关键字 |
| 温度控制，RTD，热电偶，信号调节，PIC16F876A， |
介绍 |
| 过程控制是提高过程运行、工厂生产力和产品质量的有效表现。如今，对精确温度控制的需求已经征服了许多工业领域，如过程热，测高工业，这些工业中工厂仪器和过程的温度是维持的。为了满足这种需求，我们应该推广合适的控制策略。在过去，对不同类型的过程的温度控制进行了广泛的研究。本文设计了一种基于PIC单片机的铸造过程温度控制系统。该系统采用PIC 16F876A单片机设计并实现。提出了炉温测量与控制的设计体系结构。研究了基于PIC控制器的设计技术和控制策略。微控制器更加可靠和高效[2]。单片机在嵌入式设计中的应用不仅增加了，而且带来了革命性的变化。 At the same time competitive pressure require manufactures to expand their product functionality and provide differentiation while maintaining or reducing the cost [3]. |
相关工作 |
| 在[4]中，作者描述了在工业中对温度进行准确的监测和控制是非常必要的，开发数据记录仪是解决这一问题的有效方法。以前是用温度计和压力计手动完成的。自1990年以来，随着人们开始创建基于PC的数据日志系统，数据日志又发生了另一个发展。在[5]中，作者描述了一种在单片可编程系统中编写的单片机嵌入式温度控制器的设计:混合阵列逻辑由模拟、数字和数字通信块组成。紧凑的设计允许用户通过其虚拟仪器程序选择任何类型的控制功能。本设计可直接与pc机连接。本文介绍了基于web的分布式测控系统，采用可编程1线数字温度传感器DS18B20，采用嵌入式系统作为现场处理单元。采用B/S应用模式。采用嵌入式web设计了一个远程温度测控系统。 |
动机 |
| 所提出的工作的目的是简单，低成本和工业和实验室的需求。这样的设计有效地减少了人类在一个行业的直接参与，特别是在高温环境下的钢铁行业，化学实验室，从而反过来可以节省电力，这是本工作的主要特点。 |
实验设置 |
| 实验框图如图1所示。嵌入式温度控制器设计的硬件和软件描述如下: |
| 上图是采用PIC 16F876A单片机的温度控制系统的基本框图。电路的电源由IC 7805, 7812, 7819和LM317调节，并提供给机组的不同部分。系统使用的温度传感器为Pt-100 RTD。单片机PIC16F876a内置A/D转换器，从传感器读取温度。系统中使用的信号调理电路，在信号被传送到微控制器之前对其进行适当的处理。温度数据与设定的温度进行比较，并在单片机内部按照程序进行处理，产生使继电器开或关的信号。 |
| 该装置可有效地用于工业和实验室的温度测量和控制，各部分电路的功能将在以下部分进行说明; |
| A.硬件描述 |
| 整个实验电路分为以下部分: |
| 1)电源:稳压电源部分采用稳压IC 7805、7812、7912、LM317全波桥式整流器设计制作，分别提供5v、12v、-12v、+2.5v恒压。这些电压被分配给系统的不同单元。 |
| 2) Pt-100电阻温度检测器(RTD): RTD是用于测量温度的传感器，RTD元件的电阻与温度相关。RTD元件由纯材料制成，通常是铂、镍或铜。随着温度的变化，元件材料的电阻有可预测的变化。正是这个可预测的变化被用来确定温度[7][8]。铂是RTD的最佳金属，因为它遵循一个非常线性的电阻温度关系，它遵循R Vs T关系在一个很宽的温度范围内以高度可重复的方式。它测量的温度范围为-272.5℃至761.78℃。纯铂具有电阻温度系数(α)，其值为0,00385Ω/Ω/ oc在0 ~ 100 oc范围内[9]。使用铂RTD的优点是精度高，漂移低，工作范围宽，精度应用稳定。 |
| 3)信号调理电路:系统设计的重点是采用白金rtd的电路方案。RTD的线性度将与用于提高元件的货架线性度的标准公式一起给出。 |
| 4) RTD电流激励电路:为获得最佳线性度，RTD传感元件需要稳定的电流参考激励。其实现方式如图2所示。在这个电路中，一个参考电压和两个运算放大器用来产生一个1毫安的浮动电流。 |
| 具体工作如下: |
| 运算放大器A1 (U1-A)和电阻R1到R4用于差分放大器，差分增益(GA1)为1v/v。差分放大器的输入端采用2.5v的精密参考电压。运算放大器A2 (U1-B)的输出作为差分放大器的参考电压。A1输出端的电压如下式1所示; |
| VoutA1= V裁判GA1+ Vout2---------------- ( 1) |
| 在那里; |
| VoutA1=一个1输出电压 |
| Vout2=一个2输出电压 |
| V裁判=输入时的参考电压 |
| GA1= 1 v / v |
| 假设 |
| Vout2= V2， R7= R裁判 |
| 我们得到, |
| VRREF= VOUTA1- v2 |
| VRREF= V裁判 |
| 在那里; |
| V2A点电压2的输入 |
| VRREF= RREF上的电压 |
| 用于RTD组件(rrf)偏置的电流是恒定的，与电压V2无关， |
| 我RREF= VRREF/ R裁判 |
| 马IRREF = 1 |
| 5) RTD信号调节电路:电流激励电路激励RTD元件。通过调节RREF将电流源的大小减小到1mA以下。RTD信号调理路径如下图3和图4所示。 |
| RTD元件上的压降由A3 (U1-C)感知，然后由A4 (U1-D)获取和滤波。在此电路中选择了3线RTD元件。该配置最小化由于导线电阻和导线电阻漂移超过温度的误差。在此电路中，RTD元件在0℃时等于100Ω。如果RTD用于测量-200℃至600℃范围内的温度。RTD产生的电阻在18.5Ω和313.7Ω之间，RTD的电压在18.5mv和313.7mv[10]之间。 |
| 用运算放大器A3从信号中减去由导线电阻造成的误差。A3输出端的电压信号用A4创建的二阶滤波器进行滤波。它降低了噪声，防止高频信号的混叠。该滤波器使用专门为高增益[11]设计的萨伦键拓扑结构。由C1和C3组成的电容分压器提高了滤波器对元件变化的灵敏度。电压A4的输出名义上在0.138v到2.343v之间，小于VREF (2.5v)。输出给微控制器。 |
| 完整的信号调理电路如图5所示; |
| 6)控制器部分:温度的模拟值交给内置A/D转换器的PIC16F876A单片机。信号在控制器内部进行处理，并传递给显示部分和继电器。 |
| 7)显示部分:由于必须显示从微控制器记录的数据，所以使用液晶显示器。 |
| 8)继电器:单片机的输出也是通过ULN2003A驱动器传给继电器。继电器保持关闭，直到测量温度达到设定值。当它超过设定值温度时，它就会打开。 |
| 系统完整电路设计如下图6所示; |
| B.软件说明 |
| 本工作的软件描述为轮廓监控，采用C语言汇编语言开发。 |
测试和结果 |
| 当制作过程完成，所有组件都已安装完毕。进行了硬件测试。发现所有电路工作正常、完善，元件之间没有松动连接。 |
| 后来用标准仪器进行了应用测试。测试结果在校准前和校准后列于表1和表2。UUC表示正在校准的设备。实测值与标准值之间的曲线图分别如图7和图8所示。 |
| 这些图表明，测量值的读数与标准值几乎相同。温度读数的较低范围侧是和它们在较高范围内的轻微偏差。 |
结论 |
| 本文设计了一种简单、低成本的嵌入式温度控制器系统。传感器元件采用Pt-100 RTD。测量结果表明，该方法响应线性，精度高。该系统还可以进一步加强对多传感器设计的开发，使传感器可以根据不同的要求和温度范围进行选择。此外，还可以通过设置远程传感器对热源温度进行自动控制，使系统能在设定温度时自动调节。 |
表格一览 |
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| 表1 |
表2 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- 博格丹·勒瓦尔达和克里斯汀·布达修。，“The Design of temperature Control System Using PIC 18F4620”, Proc.ICSTC 2010, 282-286, 2010.
- a .戈斯瓦米，T.贝兹博鲁，T。和K.C.Sarma， .，“用于监测和控制光强度的嵌入式系统的设计和实现”，2008年7月14-17日在美国内华达州拉斯维加斯举行的2008年嵌入式系统与应用国际会议进程，Vol.-ESA 2008，第117-123页。
- a.戈斯瓦米，T.贝兹博鲁，K.C.萨尔玛。，“An Embedded Design for Automatic Temperature Controller”, International Journal of advanced Engineering and Application, Jan 2011.
- a .戈斯瓦米，T.贝兹博鲁，T。K.C.Sarma,。，“Design of an embedded system for monitoring and controlling temperature”, Proceeding ofInternational Conference on emerging technologies and applications in engineering, technology and science during 13th-14th January ,2008,Rajkot, Gujarat, India, Vol.1, pp., 105-110.
- J. Jayapandian和Usha Rani Ravi。，“An Embedded Single Chip Temperature Controller Design”, J. Instrum. Society, India, 39(1), 50-54.
- LiminCai。“基于嵌入式Web的温度测控系统”，《计算机与信息科学》第2卷第1期。2009年5月2日。
- “rtd常见问题”，检索日期:2009-09-18。
- “传感器技术传感器”，检索日期:2009-09-18。
- http: / www.instrumentation sensor.net/hand-held-thermometers.php。
- an687，“RTD电路的精密温度传感”，邦妮。C.贝克，微芯片技术公司
- Kumen布莱克。，“Transmit Filter Handles ADSL Modern task”, Electronics design, June 1999.
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