基于Proteus仿真的高精度温度控制器设计.pdf

收稿日期:2022-11-16第 31 卷 第 6 期Vol.31 No.6北 京 印 刷 学 院 学 报Journal of Beijing Institute of Graphic Communication2023 年 6 月Jun.2023基于 Proteus 仿真的高精度温度控制器设计张明长(北京印刷学院 基础教育学院,北京 102600)摘 要:利用 PT100 铂电阻作为传感器搭建电桥电路,提取温度变化信号。温度信号经放大后送入 16 位 A/D转换器 LTC1864 进行采样,变成数字温度值。选用 Atmega16 微处理器作为检测控制核心,将数字温度值再次滤波和线性化处理,实现高精度温度测量与控制。整个设计过程借助 Proteus 实时仿真调试,逼真地再现了设计思想,大大缩短了设计调试周期。关键词:PT100 铂电阻;Atmega16 微处理器;测量控制;Proteus 仿真中图分类号:S625文献标识码:A文章编号:1004-8626(2023)06-0053-06 随着微电子技术的发展,电气设备的测量控制也变得更加精细,在设计实现控制方式上,有更加灵活多样的选择达到精确控制目的。利用微电子技术设计的测量仪器仪表,能够实现很高的准确度测量。文中介绍的就是以 PT100 铂电阻作为传感器,用 LTC1864 作为 A/D 转换器,1以 Atmega16微处理器为检测控制核心,2-3设计实现高精度温度测量控制。整个设计过程利用 Proteus 实时仿真调试,4逼真地再现了设计思想,大大缩短了设计调试周期。1 系统整体方案设计研究对象是温度的精确测量和控制,这需要在运行时检测到温度变化,把温度变化转化为电信号大小,提取弱小的电信号经过放大,变成与温度大小相对应的电压信号,将该电压信号送入A/D 转换器,获得数字信号,送入微处理器进行再次加工处理,变成理想的测量值,在显示屏上显示;同时,将测量值和设定控制温度参数比较,获得控制信号,实现温度的精确控制。系统设计硬件框图如图 1 所示。2 硬件电路2.1 传感器温度测量信号提取及放大高精度温度控制器选用 PT100 铂电阻作为温度传感器,将该传感器搭建成电桥电路提取温度变化信号。电桥电路用恒流源供电,温度变化引起铂图 1 温度控制器硬件系统框图电阻阻值变化,桥路检测到因电阻变化而引起的电压变化值,将该变化的电压值经过运算器放大,变换成与温度相对应的电压值,送入数据采集芯片,得到相应的数字温度值。传感器信号采集电路如图 2 所示。需要说明的是每一步设计都是用 Pro-teus 仿真,在适当位置加入电压探针,探测实际电路与设计计算参数的吻合度。图 2 传感器信号采集电路图PT100 铂电阻选用三线制接线,三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差。三根导线截面积和长度均相同,铂电阻作为电桥的一个桥臂,将一根导线接到电桥的电流源端,其余两根导线分别接到 PT100 所在电桥臂及邻近的桥臂上,在电桥电路中,导线电阻的变化对测量结果没有任何影响,这样就消除了导线电阻带来的测量误差。铂电阻阻值与温度变化的关系为:RPT=100 (1+At+Bt2)0 t 850 式中,A=0.00390802;B=-0.000000580。可见用 PT100 测温,在温度 0100之间变化时,Bt2项数值很小,可以忽略,其阻值表达式近似为:RPT=100(1+At),线性度非常好,温度变化 1,PT100 阻值近似变化 0.39。但是,当测试温度超过 100后,Bt2项不能忽略,电阻值变化非线性度明显。图 2 中 LM385 接法是提供 1.24 伏的基准电压。OP491 是单电源、四运算放大器,基准电压接在运算放大器 OP491 的 5 脚,那么 OP491 的 6 脚电压也是接近 1.24 伏,该点对地电流是 1.24/6.2=0.2(mA),可见,图 2 中接入铂电阻传感器的电桥电路由恒流源供电,两个分支各承担 0.1mA 的电流,提供给电桥输入的恒定电压是 1.24+26.90.1=3.93(V)。在图中设置电压探针进行仿真测试,其显示数值与计算结果一致。R3、R4、R9 和 RT1(PT100)组成传感器测量电桥,由于恒流源供电,电桥两支路流过的电流恒定,在比较臂 R9 得到恒定电压,测量臂传感器随着温度的变化,其电阻发生变化,引起电压变化。RV1是电桥臂电流微调电阻,用于调试校准。图 2 中显示温度为 400,查表 1 可知 400对应的电阻是 247.09,RT1 端的电压是:1.24+0.247090.1=1.264709(V)。计算所得电压数值与设置电压探针仿真结果显示基本一致。VR9=1.24+0.1 0.1=1.25(V)U1:C 是同相放大器,对固定桥臂获得的电压进行放大,其目的是对电压值进行调整。表 1 PT100 铂电阻分度表温度/电阻值/01234567890100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.4020107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.15400247.09247.44247.78248.13248.47248.81249.16249.50245.85250.19410250.53250.88251.22251.56251.91252.25252.59252.93253.28253.62420253.96254.30254.65254.99255.33255.67256.01256.35256.70257.04430257.38257.72258.06258.40258.74259.08259.42259.76260.10260.44440260.78261.12261.46261.80262.14262.48262.82263.16263.50263.84450264.18264.52264.86265.20265.53265.87266.21266.55266.89267.22460267.56267.90268.24268.57268.91269.25269.59269.92270.26270.60470270.93271.27271.61271.94272.28272.61272.95273.29273.62273.96480274.29274.63274.96275.30275.63275.97276.30276.64276.97277.31490277.64277.98278.31278.64278.98279.31279.64279.98280.31280.64VU1.C8=(1+R6/R5)VR9=(1+0.365/100)1.25=1.2545625(V)U1:D 是减法放大器,对电桥两臂的电压差值放大,用放大的电压差值大小表示温度大小,从而获得温度值。由于可能存在干扰或者电路噪声,在采样过程中会出现采样信号与实际信号产生偏差现象,于是在最末一级放大器的反馈回路中电阻R8 并联电容 C1 组成具有一定频率特性的负反馈(典型的有耗积分器)电路。因输入信号是直流,C1 对直流电路没有影响,不会起到积分作用,但对脉冲等干扰信号具有很好的抑制作用,能够增强系统的稳定性,确保输入采样信号的平滑稳定。VU1.D14=(1+R8/R7)VRT1-R8/R7VU1.C8=(1+100/0.365)1.264709-100/0.3651.2545625=4.044572014(V)计算结果与仿真比较,只在小数点后第三位开始有变化。在小数点后第三位有变化的数据,对温度控制来说已经很精确了,但从测量技术来说,还有必要进一步对测量数据进行微调,获得更精准的数据,这部分留给软件处理。2.2 高精度 A/D 采样电路选用 LTC1864 芯片提取经放大器获得与温度值对应的电压信号,LTC1864 是 16 位开关电容逐次逼近 A/D 转换器,如图 3 所示,单 5V 电源供电,45北 京 印 刷 学 院 学 报2023 年在采 样 率 为 250Ksps 时,电 源 电 流 典 型 值 为850A,有一个可调节基准引脚的差动模拟高阻抗输入端。基准输入电压定义了 A/D 转换器满量程范围,LTC1864 可在 1V 至 5V 的基准电压范围工作。LTC1864 的转换周期开始于 CONV 脚的上升沿,在经过 t 时间后转换完成,如果在该时间后CONV 仍为高电平,LTC1864 将进入休眠模式,此时消耗的功率仅为漏电流,在 CONV 脚的下降沿,LTC1864 进入采样模式,同时可以实现 SDO 引脚的数据传输功能。SCK 是数据传输时钟脉冲,在其上升沿接收来自 SDO 数字信号,在下降沿 SDO传输一位数字信号。需要说明的是 LTC1864 传输串行数据是从最高位开始,依 SCK 脉冲连续完成16 位数据传输,传输时序如图 4 所示。图 3 LTC1864 芯片图图 4 LTC1864 工作时序图 为了获得优良的性能,LTC1864 电源脚和参考电压引脚必须保证没有噪声和纹波的影响,通过一个最小1uF 的电容直接旁路到模拟地平面,要求采用单点接地,应以最短的引线链接到地平面。2.3 智能控制设计从 LTC1864 传输的数据进入微处理器 At-mega16,在 Atmega16 中再次加工处理,送入显示模块显示当前测量温度,同时,该测量数值和设定控制值进行比较,如果当前温度低于设定值下限,给出加热信号,停止风机通风;如果当前温度高于设定值上限,停止加热信号,给出风机通风;如果当前温度介于上下限区间内,停止加热信号,停止通风信号,保持恒温态,如图 5 所示。通过按键设定控制温度值和区间变化量,设定值存入 Atmega16 的EEPROM 中保存,在控制器检测中,定时读取保存数据与当前值比较,给出加热或通风信号。如果需要精确恒定控制温度,应将区间量设为零。由于EEPROM 中数据掉电保存,在下次开机依然可用,省去频繁设定控制值和区间变化量的过程。2.4 显示设计设计中采用静态显示的方式进行数据显示,静态显示方式是指微处理器仅负责向接口提供所显示信息,而由接口电路自己来维持显示。其优点是:显示的字符亮度高,占用控制器端口较少,系统运行负担比较轻,运行效率高,软件编程相对简单。缺点是硬件设计相对复杂,适合于显示位数较少的图 5 输出控制电路图数码管。因 LTC1864 是 16 位 A/D 转换器(数值是 065535),所以最多只能显示 5 位数字,这就需要 5个数码管。具体显示电路由单片机+串并联转换+功率放大+显示组成,电路如图 6 所示。串并联转换芯片选用 74HC595,时钟和数据信号从单片机的串行口输出到 74HC595。Atmega16 的 PC1 作为数据输出线,PC0 作为移位时钟脉冲,PC3 提供一个8 位二进制串并转换结束提取信号,同时锁存并行寄存器,PC4 为数据输出使能信号,低电平数据输出,有效接入 74HC595 芯片进行串并联转换,通过74HC595 转换成并行数据经 UNL2803 进行反相功55第 6 期张明长:基于 Proteus 仿真的高精度温度控制器设计率放大,驱动数码管显示。5-7图 6 显示电路图2.5 控制键盘设计一个工程项目,控制系统应该包含人机信息交换功能,才能达到统一设计,统一生产,满足不同用户需求。选用 Atmega16 的 3 个 I/O 口作为键盘使用,需要 1 个进入设置状态的设置键,至少需要 2个加、减操作按键,完成参数设定,因可设置参数范围比较大,设计 1 个按键能够循环移动到可修改的数字位,还需要 1