震荡天平恒温腔体控制设计毕业设计论文.docx
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震荡天平恒温腔体控制设计毕业设计论文
编号:
本科毕业论文(设计)
题目:
振荡天平腔体恒温控制设计
学生:
###学号:
###
学院:
物理与电子科学学院专业:
电子信息科学与技术
入学时间:
2009年9月1日
指导教师:
##职称:
副教授
完成日期:
2013年4月25日
诚信承诺
我谨在此承诺:
本人所写的毕业论文《振荡天平腔体恒温控制设计》均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担。
承诺人(签名):
年月日
振荡天平腔体恒温控制设计
摘要:
本文介绍了一种基于89C51单片机的振荡天平腔体恒温温度控制器的设计方案,该装置通过对振荡天平的腔体的温度测量调节加热装置,实现腔体恒温目的。
具体实现通过继电器来控制加热带的工作;测温探头采用高精度PT100温度传感器,构建测温电桥获取腔体温度的变化,运用程序来进行相关的温度控制处理;最后用单片机的P0口用液晶来显示温度。
整个系统软件采用C语言编写,用keil编程,用protues进行软硬件仿真,并给出仿真结果,仿真结束后就进行实物制作。
经调试温度控制系统能达到50±1℃。
关键词:
温度控制腔体温度转换液晶显示
Oscillationbalancecavitytemperaturecontroldesign
Abstract:
Thisarticledescribesan89C51microcontrollerbasedonoscillationbalancecavitythermostattemperaturecontrollerdesignofthedevicetoadjusttheheatingdevicemeasuredthetemperatureofthecavityoscillationbalancetoachievethepurposeoftemperatureofthecavity.Specificrelaytocontrolplustropical;temperatureprobeusinghigh-precisionPT100temperaturesensor,buildathetemperaturebridgeforchangesinthetemperatureofthecavity,theuseofprocedurestoberelatedtothetemperaturecontrolprocessing;thelastmicrocontrollerP0portwithLCDdisplaytemperature.TheentiresystemsoftwareusingClanguage,keilprogrammingbyprotueshardwareandsoftwaresimulationandsimulationresultsaregivenaftertheendofthesimulation,thephysicalproduction.Bydebuggingtemperaturecontrolsystemcanachieve50±1°C.
Keywords:
TemperaturecontrolchambertemperatureconversionLCD
1引言
1.1研究背景与意义
振荡天平是通过振荡法测量微小质量改变的设备,现广泛应用到PM10和PM2.5的监测中[1-3]。
也可以应用到结合微反研究过程的研究[4]。
振荡天平(TEOM)主要是利用空气通过PM2.5滤膜以后,大于100nm的颗粒沉积到滤膜上,滤膜的质量发生改变。
由于振荡锥的质量改变以后其共振频率也随之发生改变,我们就可以利用测量频率的变化来反推质量的改变[1]。
为了精确反映单位体积内的颗粒物的含量,就需要单位时间内通过滤膜的空气不仅要流量恒定而且要恒温,保持TEOM工作腔体的工作温度恒定是确保PM2.5等测量的先决条件。
1.2研究现状
利用自动控制技术控制仪器的温度应用和产品有很多种形式,这些应用也达到了相当高的精度。
工业控制领域,代宁光等利用PID算法对滚筒设备物料进行控制,精度达到了±2℃[5],姚庆文通过模糊控制的方法对锅炉温度进行调控达到了较好的效果[6],此外在工业领域中还广泛的应用到渗碳炉、恒温水(油)浴箱、塑料制件和马弗炉的温度控制中[8-11]。
温度控制用于家禽孵化也能提高家禽的孵化率,减少人工干预的程度[12]。
在精密科学仪器中,温度控制显得更为重要,贾方秀等激光测距仪的脉冲电流供电温度控制系统中的温控设计和吕飞等设计的基于ADN8831的温度控制系统能达到±0.01℃的控制精度[13,14]。
另外温度也可以广泛的应用医药等领域[15-17],并为这些仪器和产品的稳定工作作出最基本得保障。
研究温度控制问题,为准确控制温度,使振荡天平腔体保持恒温,针对传统法人工方式难以保证恒温,提出设计一种利用单片机的温度控制系统。
以89C51单片机为核心,结合Pt100对腔体进行在线控制,并采用软件控制算法对温度进行智能控制。
结果表明,系统温度控制精度达到了预期的设计目标,温度50±1℃,具有较高的控制精度。
1.3研究内容
本文研究课题为振荡天平中50℃恒温腔体的控制原理,通过Pt100采集模拟数据经ADC转换为数字数据后输入单片机中,编写程序使单片机控制继电器的通断,由于继电器和加热带连接,因此单片机最终控制的是加热带的温度,本文研究加热带的温度上升到50℃左右时的温度控制,通过不断的检测数据和不断的控制使加热带的温度最后精确到50±1℃。
2系统设计方案
2.1总体方案
图1:
系统原理图
温度采集装置把采集到的数据输入到数据处理装置,经过电桥和运放被处理的数据被输入到单片机中显示在显示屏上,同时单片机通过执行内部程序来控制加热装置。
2.2模块系统
2.2.1主控电路
图2:
主控电路
单片机接收来自AD转换器的的采集数据,然后把数据显示在液晶显示屏幕上,当温度远低于50摄氏度则单片机控制继电器继续给加热带加热,如果显示温度在50℃以上时继电器自动断开,数据采集、数据处理和单片机控制不停循环使得温度控制器的温度精确在50±2℃,实现了最初的温度设定的要求。
图中的复位电路是在检测时方便对电路的刷新;晶振提供单片机工作时所需的工作频率;排阻接在P0口是为了是P0口实现高低电平的功能;当VCC为+5V时,通过给三极管的高低电平控制三极管的通与断来控制继电器的开与闭,从而控制了加热装置的发热与降温;液晶显示用来显示被单片机处理后的数据,即加热带的测量温度。
2.2.2采集模块电路
图3:
采集模块电路
PT100采集值通过直流电桥的处理,经过可调减法放大器把微小的信号放大成合适的信号输送到单片机中。
图中的短路帽是为了即时断开电路,方便在焊接好电路后对电路性能的检测。
图中发光二极管是电路通与断的显示信号,当电路导通时二极管亮,当电路断开时二极管灭。
图中的LM358为运放芯片,通过外围的搭接电路是整体的运放电路放大到所需的倍数,又由于R4、R7为可调电阻,所以差分减法运放器为倍数可调放大器,通过调节可调电阻达到所需的最佳放大状态。
2.3系统硬件构成
图4:
实物的硬件构成
主控模块:
51单片机、复位电路、晶振电路、P0口的上拉电阻组成了单片机的最小系统,由最小系统扩展的外围电路继电器、ADC等组成了主控电路,负责对数据的显示处理以及对加热带的控制。
数据采集模块:
Pt100的直流电桥经过LM358组成的减法差分运算放大器转换成单片机处理数据所需的电压。
+5V电源:
使用7805稳压芯片制作的稳压电源。
3系统硬件电路设计
主控电路即MCU芯片外围电路,作为板卡的核心器件,实现了包括控制、
存储、算法等功能。
选用器件为STC89c52,对布板、焊接和调试等带来很大便利性。
内部还集成了8K字节存储模块。
图5:
主控电路
图5中P0口是12864液晶的接口插槽,P1口是数据采集输入接口,把数据输入到AD中处理,P2口和P3口分别表示对继电器的接口,且由此口控制加热带的升温与降温,电压源是9v;测温模块具有不同的测量模式,所以传感器具有多种接法,最常用的一种方式是三线制的接法,这种接法可以完全消除引线电阻,提高测量的精度,非常适合在系统精度的要求。
数据处理也主要是为了提高输入的阻抗提高带负载能力,从而提高了采样的精度。
ADC电路是模数转换的核心部分,成了采样保持和模数的转换的作用。
LCD电路比较简单,主要是起一些显示的作用。
图6:
信号处理电路
图6中R1、R5、R6、Pt100组成了直流电桥,Pt100采集的信息经过电桥的处理输入到LM358组成的差分放大器。
由于R4、R7、R2、R3构成LM358外围电路,且R4和R7为可调电阻,因此运放倍数由可调电阻调节到理想状态。
D1是发光二极管,用来显示电源是否通电,亮表示通电,灭表示断电。
图7:
+5V电源供给电路
图7的系统用来提供+5V电源,只使用了部分电路,其中7905稳压芯片用来提供+5V电源。
4软件设计
4.1整体系统的设计
图8:
系统流程图
系统的设计流程如图8所示,温度传感器采集腔体温度,采集的温度通过电桥和运放电路转化成温度数据显示在显示器上,如显示温度大于50摄氏度则单片机通过继电器控制加热带不工作,如果温度小于50摄氏度则单片机通过继电器控制加热带工作。
4.2控制系统的设计
图9:
控制系统流程图
4.3显示系统的的设计
图10:
显示系统流程图
先把显示系统先初始化,再通过单片机中的定时器给刷屏定时,即每隔多少时间刷一次屏幕,然后把转换后的检测的数据输入到单片机中显示出来,以后就是进行不断的刷屏,而每一次刷屏重新显示的数据就是每一次新采集的数据,随时的把采集的数据显示在显示屏中,由于定时时间极短所以我们肉眼看不到屏幕在跳动,最终显示的即时采集的数据。
显示界面如图11所示。
4.3.1液晶显示界面图
图11:
显示界面图
液晶采用的是12864液晶显示,第一行显示的“阜阳师范学院”和第二行显示的“temperctrl”以及第四行现实的“Htemp:
+50.0”在程序中设定的固定显示数值,其中第四行的是设定的振荡天平腔体温度,以便观察,当及时采集温度高于50摄氏度则加热带停止工作,当及时采集温度低于50摄氏度则加热带开始工作,第三行显示的是及时采集的温度,当腔体温度控制器插电工作时,第三行显示的是即时测量的温度。
整体显示图如11所示。
5系统硬件调试
5.1系统硬件调试
通过温度传感器逐次的测量腔体温度并记录下来,分三次记录,第一次每隔15秒记录一次,得到一组数据绘成曲线图,如图12所示;第二次每隔10秒记录一次数据得到一组数据绘成曲线图,如图13所示;每隔5秒一次的数据如图14所示。
通过曲线可知当温度没有达到50摄氏度时曲线的斜率近似不变,当温度达到50摄氏度左右时就在50摄氏度左右上下浮动。
振荡天平腔体温度曲线图:
图12:
间隔15秒温度变化曲线
图13:
间隔10秒温度变化曲线
图14:
间隔5秒温度变化曲线
通过给所有模块供电则腔体温度控制器开始工作,腔体温度从室温开始逐渐上升直到,第一次每隔15秒记录腔体的温度,最终的温度曲线如图12所示,由图可知每隔15s记录一次的数据图稳定性不好,在1-13横坐标内曲线斜率近乎不变,此后的时间内,温度在50摄氏度左右具有较大的幅度,控温精度较低。
第二次每隔10s开始测量并记录数据,由图13可知在1-15的横坐标内曲线的斜率近似不变,在此后的时间内,相对比于图12,图13的温度在50摄氏度左右具有较小的浮动,精度有所提升。
第三次是每隔5s记录一次腔体温度,由图14可知当温度高于50℃时,温控装置停止加热,当温度低于50℃时温控装置继续加热。
在1-31的横坐标的时间内曲线的斜率近似稳定,此后的时间内曲线是上下浮动的,最终温度被控制在50±1℃的范围。
精度达到了最初的要求。
6总结与展望
本文研究了振荡天平腔体的恒温控制设计,整个系统的工作原理是:
温度传感器采集温度数据输入到数据处理电路中进行处理,即把Pt100的阻值变化转换成电压信号的变化,此微弱信号又直流电桥输入到差分运算放大器中进行放大到所需的电信号,然后电信号传送到单片机中转换成温度信号,当检测到的腔体温度高于设定温度时则加热装置停止加热,当检测到的腔体温度低于设定温度时则加热装置继续加热,最终是的振荡天平的腔体的实际温度在设定值左右上下浮动,即达到了预期所需的要求。
本恒温腔体的控制精度为50±1℃,精度没有控制在小数位以内,这其中的原因不仅是因为温度传感器的精度低以及电路的电气性能的误差,例如电阻阻值的误差、电容值的误差、电桥的设计和运放电路的误差,而且是由于本设计的程序没有使用PID算法去处理控制结果,这些各种类型的误差造成了本设计的控制精度为50±1℃。
以后在设计电路时,尽量使用高精度的元器件,同时在设计电桥、运放等电路时要选择好调节好参数,以便把对精度的影响控制到最小,在以后的时间里还要学会PID算法的使用。
避免了这些因素的影响,恒温腔体的温度变化精度可控制在5±1℃以内。
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附录A:
源程序
/*******************************************************************************
*温度控制器
元器件:
TLC2543ADC+12864液晶+PT100温度传感器
********************************************************************************/
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
floatn=0,k=0,s1=0,s2=0,s3=0;
uintz;
uchare0,e1,e2,e3,f0,f1,f2,f3;
uchari;
sbitctrl=P2^0;
/*************12864LCD引脚定义*******************
#defineLCD_dataP0//数据口
sbitLCD_RS=P2^6;//寄存器选择输入
sbitLCD_RW=P2^5;//液晶读/写控制
sbitLCD_EN=P2^7;//液晶使能控制
sbitLCD_PSB=P3^2;//串/并方式控制
sbitLCD_RST=P3^7;//液晶复位端口
*************************************************/
#defineLCD_dataP0
sbitLCD_RS=P2^6;
sbitLCD_RW=P2^5;
sbitLCD_EN=P2^7;
sbitLCD_PSB=P3^2;
sbitLCD_RST=P3^7;
/*************TLC2543引脚定义*************/
sbitADout=P1^0;
sbitADin=P1^1;
sbitCS=P1^2;
sbitCLK=P1^3;
sbitEOC=P1^4;
/**************************/
voiddelay_1ms(uintx);
voidwrite_cmd(ucharcmd);
voidwrite_dat(uchardat);
voidlcd_pos(ucharX,ucharY);
voidlcd1_init();
voidL12864_write_bignum(charx,chary,intaaa);
voidwright_string(unsignedcharX,unsignedcharY,char*s);
ucharcodenum[]={"0123456789"};
/**********************************
延时函数
**********************************/
voiddelay_1ms(uintx)
{
uinti,j;
for(j=0;j<10*x;j++)
for(i=0;i<110;i++);
}
voiddelay(intms)
{
while(ms--)
{
uchari;
for(i=0;i<150;i++)
{
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
}
}
}
/********************************
写命令
********************************/
voidwrite_cmd(ucharcmd)
{
LCD_RS=0;
LCD_RW=0;
LCD_EN=0;
P0=cmd;
delay_1ms
(1);
LCD_EN=1;
delay_1ms
(1);
LCD_EN=0;
}
/************************************
写数据
************************************/
voidwrite_dat(uchardat)
{
LCD_RS=1;
LCD_RW=0;
LCD_EN=0;
P0=dat;
delay_1ms
(1);
LCD_EN=1;
delay_1ms
(1);
LCD_EN=0;
}
/*************************************
写位置
**************************************/
voidlcd_pos(ucharX,ucharY)
{
ucharpos;
if(X==0)
{X=0x80;}
elseif(X==1)
{X=0X90;}
elseif(X==2)
{X=0X88;}
elseif(X==3)
{X=0X98;}
if(X==0)
{X=0x80;}
elseif(X==1)
{X=0X91;}
elseif(X==2)
{X=0X8A;}
elseif(X==3)
{X=0X9B;}
pos=X+Y;
write_cmd(pos);
}
/**********************************
LCD初始化
***********************************/
voidlcd1_init()
{
LCD_PSB=1;
write_cmd(0x30);
delay_1ms
(1);
write_cmd(0x06);
delay_1ms
(1);
write_cmd(0x0C);
delay_1ms
(1);
write_cmd(0x01);
delay_1ms
(1);
}
/************************************************
写大数据
*************************************************/
voidL12864_write_bignum(charx,chary,intaaa)
{
if(x>=0)
lcd_pos(x,y);
write_dat('');
if(aaa>0)write_dat('+');
if(aaa<0)
{
write_dat('-');
aaa=0-aaa;
}
if(aaa>=1000000)
{
write_dat(num[(aaa/1000000%10)]);
write_dat(num[(aaa/100000%10)]);
write_dat(num[(aaa/10000%10)])
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