水温控制系统设计

水温自动控制系统

该系统为一温度控制系统，由于无法确切确定电炉的物理模型，我们采用作t-T(时间-温度)曲线的方法，通过数值分析用三阶多项式拟合t-T曲线。由于采用计算机递归计算，阶数的多少不影响计算的复杂性，所以用三阶多项式拟合。设t(m)=a3m3+a2m2+a1m+a0式中t为时间，m为温度，a3、a2、a1、a0可以通过t-T曲线求出。由于多项式不能完全符合t-T曲线，存在着误差，假设误差为e，m是t-T曲线中的温度，对该误差采用回归递推AR模型进行运算。该模型形式如下：

e(m)=p1e(m-1)+p2e(m-2)+De(m-3)

其中De(m)为白噪声。对此式进行最小二乘法估计，求出参数p1、p2。为简化起见，忽略De(m)得

通过矩阵运算可以求出p1、p2的值，得出整个系统的数学模型为：t(m)+e(m)。在温度控制程序中通过递推即可达到控制目的。实际系统中，温控变量与环境温度有关，所以对不同的设定值，a3、a2、a1、a0可以适当调整，经过程序验证，该方法获得比较理想的效果。

三、方案的比较和实现

1、硬件系统设计

由前面的理论分析可见，本系统是一个典型的闭环控制系统。通过控制算法，对被控制对象中的加热元件电炉丝的平均功率进行控制，达到对水温控制的目的。系统中采用一片Intel8031单片处理器作为主控制器，前向通道为测温部分，后向通道为控制部分。通过按键和数码显示进行人机交互，通过RS232串行通信接口同PC联机进行温度图形化显示打印。

⑴ 测温部分 用于采集被控对象的温度参数。测温部分由温度电压转换，小信号放大及A/D转换三部分组成。

实际情况下，一般IC温度传感器的精度只有0.7℃～1℃，不符合本题目的静态误差0.2℃的要求。而电阻传感器的精度可以达到0.1℃，符合本题目要求。温度传感器是整个控制系统获取被控对象特征的重要部件，这里采用Cul00铜热阻作为温度传感器，其特征参数实测如图1所示。由特性曲线可见，这种热阻探头在系统测量的温度范围内线性特性良好，适用于温度采样使用。

图2 测量分部电路

将温度的变化转变为电压的变化，经过放大后送往A/D转换器转化为数字量以进行处理。Rx为传感器热阻，由电桥实现温度到电压的转换，由运放IC3完成信号的放大，由运放IC4完成信号的调整（具体电路见图2）。

设输入IC3的2、3端电压分别对应为Vi2、Vi1那么

Vout=K(R6/R3)(Vi2-Vi1)

Vout=K(R6/R3)[VrefRw2/(Rw2+R1)-VrefRx/(R2+Rx)]

其中Rx为传感器热阻值，Vref为基准源电压，K为调整系数。

由于Rl>>Rw2（如Rl=100kΩ，Rw2=1kΩ），同样R2>>Rx（如R2=100kΩ，Rx=1kΩ），因而Vout=K(R6/R4)Vref(Rw2-Rx)R2，在后级的A/D满刻度时，那么Vout=5V。

实际电路调节中，已经确定R6，置传感器于0℃环境，调节Rw2，使Vout=0V；置传感器于100℃环境，调节Rw6，使Vout=5V，则完成前向模拟通道的调整。

前向模拟通道的抗干扰性及低漂移、稳定性决定于Vref的稳定性和运算放大器的特性值。系统中采用LM336-5.0作为Vref的基准源，LM336-5.0具有较低的电压漂移，稳定性可达20×10-6。运算放大器利用OP07超低漂移高精度运算，其共模抑制比达120dB，增益达104dB，温漂仅为0.7mV/℃，并且还具有小偏置电流、失调电流等特性，对于保证小信号的低噪音采集，起到了决定性的作用。

A/D采用一片砌ICL7109。ICL7109为双积分型模数转换器，12位输出，分辨率为5/4096=0.00122V。积分型A/D的抗干扰性优于逐次积分型A/D(如ADC0809)。在该系统中使用ICL7109保证了对采集入的变量的准确量化。本题中测试范围为40℃～90℃，温度的最小分辨率为0.2℃(发挥部分)。这样，整个系统的温度采用点数为50×5=250。采用一般8位A/D，分辨率为1/256，可以满足要求，但考虑到边界温度测定、系统分布参数影响、温度扩展等因素，8位A/D为临界应用，系统的线性度和准确度都难以得以保证。故我们采用12位A/D转换器。积分型A/D的缺点是转换时间长，ICL7109的最大转换次数为30次/秒。在数字控制系统中，采样周期的选择与系统的稳定性密切相关，在稳定条件下，采样频率fs应为系统最高频率的两倍，即按照采样定理，应该有fs≥2fmax。但采样周期也不应该过小，即选择与被控对象有关，典型情况下，在温度采样中，采样周期一般为10s～20s，因此这里ICL7109的采样速率完全可以胜任。具体电路见图3。

采用稳定的参考电压源，低漂运放和高精度、抗干扰的A/D，并结合电路的正确设计，保证了测温部分的精度和可靠性。

⑵ 控制部分 用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电炉丝，采用对加在电炉丝两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用美国生产的固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端加上一TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用74LS06驱动。

⑶ 人机交互系统（数码显示和按键输入）和803l最小系统 整个闭环系统的中央处理器采用8031单片处理器，基本系统如图3-1-4，其中采用一片RAM62256作为数据存储器使用。根据系统功能的要求，人机交互采用按键和数码管构成，利用8031的I/O采集按键开关量，采用动态显示方式显示实测温度和预设温度，显示数据及所用的控制数据由8031的P1口送出。

e(m一1)=a3(m-1)3+a2(m-1)2+a1(m-1)+a0+p1e(m-2)+p2e(m-3)

⑷ 通信接口 系统设计要求控制系统能同PC联机通信，以利用PC的图形处理功能打印显示温度曲线。由于8031串行口为TTL电平，PC串行口为RS232电平，使用一片MAX232作为电平转换驱动。通信速率为9600波特，数据每秒传输一次。

图3 ICL7109的电路图

⑸ 软件系统设计 系统软件占整个闭环控制的很大分量，控制算法在软件系统中实现。软件总体结构5所示。

根据理论分析可知：加热时间可以用t(m)+e(m)递推。m为传感器温度与设定温度差值，e为拟合曲线与实际曲线的误差。设温度设定值为t，传感器读出的值为t1,其递推公式为

e(m)=a3m3+a2m2+a1m+a0+p1e(m-1)+p2e(m-2)

e(m一1)=a3(m-1)3+a2(m-1)2+a1(m-1)+a0+p1e(m-2)+p2e(m-3)..........

e(2)=8a3+4a2+2a1+p1e(1)+p2e(O)

为便于进行复杂的运算，程序采用单片机语言Franklin C51编制。

图4 人机交互系统（数码显示和按键输入）和803l最小系统

测试方法和测试结果

1、测试环境

环境温度为24.7℃。

测试仪器：WD-2型数字温度计（扬州长江仪器厂，精度为0.1℃，测量范围为-40℃～100℃）

2、测量方法

⑴ 温控系统的标定误差 我们将标准温度计和温控系统探头放人同一容器中，选定若干不同的温度点，记录下标准温度计显示的温度和温控系统显示的温度进行比较。

⑵ 温控系统的静态误差 我们从两个方面来测量静态误差：

① 在不同的温度点同标准温度40℃、60℃、75℃、90℃的温度差。

② 在某一确定的温度点在一段时间内同标准温度的差值。

⑶ PC机显示及打印的温度变化曲线(略)

3、测试结果

对本温控系统进行各种环境、各种条件下测试得到数据，经分析可以得到以下结论：我们的系统完全满足设计要求，静态误差方面可以达到0.2℃的误差，在读数正确方面与标准温度计的读数误差为0.8％，即使使用两个标准温度计进行计量，其读数误差也在0.5％以下。

该系统具有较小的超调值，超调值大约为1.6％左右。虽然超调为不利结果，但另一方面却减小了系统的调节时间。从其曲线可以看出该系统为稳定系统。

直流电压表的设计

一、实验目的

1. 理解双积分A/D转换器7109及数字电压表的工作原理。

2. 掌握直流电压表的界面设计和软件设计。

3．测量数据的误差分析。

二、实验任务和内容

1. 设计一个直流电压表，设计要求为

（1）测量量程分为200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V；

（2）测量分辩率为12bit；

（3）测量对象可选择为可调电位器的输出或外部电压

2. 设计完成后，用电压表不同量程进行测量，求相对误差。

三、实验器材

1. 计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力)   1台

2. SJ-8002B电子测量实验箱                          1台

3. Q9连接线                                        1根 

4. 4 1/2数字万用表                                 1台

四、实验原理

1、直流电压表原理

直流电压表的测量原理是，被测模拟直流电压经输入放大后，经A/D转换器为数字量，通过计算机的EPP接口传到计算机进行数据处理，将测量结果显示在计算机屏幕上。本实验使用“SJ8002B电子测量实验箱”的双积分A/D转换器7109完成直流电压的数字化转换，采样 PC机的虚拟仪器软件平台（LabVIEW）完成界面设计和软件设计，实现直流电压的数字化测量。测量原理如图1所示

图1    直流电压测量原理框图

4.2    A/D7109的接口工作原理

本实验双积分A/D转换器ICL7109实验电路图。

图2       双积分式A/D转换器7109测量电压原理图

ICL 7109 是双积分式12 位A/D转换器，转换时间由外部时钟周期决定，为10140/58个时钟周期。其主要引脚定义如下： 

   ① B1～B12：12bit的数据输出端 

   ②OR：溢出判别，输出高电平表示过量程；反之，数据有效。 

   ③POL：极性判别，输出高电平表示测量值为正值；反之，负值。 

   ④MODE：方式选择， 当输入低电平信号时，转换器处于直接输出工作方式。此时可在片选和字节使能的控制下直接读取数据；当输入高电平时，转换器将在信号信号握手方式的每一转换周期的结尾输出数据（本实验选用直接输出工作方式）。

   ⑤REF：外部参考电压输入（本实验用其典型值：2.048V）。 

   ⑥INL,INH:输入电压端口（有效范围是参考电压的2倍）。 

   ⑦OO,OI:外部时钟输入（本实验用其典型值：3.579MHz）。 

   ⑧RUN/HOLD_：运行/保持输入, 当输入高电平时,每经8192时钟脉冲完成一次转换；当输入低电平时，完成正在进行的转换，并停在自动调零阶段 

   ⑨STATUS：状态输出，输出高电平，表明芯片处于积分和反向积分阶段；输出为低电平，表明反向积分结束，数据被锁存，模拟部分处于自动返回零态阶段。 

   ⑩CE/LOAD_：片选，当其为低电平时，数据正常输出；当其为高电平时，所有数据输出端（B1～B12、POL、OR）均处于高阻状态。 

   ⑾LBEN_：低字节使能，输入低电平时，数据线输出低位字节B1～B8。 

   ⑿HBEN_：高字节使能，输入低电平时，数据线输出高位字节B9～B12及POL、OR的状态值。

A/D7109转换时序：ICL7109直接接口方式的定时图如图3所示。

图3   7109转换时序

7109的A/D转换关系为： 

                (1)

式中，  —— A/D转换器输入电压；

      —— A/D转换结果的12bit数字量；

     —— A/D转换器外部参考输入电压，调节为=2.048V；

由式（1）可知，若=2.048V ，则即为以mv单位表示了，即 

4.3 输入通道电路

外部待测直流电压信号从实验箱的DCin的Q9接线端输入如图3。另外，实验箱上提供了通过电位器调节的-4.096V－+4.096V的直流电压。由于实验中双积分式A/D转换器7109的输入电压范围为：-4.096V－+4.096V，为了较好的适应A/D转换器的输入范围，不同大小的待测模拟电压信号需经过不同的增益进行信号放大。增益的选择由计算机发出信号控制模拟开关选择。

                                         

图4   实验连接图

4.4 实验原理图 

实验箱提供直流电压测量电路原理图如图4所示

图5   直流电压测量电路原理图

五、设计指导    在实验设计之前应认真思考设计任务要求，仔细阅读实验原理。

5.1功能与前面板设计

虚拟直流数字电压表主要完成对电位器或外部直流电压的测量与显示。因此，在虚拟仪器界面上需有测量对象的选择功能。为了适应不同大小的待测模拟电压信号，还应有测量量程选择功能，量程设置10档： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V（对应增益：×100 、× 50、× 20、×10、×5、×2、×1、×0.5），量程缺省值设为8V。界面上设置有超量程指示灯，当测量溢出时，超量程指示灯点亮。测量结果同时进行表盘和数字显示，并通过实验箱上的七段LED显示出来。此外，界面上还需设置测量的启动和退出测量功能。 

图5为前面板设计的参考。

图6   虚拟直流数字电压表面板 

   前面板控件说明如表1： 

                                      表1 前面板控件

控件类别

序号

名称

控件在控件模板中的位置

注释

指示类

（1）

电压显示表盘

All controls>Numeric>Meter

设置电压表的显示量程属性，对不同测量量程进行显示控制

（2）

超量程指示灯

LEDS>Round LED

溢出时点亮

（3）

电压数字显示框

Num Indis>Numeric Indicator

设置显示量程属性，对不同显示位数进行控制

测量选择类

（4）

量程选择旋钮

Num Ctrls>Dial

用于选择测量量程

（5）

测试对象选择开关

AllControls>Classic Controls>Classic Boolean>HorizontalSwitch

选择测试对象

程序控制类

（6）

退出

Buttons>OK Button

控制程序退出

（7）

测量

Buttons>Push Button

控制程序开始

5.2程序设计指导

SJ8002B电子测量实验箱通过EPP接口和计算机主机相连，通过EPP接口 *** 作实验箱的双积分A/D转换器7109的 *** 作步骤依次是，EPP接口的初始化、EPP接口的读数检查、 启动A/D7109转换、读取转换数据、数据的显示处理。本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序设计时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接库（即cvidll.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。 

   1．程序流程图

整个程序采取顺序结构，整个设计思路流程图如下： 

图7    直流电压表程序流程图

热电偶传感器

作者:不详 来源:网上收集 更新日期：2008-6-24 阅读次数：6043

一、热电偶传感器测温系统的设计应用

下面介绍一个典型的单片机控制的测温系统，它由三大部分组成：(1)测量放大电路；(2)A/D转换电路；(3)显示电路。它广泛应用于发电厂、化工厂的测温及温度控制系统中。

1、硬件设计

(1) 热电偶温度传感器

本系统使用镍铬—镍硅热电偶，被测温度范围为0～655℃，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。Rcu与热电偶冷端同处于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，桥路电源电压为4V，由稳压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20℃时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端无输出。当冷端温度偏离20℃时，例如升高时，Rcu增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。Uab与热电势减小量相等，Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。

(2) 测量放大电路

实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏(<30mV)，且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂较小。由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。由三运放组成测量放大器，差动输入端R1和R2分别接到A1和A2的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。测量放大器的放大倍数为：AV=V0/（V2-V1），AV=Rf/R(1+(Rf1+Rf2)/RW)。在此电路中，只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益)，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。RW是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器。

实际电路中A1、A2采用低漂移高精度运放OP-07芯片，其输入失调电压温漂αVIOS和输入失调电流温漂αIIOS都很小，OP-07采用超高工艺和“齐纳微调”技术，使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。OP-07要求双电源供电，使用温度范围0～70℃，一般不需调零，如果需要调零可采用RW进行调整。A3采用741芯片，它要求双电源供电，供电范围为±(3～18)V，典型供电为±15V，一般应大于或等于±5V，其内部含有补偿电容，不需外接补偿电容。

(3) A/D(模数)转换电路

经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为0～5V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行A/D转换。实际电路中，选用ICL7109芯片。ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型12位A/D转换器。由于目前12位逐次逼近式A/D转换器价格较高，因此在要求速度不太高的场合，如用于称重测压力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉价的双积分式12位A/D转换器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(精确到1/212=1/4096)；(2)低噪声(典型值为15μVP-P)；(3)低漂移(<1μV/℃)；(4)高输入阻抗(典型值1012Ω)；(5)低功耗(<20mW)；(6)转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；(7)片内带有振荡器，外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路；(8)12位二进制输出，同时还有一位极性位和一位溢出位输出；(9)输出与TTL兼容，以字节方式(分高低字节)三态输出，并且具有VART挂钩方式，可以用简单的并行或串行口接到微处理系统；(10)可用RVNHOLD(运行/保持)和STATUS(状态)信号监视和控制转换定时；(11)所有输入端都有抗静电保护电路。

ICL7109内部有一个14位(12位数据和一位极性、一位溢出)的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，同时可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无需外部加额外的锁存器。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。在直接接口方式中，当ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。ICL7109为40线双列直插式封装，各引脚功能参考相关文献。

(4) ICL7109与89C51的接口

本系统采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接输出方式。振荡器选择端(即OS端，24脚)接地，则7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于58分频后的振荡器频率，外接晶体为6MHz，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。积分时间=2048×时间周期=20ms，与50Hz电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz的串模干扰。

在模拟输入信号较小时，如0～0.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15μF，则CAZ=2CINT=0.33μF。

由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为0～5V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF间选择。积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值(当电流为20μA、输入电压=4.096V时，RINT=200kΩ)，此时基准电压V+RI和V-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。

本电路中，CE/LOAD引脚接地，使芯片一直处于有效状态。RUN/HOLD(运行/保持)引脚接+5V，使A/D转换连续进行。

A/D转换正在进行时，STATUS引脚输出高电平，STATUS引脚降为低电平时，由P2.6输出低电平信号到ICL7109的HBEN，读高4位数据、极性和溢出位；由P2.7输出低电平信号到LBEN，读低8位数据。本系统中尽管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D转换连续进行，然而如果89C51不查询P1.0引脚，那么就不会给出HBEN、LBEN信号，A/D转换的结果不会出现在数据总线D0～D7上。不需要采集数据时，不会影响89C51的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。

(5)显示电路

采用3位LED数码管显示器，数码管的段控用P1口输出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。7407是6位的驱动门，它是一个集电极开路门，当输入为“0”时输出为“0”；输入为“1”时输出断开，须接上位电路。共用两片7407，分别作为段控和位控的驱动。数码管选共阳极接法，当位控为“1”时，该数码管选通，动态显示用软件完成，节省硬件开销。硬件原理如图5-12所示。

图5.3.1 热电偶传感器测温系统硬件原理图

2、软件设计

ICL模块：从A/D转换器读取结果的模块，它连续读3次，读出3个结果分别存放于内部30H～35H单元(双字节存放)。

WAVE数字滤波模块：它是将ICL模块输出的3个结果排序，取中间的数作为选用的测量值。此模块可以避免因电路偶然波动而引起的脉冲量的干扰，使显示数据平稳。

MODIFY模块：它是补偿热电偶冷端器25℃时的量值，相当于仪表中的零点调到25℃，称此模块为零点校正模块(此温度为室温)。

YA查表模块：它是核心模块。表格数据是按一定规律增长的数据(0～655℃)，表格中电压值与温度值一一对应，表格中的电压值是热电偶输出信号乘以放大倍数(150)以后的结果，变成十六进制数进行存放，低位在前，高位在后，因而它的数据地址可以代表温度值，用查找的内容的地址减去表格首地址0270H后再除以2(双字节存放)即为温度值。此数据为十六进制数还需进行二十进制转换(CLEAN)，再送显示器显示。

查表法：采用二分查找法，DP先找对半值(MIDDLE)同转换数据比较(COMPARE)，看属哪一半，修改表格上下限值，再进行对半比较，经过若干次后，直到找到数据为止，如果找不到，也就是说被转换数据介于表格中两相邻值之间，则再调用取近值模块(NEAR)，选择与被转换数据接近的那个数据作为查找到的数据，然后调用温度值模块(FIND)，整个查表模块就完成了从输入到输出的变化。

DIR：采用动态3位显示，显示时间由实验测定，各模块设计完成后要进行测试，尽量使其内聚性强、模块间耦合性强，并采用数据耦合。

二、恒温炉控制器

此恒温炉主要由液化气提供热源，热效率高，且取暖费用低廉。人工预设加热温度值后，控制器能准确地把温度控制在设定值的±1℃，现场使用方便。其主要性能指标为：温度可调范围在10～50℃之间；温度精度可精确到0.25℃；当环境中的氧含量低于某一值时，控制电路自动关闭加热炉，等待人工处理。

1、硬件设计

该控制器是以89C51为控制核心，以电磁阀为驱动部件，以及温度采样、热电偶信号采样、显示等电路组成。系统框图如图5.3.2所示。

图5.3.2 恒温炉控制器系统框图

89C51单片机，其指令系统与MCS-51完全兼容，且片内带有4KB的E2PROM，可以方便地构成一个最小系统。采样10位数字温度传感器，经CPU处理后，实时地显示在液晶屏上，热电偶电路时刻监视着是否有异常情况出现。

（1）数字温度采样电路

本系统中使用AD公司的产品AD7416，它由带隙温度传感器、10倍A/D转换器、温度寄存器、可设点比较器、故障排队计数器等组成。传感器将温度转换成电压，将由A/D转换器转换成10位数字量送温度值寄存器。A/D转换器的一次转换时约为400μs，精度可达0 25。

AD7416的接口方式为I2C/SMBUS，温度测量范围为-55～125℃之间，有节电工作方式，可用于电池供电。AD7416的地址由A0、A1、A2决定，地址格式为：1001A2A1A0R/W，最大可并联8片，本系统中只用了一片AD7416，连线方式如图5.3.3所示。因温度的惯性系数较大，可采用简便有效的移动平均值法、中值法、低通滤波法等进行软件滤波。实时采样和计算平均值，以平均值作为实际温度采样值。采样次数为8～16次。由于采用了数字温度传感器，完全打破了传统的设计模式，简化了设计方案，提高了系统的可靠性，方便地实现了标度变换。

（2）热电偶反馈电路

因为加热器使用液化气为燃料，加热过程要耗氧，可能引起环境中的氧含量不足，所以在加热器加热过程中要时刻监视液化气燃烧是否充分。实验证明，当氧含量正常时，燃气烧到热电偶输出的电压在20mV以上，而当氧含量低于某一值时，热电偶输出的电压会在12mV以下。通过如图5.3.4所示电路，把热电偶电压接入电路，以检测电压超过18mV时，电路输出端输出高电平，电压低于13mV时，电路输出端输出低电平。

（3）其他外围驱动电路

其功能主要是把P1口输出的信号接入7407，由7407驱动固态继电器的输入端，继电器的输出端驱动两个电磁阀和一个电子脉冲打火器。

为了控制恒温炉的温度并向系统输入数据，系统应附有键盘，并能完成温度的增减，恒温炉的启动与停止，另外还设有设置键，用于加热过程中重新设置温度，当恒温炉启动后，液晶屏即实时地显示所测量的温度值，出现异常情况显示故障状态。

2、软件设计

软件采用模块化结构。软件主要完成如下任务：扫描键盘并按要求调出设定值或输入新的设定值，并判断是否启动，启动时首先打开加热阀供气，开启电子打火器，点火成功后，打开主出气阀，然后监视温度的变化，当温度超出设定温度值1℃时，关闭主出气阀，当温度低于设定温度1℃时，打开主出气阀。若点火不成功，则每隔15s重复上述启动过程，若3次点火不成功，关闭加热偶阀，在液晶屏显示故障状态。正常启动后，程序时刻监视热电偶的状态，若出现热电偶电压不足，关闭主出气阀和加热阀，等待人工参预。

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