水溫度測控裝置設計整體框圖

⑴ 模電課程設計——溫度測量電路

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⑵ 探究水沸騰時溫度變化的特點的實驗步驟是怎樣的

【實驗器材和材料】秒錶×1，鐵架台×1，大鐵圈×1，小鐵圈×1，酒精燈×1，石棉網×1，燒杯×1，溫度計×1，中間帶小孔的硬紙板×1，火柴，坐標紙，水。
【實驗步驟】
1.
按照實驗裝置圖，按自下向上的順序安裝實驗器材。
2.
在燒杯里加入適量的冷水，將燒杯放在石棉網上，燒杯上沿蓋上中心有孔的硬紙板，把溫度計穿過紙板孔並使溫度計的玻璃泡完全浸入水中。
3.
用火柴點燃酒精燈，給盛了冷水的燒杯加熱。
4.
當水溫至90
℃時，每隔1
min記錄一次溫度，直到水沸騰後5
min為止。
5.
實驗過程中應邊觀察邊記錄，將時間和溫度記錄在預先設計好的表格中。
6.
分析處理實驗數據，繪制溫度—時間關系曲線。
7.
做好實驗後，把器材整理好。
【實驗現象】
剛開始給冷水加熱時，不久，在燒杯的器壁出現了許多小氣泡，隨著水的溫度升高小氣泡逐漸變大，並脫離燒杯器壁開始上升。而在氣泡在上升的過程中逐漸變小，還沒有到達液面就消失了，同時聽到吱吱的響聲。隨著水的溫度繼續升高，發生了變化，脫離器壁的氣泡在上升過程中逐漸變大，上升到水面破裂，這時水就沸騰了。在水沸騰前，水的溫度逐漸升高，沸騰時水的溫度穩定了，即使繼續加熱溫度也不改變。如果把酒精燈撤掉以後，沸騰很快停止。

⑶ 求《單片機溫度測量系統設計》的相關資料！

要：本文介紹了一種基於MSP430 單片機的溫度測控裝置。該裝置可實現對溫度的測量，並能根據設定值對環境溫度進行調節，實現控溫的目的。控制演算法基於數字PID演算法。

0 引言
溫度是工業控制中主要的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發展，微機測量和控制技術得到了迅速的發展和廣泛的應用[1]。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。
本文設計了一種基於MSP430單片機的溫度測量和控制裝置，能對環境溫度進行測量，並能根據溫度給定值給出調節量，控制執行機構，實現調節環境溫度的目的。

1 整體方案設計
單片機溫度控制系統是以MSP430單片機為控制核心。整個系統硬體部分包括溫度檢測系統、信號放大系統、A/D轉換、單片機、I/O設備、控制執行系統等。
單片機溫度控制系統控猜神制框圖如下所示：

溫度感測器將溫度信息變換為模擬電壓信號後，將電壓信號放大到單片機可以處理的范圍內，經過低通濾波，濾掉干擾信號送入單片機。在單片機中對信號進行采樣，為進一步提高測量精度，采樣後對信號再進行數字濾波。單片機將檢測到的溫度信息與設定值進行比較，如果不相符，數字調節程序根據給定值與測得值的差值按PID控制演算法設計控制量，觸發程序根據控制量控制執行單元。如果檢測值高於設定值，則啟動製冷系統，降低環境溫度；如果檢測值低於設定值，則啟動加熱系統，提高環境溫度，達到控制溫度的目的。

2 溫度信號檢測
本系統中對檢測精度要求不是很高，室溫下即可，所以選用高精度熱敏電阻作為溫度感測器。熱敏電阻具有靈敏度較高、穩定性強、互換精度高的特點。可使放大器電路極為簡單, 又免去了互換補償的麻煩。
熱敏電阻具有負的電阻溫度特性,當溫度升高時,電阻值減小,它的阻值—溫度特性曲線是一條指數曲線,非線性度較大。而對於本設計，因為溫度要求不高，是在室溫環境下，熱敏電阻的阻值與環境溫度基本呈線性關系[2]，這樣可以通過電阻分壓簡單地將溫度值轉化為電壓值。
給熱敏電阻通以恆定的電流，可得到電阻兩端的電壓，根據與熱敏電阻特性有關的溫度參數T0 以及特性系數k，可得下式
T＝T0-kV(t) (1)
式中T為被測溫度。
根據上式，可以把電阻值隨溫度的變化關系轉化為電壓值隨溫度變化的關系,由於熱敏電阻的電信號一般都是毫伏級，必須經過放祥緩大，將熱敏電阻測量到的電信號轉化為0～3.6之間，才能在單片機中使用。
下圖為放大電路原理圖。穩壓管的穩壓值為1.5V。

由於感測器輸出微弱的模擬信號，當信號中存在環境干擾時，干擾信號也被同時放大，影響檢測的精度，需用濾波電路對先對模擬信號進行處理，以提高信號的抗干擾能力。本系統採用巴特沃斯二階有源低通濾波電路。選取該巴特沃斯二階有源低通濾波電路的截止頻率
fH=10 kHz 。

3 控制系統設計
3.0 軟體設計
單片機溫度控制器控制溫度范圍100℃到400℃，採用通斷控制，通過改變給定控制周期內加熱和製冷設備的導通和關斷時間，來提高和降低溫度，以達到調節溫度的目的。
軟體設計中選取控制周期TC 為200(T1×C) ，導通時間取Pn ×T1×C ，其中Pn 為輸出的控制量，Pn值介於0～200之間， T1 為定時器定時的時間，C為常數。由上兩式可看出，通過改變T1 定時時間或常數C，就可改變控制周期TC 的大小。溫度控制器控制的最高溫度為400℃，當給定溫度超過400℃時以400℃計算。
圖3為采樣中斷流程圖。

數模轉換部分使用單片機自帶的12位A/D轉換器，能同時實現數模轉換和控制，免去使用專用的轉換晶元，使系統處理速度更快，精度更高，使電路簡化。采樣周期為500 μs ，當採集完16個點的數據以後，設置標志「nADCFlag =1」，通知主程序採集完16個點的數據，主程序從全局緩沖區里讀出數據。
為進一步減小隨機信號對系統精度的影響，A/D轉換後，用平均值法對采樣值進行數字濾波。每16個采樣點取一次平均值。然後將計算到的平均值作為測量數據進行顯示。同時，按照PID演算法，對溫度采樣值和給定值之間的偏差進行控制謹兆模，得到控制量。采樣全過程完成後就可屏蔽采樣中斷，同時啟動T1定時[3]，進入控制過程。
溫度值和熱敏電阻的測量值在整個溫度采樣區間內基本呈線性變化，因此在程序中不需要對測量數據進行線性校正。MSP430的T1定時器中斷作為控制中斷，溫度采樣過程和控制輸出過程採用了互鎖結構，即在進行溫度采樣，溫度值處理和運算等過程時T1不定時，待采樣全過程進行完時再啟動T1定時並同時屏蔽采樣中斷。T1定時開始就進入控制過程，在整個控制過程中都不採樣，直到200(T1×C) 定時時間到，要開始新一輪的控制周期。在啟動采樣的同時屏蔽T1中斷。
圖4為T1定時中斷流程圖。

圖中，M代表定時器控制周期計數值，N則表示由調節器計算出的控制量。首先判斷控制周期TC是否己經結束。若控制周期TC已結束(即M=0)，則屏蔽T1定時器中斷，進行新一輪溫度采樣；若控制周期TC還未結束〔即M≠0 〕，則開始判斷導通時間是否結束。若導通時間己結束(即N=0)，則置輸出控制信號為低，並重新賦常數C值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務程序；若導通時間還未結束(即N ≠0 )，則置輸出控制信號為高，控制執行其間繼續導通，重新賦常數C值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務程序。

3.1 數字PID
本文控制演算法採用數字PID 控制，數字PID 演算法表達式如下所示：

其中，KP 為比例系數；KI=KPT/TI 為積分系數；T 為采樣周期，TI 為積分時間系數；KD=KPTD/T 為微分系數，TD 為微分時間系數。u(k) 為調節器第k次輸出， e(k) 為第k 次給定與反饋偏差。
對於PID 調節器，當偏差值輸出較大時，輸出值會很大，可能導致系統不穩定，所以在實際中，需要對調節器的輸出限幅[4]，即當|u|>umax 時，令u=umax 或u=-umax ，或根據具體情況確定。

3.2 溫度調節
PI 控制器根據溫度給定值和測量值之間的偏差調節，給出調節量，再通過單片機輸出PWM 波，調節可控硅的觸發相位的相位角，以此來控制執行部件的關斷和開啟時間，達到使溫度升高或降低的目的。隨後整個系統再通過檢測前一階段控制後的溫度，進行近一步的控制修正，最終實現預期的溫度監控目的。

4 結論
本設計利用單片機低功耗、處理能力強的特點，使用單片機作為主控制器，對室內環境溫度進行監控。其結構簡單、可靠性較高，具有一定的實用價值和發展前景。

參考文獻
[1] 趙麗娟，邵欣.基於單片機的溫度監控系統的設計與實現.機械製造，2006，44(1)
[2] 張開生，郭國法.MCS-51 單片機溫度控制系統的設計.微計算機信息，2005，(7)
[3] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙..MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理與應用.清華大學出版社，2004，148-155
[4] 賴壽宏.微型計算機控制技術.北京:機械工業出版社，1994:90-95

⑷ 智能型即熱式熱水器的控制主程序設計

電熱式 熱水器可以分為儲水式和即熱式兩種；即熱式熱水器又可以分為電熱管和電熱膜兩種。總體來說，電熱水器，特別是即熱式熱水器已逐漸成為家庭生活的新時尚。其特點是安全、出熱水快、節水節能、體積小、價格低。本設計的主要特點就是恆溫以及溫度可調。採用單片機來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優點，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而進一步提高產品的質量。
本設計運用80C51單片機系統為主控制晶元。其外圍電路主要由水溫檢測和A/D轉換，晶閘管控制、水溫和狀態顯示、按鍵輸入以及穩壓電源等部分組成該熱水器的工作原理為：溫度感測器及有關電路將電熱水器出口溫度轉化為電壓，單片機利用本身具有的AD轉換器將測得的模擬量轉換為數字量，再轉化為與之對應的溫度值。與設定的溫度相比較後，以偏差及其變化量為輸入、加熱量為輸出，通過模糊控制演算法，就可達到溫度自調的目的，並加以顯示。
基於以上原理,該電熱水器將實現如下的功能：
1、對溫度精確控制,採用高性能的溫敏電阻實時採集熱水器內水溫,將溫度信號轉變為電壓信號後送單片機處理,可用LCD進行實時顯示.
2、能顯示當前的時間，熱水器的實際溫度。 3、自動檢測熱水器是否處於正常工作狀態，並具有調溫、恆溫、防超高溫等多項自檢功能，使用戶在使用過程中安全更有保障。 。
2 本次設計的目的
畢業設計,是培養學生綜合運用本專業基礎理論,基本知識和基本技能分析解決實際問題能力的一個重要環節;是本專業各個先前教學環節的深化和檢驗.通過畢業設計,使學生在實際的電子操作、修理工作中,充分利用所學的專業知識,理論聯系實際,獨立開展工作,從而使學生具備從事電子工作的實際能力.
畢業設計的具體目的有:
? 培養學生綜合運用所學知識和技能,解決電子系統規劃,可行性研究,系統分析,系統設計,以及電子系統運用中實際問題的能力;
? 訓練提高我們的調查研究、整理資料、分析論證和文字寫作能力，培養學生的創新意識,求實的科學作風以及刻苦鑽研的精神。
? 提高我們自學的能力，充分利用Protel99畫原理圖，單片機軟體編程等。
? 進一步訓練和提高我們計算機輔助設計的應用能力。能讓我們受到單片機系統開發的綜合訓練，達到初步進行單片機系統設計和調試的目的。

⑸ 模電課程設計 水溫測量儀

第二章 水溫測量儀的設計

2.1總體結構框圖設計
製作水溫測量儀，首先利用溫度感測器獲取被測量對象的溫度，將溫度轉換為電壓表示。然而上述表示的為絕對溫度與電壓的轉換關系，因此還需將絕對溫度與電壓的關系轉換為攝氏度與電壓的關系，這樣就完成電壓與攝氏度之間的直接轉換關系。之後將電壓放大，即可直接用電壓表讀出被測對象的溫度值。此外將放大後的電壓接至一電壓比較器，比較器輸出端接報警設備，如指示燈。在設置比較電壓（即比較溫度）後，由比較器輸出端的電壓決定指示燈的狀態，進而起到報警的作用。基本原理如圖 2.1.1所示：

圖 2.1.1基本原理圖

2.2溫度檢測電路設計
圖2.2.1 集成溫度感測器AD590

2.2．1 AD590簡介:
AD590是AD公司利用PN結正向電流與溫度的關系製成的電流輸出型兩端溫度感測器，如圖 2.2.1所示。這種器件在被測溫度一定時，相當於一個恆流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，並具有消除電源波動的 特性。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化。其主要參數如表2.2.1所示：
工作電壓 4～30V 反向電壓 －20V
工作溫度 －55～＋150℃ 焊接溫度（10秒） 300℃
保存溫度 －65～＋175℃ 靈敏度 1μA／K
正向電壓 ＋44V

表 2.2.1 AD590參數表

2.2.2 AD590的應用
AD590輸出阻抗達10MΩ，轉換當量為1μA/K。溫度—電壓轉換電路如圖 2.2.2所示：

圖 2.2.2 溫度—電壓轉換電路

溫度—電壓轉換分析：如圖 2.2.2所示，當將AD590置於水中時，根據水溫多少將提供恆流，方向如圖所示。由於在Uo輸出端接一電壓跟隨器從而增大輸入阻抗，電流幾乎全部流經電阻R。
由AD590轉換當量可知：
U01= UR=1μA/K×R=R×10-6/K (2 .2. 1)
在實際應用中可取R=10KΩ，則:
U01=10mV/K (2.2.2)
這樣可以實現溫度—電壓的轉換，取的所需電壓。

2．3 K—℃變換
2.3．1 K—℃變換減法電路
實現溫度—電壓轉換後，不能直接測量，仍需將絕對溫度轉換為攝氏度，即實現K—℃變換。絕對溫度（T）與攝氏度（t）之間的關系為：
T=t+273k （2.3.1）
由式 （2.2.2）與式 2.3.1可知要實現K—℃變換，必有：
Uo2=10mV/℃―2.73V (2.3.2)
該變換可用一個求和式加法器實現，如圖1.3.1所示：

圖 2.3.1 求和式加法器
求和式加法器分析：在理想運放的情況下，利用虛短與虛斷。有如下關系：

-UR/R2+U01/R1=U02/Rf1 (2.3.2)

設R2=R1=Rf1（2.3.3）

解式（2.3.2與式（2.3.3 ）得：
(1.3.5)
U02= （U01-UR） (2.3.4)

2.3.2 電壓的放大

放大器
設計一個反相比例放大器，使其輸出u03滿足100mV/℃。用數字電壓表可實現溫度顯示。

圖2.3.2

放大器的關系式：

U03/R4=U02/R3 ；
由R4/R3=10得

U03=10U02

2.4 比較器
2.4.1 電壓比較器原理：
由電壓比較器組成，如圖3所示。UREF為報警時溫度設定電壓，Rf2用於改善比較器的遲滯特性，決定了系統的精度。

由上式可知溫度與電壓之間的關系：
U=0.1V/ ℃
將放大後的電壓接直流電壓表，即可直接讀的溫度值,如:將AD590放入20℃的水中，可讀得電壓表的值為2V。
圖2.4.1(a)所示為一最簡單的電壓比較器，UR為參考電壓，加在運放的同相的輸入端，輸入電壓ui加在反相的輸入端。

(a) （b）
圖 2.4.1 電壓比較器原理原理圖
圖2.4.1 (b)所示為其傳輸特性。當Ui＜UR時，運放輸出高電平，穩壓管Dz反向穩壓工作。輸出端電位被其箝位在穩壓管的穩定電壓UZ，即Uo＝UZ。當ui＞UR時，運放輸出低電平，DZ正向導通，輸出電壓等於穩壓管的正向壓降UD，即 Uo＝－UD。因此，以UR為界，當輸入電壓ui變化時，輸出端反映出兩種狀態，高電位和低電位。
2.4.2 運算放大器比較器
以上介紹的是最簡單的電壓比較器原理。比較器是由運算放大器發展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應用電路。圖2.4.2 由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓Va經分壓器R2、R3分壓後接在同相端，Vb通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調電壓，則其輸出電壓Vout與Va、Vb及4個電阻的關系式為：
Vout=(1+RFR1 )( R3R2+R3 )Va- RFR1 Vb (2.4.1)
若R1=R2，R3=RF，則:
Vout= RFR1 (Va-Vb)， (2.4.2)
RF/R1為放大器的增益。當R1=R2=0(相當於R1、R2短 路)，R3=RF=∞(相當於R3、RF開路)時，Vout=∞。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖 2.4.3 的樣子，差分放大器處於開環狀態，它就是比較器電路。實際上，運放處於開環狀態時，其增益並非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小於正負電源電壓，也不可能是無窮大。
因此為了實現報警功能，可在輸出電壓端接一個電壓比較器，利用電壓的大小關系起到報警作用。

2.4.3圖

2.4.3 比較器實例

在本實例中採用圖2.4.4比較器。其中電阻參數取：R3=R4=10KΩ，Rf2=1000KΩ，在圖 2.4.4所示VCC3為報警時的溫度設定電壓。R3，R4用於穩定輸入電壓，決定了系統的精度。而 Rf2用於報警設備的輸入電阻，用於控制輸入電流的大小。

圖2.4.4 水溫測試儀電壓比較器電路

2.5報警設備
LED發光二極體：
報警設備可用一個發光二極體來充當，發光二極體LED，它是英文light emitting diode（發光二極體）的縮寫。發光二極體發熱量小，耗電少。
發光二極體有很多優勢：
1. 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用於公共場所。
2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%
3. 適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，並且適合於易變的環境
4. 穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%
5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級
6. 對環境污染：無有害金屬汞
報警分析：
當加與U2端的電壓大於設定溫度Uref時，U3有了正向輸出，二極體LED導通，發光，報警完成。

水溫測量儀運作過程總析
將上述器件加以組合得到圖2.6.1所示：
水溫測量過程及報警分析：將AD590放入水中，將會產生相應大小的電流，電流經過Ro，在Ro兩端產生電壓，進而由一個運放組成的電壓跟隨器輸出。然而經過絕對溫度與電壓的轉換後還需要變換為攝氏度與電壓的關系。於是在電壓跟隨器後接一個求和加法器以達目的，即加上一個-2.73V的電壓。可以利用穩壓管和運放電路來提供所需要的-2.73V電壓。
之後可將電壓跟隨器的輸出電壓與上式所求得的電壓接至求和加法器的兩端。在加法器（放大器）作用之後，我們獲得電壓與溫度的直接關系。在U03端接一電壓表，即可讀的溫度值。比如水的溫度為12℃，則電壓表的示數為1.2V。
完成了電壓的讀取，還需進行電壓比較以達到報警的目的。在1.5節中已經討論了比較器的原理。設計所要求的報警溫度為50℃，即比較電壓為5V。所以應該在比較器比較端VCC3接5V的恆壓源。
當輸出電壓U03<5V時，U04<0。此時二極體截止。當輸出電壓>5V時，U04>0。此時二極體導通, LED發光。報警過程完成。在實際應用中，我們取VCC1=12V。

第三章 水溫測量儀的模擬與製作

3.1 模擬軟體簡介
EWB是一種電子電路計算機模擬軟體，它被稱為電子設計工作平台或虛擬電子實驗室，英文全稱為Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司於1988年開發的，自發布以來，已經有35個國家、10種語言的人在使用。EWB以SPICE3F5為軟體核心，增強了其在數字及模擬混合信號方面的模擬功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以來，已經成為模擬集成電路設計的標准軟體。EWB建立在SPICE基礎上，它具有以下突出的特點：
（1）採用直觀的圖形界面創建電路：在計算機屏幕上模模擬實實驗室的工作台，繪制電路圖需要的元器件、電路模擬需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取；
（2）軟體儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。
（3）EWB軟體帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。
（4）作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟體交換數據。
（5）EWB還是一個優秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，模擬電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。

3.2 模擬電路的建立
我們用EWB建立電路模型，由於沒有AD590，我們可以利用一個恆流源代替AD590提供電流，比擬溫度的采樣。被減電壓2.73V我用了一個2.73V的電池來代替。電路模型如圖3.1.1，圖3.1.2所示：

3.3模擬效果分析
設置好電路以後，我們開始模擬。由於我們用了一個恆流源代替了AD590，即用電流源比作電壓的獲得。
1，取電流源電流值為200uA，即絕對溫度200K，轉換為攝氏度為-73℃。電壓表讀值為-7.3。可見與理論值相同，此時溫度比50度小。比較器輸出為負值。二極體不導通。圖中二極體未發光（雙箭頭所示）。
2，取電流源電流值為333uA，即絕對溫度333K，轉換為攝氏度為60℃.電壓表為6V。與理論相同，由於溫度比50度大，電壓U2>VCC3.比較器輸出正值，由於理想運放的緣故。圖中電壓表讀出值為19.8V是一個不確定正值。二極體在U3的作用下導通，發光（雙箭頭）.
由此可見理論值與實際值符合得很好。溫度能夠測得。