耗，高精度仪表放大器。具有精密基准电压特性。他提供了完整桥式励磁和精密级别不同的输出，并且放大在单一集成电路。其结构图如图2-3。图2-3 I
7、NA125结构图其内部具有桥式电路，其作用是提高精度等级。使得芯片的规格VS=15V或VS=+5V。在上图13、14、15端口接入时，相当于接入不同的上拉电阻。2.3传感器的工作原理测量变送的第一个过程是检测被控对象，也就是检测温度的变化。需要用到的仪器为PT100温度传感器。而ina125主要起运算放大作用，在这里不做具体研究。下面为大家介绍PT100的工作原理。当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。铂热电阻的温度特性.在0850范围内Rt=R0(1+At+Bt2)在-20
8、00范围内Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3式中A,B,C的系数各为:A=3.9080210-3-1B=-5.80210-7-2C=-4.2735010-12-4由于高次项的系数比较小，可以忽略不计。故我们把实际的PT100测温曲线看作为线性关系。得到下图2-4。 图2-4 pt100温度曲线图3对传感器硬件部分进行仿真3.1分析设计电路图如图2-1，我们对传感器硬件部分进行分析。温度由PT100温度传感器进行传输，传输到电路板上。而电路板上的元件主要以INA125为核心进行设计。其构造组成为：pt100（Z20），电源（Z24），ADC（Z22),电容（C21,C20),电阻(
9、R23），电位计（P20,P21) 。根据电路设计工艺要求，设计出如图3-1的电路图。图3-1 温度测量电路电路图INA125为一个运算放大器。.根据温度测量电路图分析就会方便很多。运算放大器的输入为PT100的测量值的电压信号。需要加入R23作为上拉电阻。可以对输出信号做一个精准的矫正，通过放大器INA125，则输出为0-5V电压传输到A/D转换器上。3.2 操作方法首先要做的是调0，获得0摄氏度时对应的PT100的电阻值。用等效电阻接入电路。由于Vin=Vin（+）-Vin(-),调节P20，根据P20的分压原则，调到50%的位置上，使得Vin-=Vin+。即可得到0摄氏度时输出对应的为0
10、V输出。其次调节200摄氏度。200摄氏度时，Vin-已经确定，此时Vin=Vin（+）-Vin(-)，通过调节P21，调节放大倍数，使得输出Vout=5V，即，200摄氏度对应5V。在实际情况中，由于曲线实际具有非线性，故需要在每一个温度时调节一次P21。但是由于PT100的温度计算公式中，高次项的系数比较小，在此，我们将温度曲线看作是一条线性的直线。取多个点进行拟合后获得此直线。进而得出温度和电压的大致对应关系。1V-40摄氏度。3.3 仿真验证经过了上述分析过程和设计方案，我们应用了Mulsitim对方案进行仿真，验证设计的正确性。3.3.1对温度测量电路进行仿真由上图得出，在P20为5
11、0%时，对应的0摄氏度输出为0V.由上图得出，在P21为76.5%时，对应的200摄氏度输出为-5V.3.3.2对加温控制装置进行仿真由上图得出，在P24为57%时，P22为78%时，对应的输入为0V输出为1V.由上图得出，在P24为57%时，P22为78%时，对应的输入为5V输出为5V.由上图得出，在P24为57%时，P22为78%时，对应的输入为2V输出为2.6V.4所得结论及改进4.1所得结论通过进行仿真实验，对所设计的方案得出一下结论：（1） 温度控制装置基本符合线性关系。（2） 加温控制装置符合Y=0.8X+1的关系。4.2方案的改进如图2-1，此方案用的元件较少，但是能够满足温度控
12、制和加温控制系统的工艺需求。在有限的电路板上，做出最少的元件组合。从经济和空间方面上具有很大的优势。所以，我们组认为此方案目前为最优，暂时不需要很大的改进。5自我总结通过本次课程设计，可以认识到自己的不足，在硬件方面自己还不是特别理解每一个部分的用意。具体为每一个器件之间的链接会产生什么作用，为什么要用这个型号的芯片而不用其他的型号芯片。在软件方面自己掌握Mulitisim的程度还不是很强，有待提高。同样，我也获得了收获。我们原来实验都是软件方面，从来没有硬件方面。在课程设计，老师出了硬件的题，给了我们一个很好的平台。虽然这第一步迈的很困难，但是很充实。最后，要感谢老师这几天一直在实验室。遇到什么问题能够及时的问老师。老师的负责也给我们很大的榜样的力量，当然也督促了我们的进度。谢谢老师的谆谆教诲。6参考文献1 施 仁,刘文江.自动化仪表与过程控制M.北京:电子工业出版社,2003.2 卢 木,魏华胜.检测与控制工程基础M.北京:机械工业出版社,2001.3 姜忠良陈秀云.温度的测量与控制M.北京:清华大学出版社,2005
