3943.水温控制系统

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1、水温控制系统摘要：本水温控制系统采用PT100高精度热电阻温度传感器，经调理电路转化为电压信号送LPC2378（ARM7）处理器进行处理，温度的测量精度可以达到0.1。控制系统为仿人智能PID算法，实现了温度调节的快速性和稳定性，温控超调量小，稳态调节时间短。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热管的功率，采用固态继电器控制水泵及半导体制冷片的液冷系统实现快速降温。可以实现在10-70的范围内对水温的动态调节。关键字：PT100，PID控制，可控硅设计题目及要求：（1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1℃（2）可以

2、测量并显示水的实际温度。温度测量误差在0.5℃内；（3）水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）内的升温、降温功能（降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）；（4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度+15℃内），控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态误差≤±4℃，静态误差≤±1℃，系统达到稳态的时间≤15min（最少两个波动周期）。（5）当设定温度突变（温度变化+20℃）时，控制的最大动态误差≤±2℃，系统达到稳态的时间≤8min（最少两个波动周期）；（6）温度控制的静态误差≤±0.2℃（在最小稳态时间

3、内）；（7）在设定温度发生突变（温度变化±20℃）时，用液晶屏显示水温随时间变化的实时曲线（最少显示两个波动周期）；一、系统方案：1方案论证与比较：1)测量部分：方案1：采用AD590集成电流输出型两端温度传感器，在被测温度一定时，相当于一个恒流源。具有良好的测量精度和线性度。但AD590的线性电流输出为1uA/K,很容易受环境干扰及运放温漂的影响。使温度的测量精度降低。方案2：采用DS18B20即总线的温度测量器件，具有体积小，线路简单的特点。但测量精度低，不易满足题目中的扩展要求。方案3：采用PT100热电阻。铂电阻是用很细的铂丝(Ф0.

4、03～0.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此铂电阻在中温(-200～650℃)范围内得到广泛应用。选用方案3，PT100的灵敏度很高，精度高、稳定性好、性能可靠，电阻变化率为0.39Ω/℃，结合桥式测温电路，及AD采样中的软件滤波，实现了高精度，高灵敏度的测温。2）控制部分：方案1：采用DC-AC的交流继电器控制加热管的工作，加热管接通几个周期再断开几个周期来调节加在负载上的功率大小，即交流调功的方法。

5、降温采用DC-DC直流继电器控制贴于器皿底部的半导体制冷片的工作，实现降温。方案2：采用双向可控硅构成的交流调压电路，在电网电压的每个周期都对加给负载的电压进行控制，实现电压的平稳调节，从而实现升温平稳。降温采用液冷的方式，用DC-AC固态继电器控制水泵循环水，制冷片为循环水降温。选用方案2，处理器捕获交流电的上升及下降沿，控制移相触发脉冲，对负载的有效功率进行高精度的控制，有利于升温的平稳行，动态误差和静态误差水平都有显著的提高。降温控制时由液体的流动带走水的温度，同时采用半导体制冷片对制冷管内的水降温，使降温的效率加大，故选用方案2进行升

6、降温的控制。2.总体方案：总体方案的方框图如下：二、单元电路：1.测温调理电路：2.AD采样：采用桥式电路后，经过差分放大抑制共模分量，为了减小信号放大的误差，采用两级放大将信号放大60倍，电桥能够保障PT100在0度时电路的输出时0v。PT100电阻随温度变化的关系为：;式中，A=0.；B=-0.；C=0.42735。可见Pt100在常温0~100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：=100（1+At），当温度变化1摄氏度，Pt100阻值近似变化0.39欧。理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路工作

7、时测量输出电压与压差信号的比值较理论值稍小，实际输出信号为，K为运算放大器的放大倍数。采样电路的输出为0-5v的模拟量，为了输入到控制器中，需要对其进行AD转换，电路采用ADS7816，12位高速串口AD，转换速率为200，最小分别率为1.2mv，将转换后的数据送入ARM7中。在ARM7中计算，进行电压和对应的温度的转换。3.脉冲变压器触发可控硅电路：为了能够精确控制加热管的加热功率，本系统采用可控硅控制加在加热管两端的触发角，从而精确控制加热管的加热功率。用脉冲变压器搭可控硅的驱动电路同时实现控制端和输出端之间的隔离，通过控制移相触发脉冲的

8、触发角控制加热管的有效功率。电压的有效值为：功率为：=4.电网电压调理为了能够精确控制加热管的输出功率，需要对工频电压进行采用并且变换成方波，送入ARM7进行捕获。