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课程设计题目:电热恒温箱的单片机控制系统设计
本课程设计介绍了一种电热恒温箱的单片机控制系统。在温度采集方面选用了美国国家半导体公司的集成化半导体传感器LM134。也可使用国内生产的同类型产品。集成化传感器是新型器件,它比直接用一个PN结作传感器灵敏度高、线性好、使用方便。控制系统主要有三大部分组成,分别是温度采集部分、温度控制部分、控制信号的输出执行部分。系统设计使用的芯片都是系统设计经常用到的器件,微处理机采用美国ATMEL公司推出的单片微机STC89C52,1片Intel 8155作为I/O扩展器,组成微机基本系统。
技术参数和设计任务:
1、利用单片机实现对温度的控制、温度检测部分温度传感器转换器实现对温度的测量7、输出控制部分由电炉采用晶闸管来实现,通过DAC0832转换成模拟量,从而控制电阻丝的通电加热功率
图1系统硬件结构示意图
电路部分以AT89S51单片机为核心部件,考虑来自供电电源、接口电路、程序跑飞等的干扰情况,采取了必要的软、硬件干扰措施。电路板上主要包括数据采集电路、键盘与显示电路、控制输出电路、模拟电源、数字电源、蜂鸣器等。
二、硬件设计
1、温度传感器
(1)热敏电阻温度传感器
热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料,加入一些添加剂,采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器,其电阻对温度变化很明显,电阻温度系数比金属的大很多,被称为热敏电阻。热敏电阻分为三种类型:正温度系数热敏电阻,负温度系数、热敏电阻和临街温度系数、热敏电阻。它们的共同特点是灵敏度高,从复性好,工艺简单,便于工业化生产,因而成本较低,应用很广泛。
1)标称电阻值
标称电阻是热敏电阻在25oC时的零功率状态下的阻值。其大小取决于热敏电阻的材料和它的几何尺寸。如果环境温度不是25oC,而在25oC~27oC之间,则按下式计算
(1)
2)电阻温度系数
用于描述温度的变化引起电阻变化率变化的参数。指在规定的温度下,单位温度变化使热敏电阻值变化的相对值。用下式表示
(2)
3)时间常数
尽管热敏电阻的几何尺寸可以制作得很小,但它还是有热惯性的。时间常数ζ就是表征热敏电阻值惯性大小的参数,其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下,当环境温度突变时,热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的63%时所需的时间。
4)额定功率(P)
指在标准压力和规定的最高环境温度下,热敏电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。在实际使用中,热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。
(2)晶体管温度传感器
研究发现在晶体管机电机电流恒定的条件下,其发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降,这种温度特性与二极管相似。但对于实际的二极管,其正向电流除扩散电流以外,还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流成份,后两种电流成分使实际二极管的电压―温度特性偏离前面讲的理想近似线性关系。而三机管中虽然发射极电也包括上述三部分,但是只有扩散电流能够到达集电极,后两个电流成分则作为基极电流漏掉,使晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。
1)基本原理
由晶体管原理可知,NPN晶体管的基极―发射极电压V与温度T的关系为 (3)
2)结构
在实现温度检测时,只有温敏三极管本身是不够的,必须附加适当的外围电路,才构成温度传感器。外围电路通常包括参考电压源、运算放大及线性电路等部分。图给出了一种常用的晶体管温度传感器基本电路及其温度特性曲线。该电路由一只运算放大器和一个温敏三极管组成。电容C的作用是防止寄生振荡。温敏三极管作为反馈元件跨接在运放的反向输入端和输出端,基极接地。这种接法使得发射极为正偏,而集电极几乎为零偏。这是因为运放的反相输入端为虚地。
图2 晶体管温度传感器结构图
(3)电压型集成温度传感器
1)基本原理
电压型集成温度传感器是指输入电压与温度成正比的温度传感器。B3,B4,B5PNP晶体管结构和性能完全相同,B3与B4组成恒流源,且两者射极电流相同(称为电流镜),所以R1上压降ΔV可表示为
(4)则R1上电流为
(5)
因为B5与B3、B4完全相同,且基极、集电极点位相同,所以B5的射极电流与 B3、B4?上相同,所以
(6)
则上述电路的温度系
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