畢業設計恒溫箱溫度控制(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 /VPD）引入，當電源發生故障，電壓降低到下限值時，備用電源經此端向內部 RAM 提供電壓，以保護內部 RAM 中的信息不丟失。 溫度檢測 這部分包括溫度傳感器、變速器和 A/D 轉換三部分。 溫度傳感器和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍及精度等級有關。 A/D 轉換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。 溫度傳感器 （ 1）溫度傳感器的含義 傳感器，從廣義上講，就是能感知外界信息并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。 它由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成，有的半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器。敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來講，可分為①物理類，基于力、熱、光、電、磁 和聲等物理效應。②化學類，基于化學反應的原理。③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣 敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將傳感器分 46 類）。 溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導體熱敏電阻等。以半導體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內，半導體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特 點，而且制造工藝簡單、價格低廉。 （ 2） 溫度傳感器產品的分類 目前，溫度傳感器沒有統一的分類方法。其中， 按輸出量分類有模擬式溫度傳感器和數字式溫度傳感器。 按測溫方式分類有接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器。 按類型分類有分立式溫度傳感器（含敏感元件）、模擬集成溫度傳感器和智能溫度傳感器（即數字溫度傳感器）。 模擬式溫度傳感器輸出的是隨溫度變化的模擬量信號。其特點是輸出響應速度較快，和 CPU（微處理器）接口較復雜。數字式溫度傳感器輸出的是隨溫度變化的數字量，同模擬輸出相比，它輸出速度響應較慢，但 容易與 CPU 接口。 （ 3）選擇傳感器的總原則 傳感器作為單片機測控系統前向通道的關鍵部件，在選擇傳感器時應考慮以下幾個方面： 北 華 化航天工業學院畢業論文 15 由被測對象的特點和傳感器的使用條件綜合考慮以下一些具體問題： ?傳感器的量程； ? 被測位置對傳感器體積的要求； ? 測量方式為接觸式還是非接觸式；④傳感器信號的引出是有線還是無線；⑤使購買傳感器還是自行研制傳感器以及價格因素等。 在綜合考慮以上因素之后就能確定選擇何種傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 通常情況下，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為靈敏度越高，與被測量變化相對應的輸出信號的值越大，有利于信號處理。但是，傳感器的靈敏度越高，與被測量無關的的外界噪聲越容易混入，噪聲被放大系統放大后會影像測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。 另外某些傳感器的靈敏度是具有方向性的。當被測量是單向量，而且對方向性要求較高，則應選擇其他方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 傳感 器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，傳感器的頻率響應好，可測的信號頻率范圍就越寬，傳感器的輸出信號必須在允許的頻率范圍內保持不失真，實際上傳感器的響應總有一定的延遲，希望延遲時間越短越好。 傳感器的線性范圍是指輸出信號與輸入量成正比的范圍。從理論上講，在此范圍內靈敏度應保持定值。傳感器的線性范圍越寬，其量程越大，并且能保證一定的精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定之后首先要看其量程是否滿足要求。實際上任何傳感器都不能保持絕對的線性，其線性度也是相對的。 傳感器使用一定時 間以后，其性能保持不變話的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環境。因此，要是傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環境適應能力。 精度是傳感器一個重要的性能指標，它是關系到整個測控系統測量精度的一個重要指標。傳感器的精度越高，其價格就越昂貴。因此，傳感器的精度越高只要能滿足整個測控系統的要求就行了，不必選的過高。這樣就可以能在滿足在滿足統一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的的傳感器。 （ 3） 溫度傳感器的選擇 不同的傳感器具有不同 的應用場合，由于在溫度測控系統中，傳感器事前向通道的關鍵部件，因此選擇合適的傳感器是非常重要的。選擇的原則要考慮溫度范圍、溫控精北 華 化航天工業學院畢業論文 16 度、測溫場合、價格等級方面的因素。 如果被測溫度較高，一般可選擇熱電偶式或輻射式溫度傳感器；對于常溫區域的溫度測量，如果要求精度較高，已選擇集成溫度傳感器；如果要求精度不高，宜選擇熱敏電阻溫度傳感器；如果要求對對被測溫度能快速反應，則應選擇時間常數小的溫度傳感器；若被測環境具有較強腐蝕性，則選擇的傳感器就要考慮能耐何種腐蝕，必要時要對傳感器進行一定的耐腐蝕封裝。 總之， 傳感器的選擇要與溫度測控系統的要求相適應，除此之外再考慮成本。在滿足要求的前提下，盡可能選擇成本較低的傳感器。 綜上，因此選擇型號為 WZB— 003，分度號為 BA2的鉑熱電阻適用于 0℃～ 500℃的溫度測量范圍，其可以滿足本系統的要求。 （ 4） 鉑熱電阻溫度傳感器 鉑熱電阻溫度傳感器是利用熱電阻溫度系數隨溫度變化的特性而制成的溫度傳感器，其電阻值具有隨溫度升高而增大的特性。其特點是：精度高，穩定性好、重復性好、溫度系數高。 因此，它是目前制造熱電阻溫度傳感器最理想的材料，可用作標準電阻溫度計，被廣泛應用于作為 溫度的基準。 常用標準鉑電阻溫度傳感器的特性：鉑的純度常以 R100/R0 來表達，通常用 W（ 100）來表示，一般溫度測控系統中常用的鉑電阻的 W（ 100）不得小于 。 BA2 鉑熱電阻特性： R0=； R100/R0=+()。精度等級為 2 級； R0允許的誤 差為 % ～ +%； 最大允 許誤差 ： (0℃～ 500℃ )+*103t～++*103t。 變送器 變送器將電阻信號轉換成與溫度成正比的電壓， 由毫伏變送器和電流 /電壓變送器組成 ：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的 變換成 4mA20mA 的電流；電流 /電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的 4mA20mA 電流變換成 05V的電壓。 為了提高測量精度，變送器可以進行零點遷移。例如：若溫度測量范圍為500℃ 1000℃ ，則熱電偶輸出為 ，毫伏變送器零點遷移后輸出 4mA20mA范圍電流。這樣，采用 8 位 A/D 轉換器就可使量化溫度達到 ℃ 以內 ,當溫度在 0℃~500℃時變送器輸出 0~ V 左右的電壓。 在此，變送器將電阻信號轉換成與溫度成正 比的電壓，當溫度在 0℃ ~500℃時變送器輸出 0～ V 左右的電壓。 北 華 化航天工業學院畢業論文 17 A/D 轉換器 （ 1） A/D 轉換器的作用 A/D 轉換器用于實現模擬量到數字量的轉換， 即 將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。 由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。 （ 2） A/D 轉換器的主要技術指標 ① 轉換時間和轉換速率 轉換時間是 A/D 完成一 次轉換所需要的時間。轉換時間的倒數為轉換速率。 ② 分辨率 A/D 轉換器的分辨率習慣上用輸出二進制位數或 BCD碼位數表示 量化過程引起的誤差為量化誤差。量化誤差是由于 有限位數字量對模擬量進行量化而引起的誤差。量化誤差理論上規定為一個單位分辨率的 +1/2LSB,提高分辨率可減小量化誤差。 ③ 轉換精度 A/D 轉換器的轉換精度定義為一個實際 A/D 轉換器與一個理想 A/D轉換器在量化值上的誤差。可用絕對誤差或相對誤差表示 A/D 轉換器最重要的參數是轉換的精度，通常用輸出的數字信號的位數的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數字信號的位數越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好 。 （ 3） A/D 轉換器的分類 A/D 轉換器的種類很多， 按轉換原理可分為 4 種，即技術式 A/D 轉換器、雙積分式A/D 轉換器、逐次逼近式 A/D 轉換器和并行式 A/D 轉換器。 目前最常用的是雙積分式 A/D 轉換器和逐次逼近式 A/D 轉換器。雙積分式 A/D 轉換器的主要優點是轉換精度高，抗干擾性能好，價格便宜。其缺點是轉換速度較慢，因此，這種轉換器主要用于速度要求不高的場合。另一種常用的 A/D 轉換器是逐次逼近式的 ，逐次逼近式 A/D 轉換器是一種速度較快，精度較高的轉換器，其轉換時間大約在幾微秒到幾百微秒之間。通常使用的逐次逼近式 A/D 轉換器芯片有 1） ADC0801—— ADC0805 型八位 MOS 型 A/D 轉換器（美國國家半導體公司產品）。它是目前流行的中速廉價型產品，偏內有三態數據輸出鎖存器，但通道輸入，轉換時間約100 毫秒左右。 2） ADC0808/0809 型八位 MOS 型 A/D 轉換器。它可實現 8 路模擬信號的分時采集，片內有 8 路模擬選通開關，以及相應的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉換時間為 100 毫秒右。 3） ADC0816/0817。這類產品除輸入通道數增加至 16 個外，其他性能與 ADC0808/0809北 華 化航天工業學院畢業論文 18 型基本相同。 （ 4） A/D 轉換器的選擇 A/D 轉換器的選擇原則如下： ① 根據前向通道的總誤差，選擇 A/D 轉換器精度及分辨力。應將綜合精度在各個環節上進行分配，已確定對 A/D轉換精度的要求，據此確定 A/D 轉換器的位數。 ② 根據信號對象的變化率及轉換精度的要求，確定 A/D 轉換器的速度，以保證系統的實時要求。 ③ 根據環境條件選擇 A/D 轉換芯片的一些環境參數要求，如工作溫度、功耗、可靠性等指標。 ④ 根據計算機接口特征， 考慮如何選擇 A/D 轉換器的輸出狀態。 A/D 轉換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。本系統要求溫度控制誤差≤177。 2℃，采用 8位 A/D 轉換器，其最大量化誤差為177。 1／ 2（ 1/250*500℃） =177。 1℃，完全能夠滿足精度要求。這里我們采用 ADC0809 作為 A/D 轉換器。電路設計好后，調整變送器的輸出，使 0℃～ 500℃的溫度變化對應于 0～ V的輸出，則 A/D轉換對應的數字量為 00H～ FAH，即 0～ 250，則轉換結果乘以 2 正好是溫度值。用這種方法一方面可以減少標度轉換的工作量，另一方面還可以避免標度轉換帶來的計 算誤差。 （ 5） ADC0809 的內部結構 及轉換原理 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 轉換器， CMOS 工藝。 0809 是采用逐次比較的方法完成 A/D 轉換的。由單一的 +5V 電源供電。片內帶有鎖存功能的 8 路選 1 的模擬開關 ，由 C、 B、 A 的編碼來決定所選的通道。 0809 完成一次轉換需 100微秒左右，輸出具有 TTL 三態鎖存緩沖器，可直接連到 MCS51 的數據總線上。通過適當的外接電路， 0809 可對 05V 的模擬信號進行轉換 。 ADC0809 的內部邏輯結構如圖 6 所示。 北 華 化航天工業學院畢業論文 19 圖 46 ADC0809的內部邏輯結構 如圖 6 中 所示 ，多路開關可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用一個A/D 轉換器進行轉換。地址鎖存于譯碼電路完成對 A、 B、 C 三個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，如表 43 所示。 表 43 通道選擇表 C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 北 華 化航天工業學院畢業論文 20 8位 A/D 轉換器是 逐次逼近式，由控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關以及256R 電阻階梯網絡等組成。 輸出鎖存器用于存放和輸出轉換得到的數字量。 （ 6） A/D0809 信號引腳 介紹 ADC0809 芯片為 28 引腳雙列直插是封裝，其引腳排列見 圖 47： 對 ADC0809 主要信號引腳的功能說明如下 : ① IN7～ IN0:模擬量 輸入 通道。 ADC0809 對輸入 模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍 0～ 5V，若信號過小還需進行放大。另外， 在 A/D 轉換過程中模擬量輸入的值不應變化太快，因此，對變化速度快的模擬量，在輸入前應增加采樣保持電路。 ② A、 B、 C：地址線。 A 為地位地址， C 為高位地址，用于對模擬通道進行選擇。上圖中為 ADDA、 ADDB