水温度测控装置设计整体框图

⑴ 模电课程设计——温度测量电路

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⑵ 探究水沸腾时温度变化的特点的实验步骤是怎样的

【实验器材和材料】秒表×1，铁架台×1，大铁圈×1，小铁圈×1，酒精灯×1，石棉网×1，烧杯×1，温度计×1，中间带小孔的硬纸板×1，火柴，坐标纸，水。
【实验步骤】
1.
按照实验装置图，按自下向上的顺序安装实验器材。
2.
在烧杯里加入适量的冷水，将烧杯放在石棉网上，烧杯上沿盖上中心有孔的硬纸板，把温度计穿过纸板孔并使温度计的玻璃泡完全浸入水中。
3.
用火柴点燃酒精灯，给盛了冷水的烧杯加热。
4.
当水温至90
℃时，每隔1
min记录一次温度，直到水沸腾后5
min为止。
5.
实验过程中应边观察边记录，将时间和温度记录在预先设计好的表格中。
6.
分析处理实验数据，绘制温度—时间关系曲线。
7.
做好实验后，把器材整理好。
【实验现象】
刚开始给冷水加热时，不久，在烧杯的器壁出现了许多小气泡，随着水的温度升高小气泡逐渐变大，并脱离烧杯器壁开始上升。而在气泡在上升的过程中逐渐变小，还没有到达液面就消失了，同时听到吱吱的响声。随着水的温度继续升高，发生了变化，脱离器壁的气泡在上升过程中逐渐变大，上升到水面破裂，这时水就沸腾了。在水沸腾前，水的温度逐渐升高，沸腾时水的温度稳定了，即使继续加热温度也不改变。如果把酒精灯撤掉以后，沸腾很快停止。

⑶ 求《单片机温度测量系统设计》的相关资料！

要：本文介绍了一种基于MSP430 单片机的温度测控装置。该装置可实现对温度的测量，并能根据设定值对环境温度进行调节，实现控温的目的。控制算法基于数字PID算法。

0 引言
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用[1]。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。
本文设计了一种基于MSP430单片机的温度测量和控制装置，能对环境温度进行测量，并能根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度的目的。

1 整体方案设计
单片机温度控制系统是以MSP430单片机为控制核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。
单片机温度控制系统控猜神制框图如下所示：

温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，降低环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度的目的。

2 温度信号检测
本系统中对检测精度要求不是很高，室温下即可，所以选用高精度热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻具有灵敏度较高、稳定性强、互换精度高的特点。可使放大器电路极为简单, 又免去了互换补偿的麻烦。
热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。而对于本设计，因为温度要求不高，是在室温环境下，热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系[2]，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。
给热敏电阻通以恒定的电流，可得到电阻两端的电压，根据与热敏电阻特性有关的温度参数T0 以及特性系数k，可得下式
T＝T0-kV(t) (1)
式中T为被测温度。
根据上式，可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放祥缓大，将热敏电阻测量到的电信号转化为0～3.6之间，才能在单片机中使用。
下图为放大电路原理图。稳压管的稳压值为1.5V。

由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测的精度，需用滤波电路对先对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选取该巴特沃斯二阶有源低通滤波电路的截止频率
fH=10 kHz 。

3 控制系统设计
3.0 软件设计
单片机温度控制器控制温度范围100℃到400℃，采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热和制冷设备的导通和关断时间，来提高和降低温度，以达到调节温度的目的。
软件设计中选取控制周期TC 为200(T1×C) ，导通时间取Pn ×T1×C ，其中Pn 为输出的控制量，Pn值介于0～200之间， T1 为定时器定时的时间，C为常数。由上两式可看出，通过改变T1 定时时间或常数C，就可改变控制周期TC 的大小。温度控制器控制的最高温度为400℃，当给定温度超过400℃时以400℃计算。
图3为采样中断流程图。

数模转换部分使用单片机自带的12位A/D转换器，能同时实现数模转换和控制，免去使用专用的转换芯片，使系统处理速度更快，精度更高，使电路简化。采样周期为500 μs ，当采集完16个点的数据以后，设置标志“nADCFlag =1”，通知主程序采集完16个点的数据，主程序从全局缓冲区里读出数据。
为进一步减小随机信号对系统精度的影响，A/D转换后，用平均值法对采样值进行数字滤波。每16个采样点取一次平均值。然后将计算到的平均值作为测量数据进行显示。同时，按照PID算法，对温度采样值和给定值之间的偏差进行控制谨兆模，得到控制量。采样全过程完成后就可屏蔽采样中断，同时启动T1定时[3]，进入控制过程。
温度值和热敏电阻的测量值在整个温度采样区间内基本呈线性变化，因此在程序中不需要对测量数据进行线性校正。MSP430的T1定时器中断作为控制中断，温度采样过程和控制输出过程采用了互锁结构，即在进行温度采样，温度值处理和运算等过程时T1不定时，待采样全过程进行完时再启动T1定时并同时屏蔽采样中断。T1定时开始就进入控制过程，在整个控制过程中都不采样，直到200(T1×C) 定时时间到，要开始新一轮的控制周期。在启动采样的同时屏蔽T1中断。
图4为T1定时中断流程图。

图中，M代表定时器控制周期计数值，N则表示由调节器计算出的控制量。首先判断控制周期TC是否己经结束。若控制周期TC已结束(即M=0)，则屏蔽T1定时器中断，进行新一轮温度采样；若控制周期TC还未结束〔即M≠0 〕，则开始判断导通时间是否结束。若导通时间己结束(即N=0)，则置输出控制信号为低，并重新赋常数C值，启动定时器定时，同时退出中断服务程序；若导通时间还未结束(即N ≠0 )，则置输出控制信号为高，控制执行其间继续导通，重新赋常数C值，启动定时器定时，同时退出中断服务程序。

3.1 数字PID
本文控制算法采用数字PID 控制，数字PID 算法表达式如下所示：

其中，KP 为比例系数；KI=KPT/TI 为积分系数；T 为采样周期，TI 为积分时间系数；KD=KPTD/T 为微分系数，TD 为微分时间系数。u(k) 为调节器第k次输出， e(k) 为第k 次给定与反馈偏差。
对于PID 调节器，当偏差值输出较大时，输出值会很大，可能导致系统不稳定，所以在实际中，需要对调节器的输出限幅[4]，即当|u|>umax 时，令u=umax 或u=-umax ，或根据具体情况确定。

3.2 温度调节
PI 控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出PWM 波，调节可控硅的触发相位的相位角，以此来控制执行部件的关断和开启时间，达到使温度升高或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的温度，进行近一步的控制修正，最终实现预期的温度监控目的。

4 结论
本设计利用单片机低功耗、处理能力强的特点，使用单片机作为主控制器，对室内环境温度进行监控。其结构简单、可靠性较高，具有一定的实用价值和发展前景。

参考文献
[1] 赵丽娟，邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现.机械制造，2006，44(1)
[2] 张开生，郭国法.MCS-51 单片机温度控制系统的设计.微计算机信息，2005，(7)
[3] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙..MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社，2004，148-155
[4] 赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，1994:90-95

⑷ 智能型即热式热水器的控制主程序设计

电热式 热水器可以分为储水式和即热式两种；即热式热水器又可以分为电热管和电热膜两种。总体来说，电热水器，特别是即热式热水器已逐渐成为家庭生活的新时尚。其特点是安全、出热水快、节水节能、体积小、价格低。本设计的主要特点就是恒温以及温度可调。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而进一步提高产品的质量。
本设计运用80C51单片机系统为主控制芯片。其外围电路主要由水温检测和A/D转换，晶闸管控制、水温和状态显示、按键输入以及稳压电源等部分组成该热水器的工作原理为：温度传感器及有关电路将电热水器出口温度转化为电压，单片机利用本身具有的AD转换器将测得的模拟量转换为数字量，再转化为与之对应的温度值。与设定的温度相比较后，以偏差及其变化量为输入、加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到温度自调的目的，并加以显示。
基于以上原理,该电热水器将实现如下的功能：
1、对温度精确控制,采用高性能的温敏电阻实时采集热水器内水温,将温度信号转变为电压信号后送单片机处理,可用LCD进行实时显示.
2、能显示当前的时间，热水器的实际温度。 3、自动检测热水器是否处于正常工作状态，并具有调温、恒温、防超高温等多项自检功能，使用户在使用过程中安全更有保障。 。
2 本次设计的目的
毕业设计,是培养学生综合运用本专业基础理论,基本知识和基本技能分析解决实际问题能力的一个重要环节;是本专业各个先前教学环节的深化和检验.通过毕业设计,使学生在实际的电子操作、修理工作中,充分利用所学的专业知识,理论联系实际,独立开展工作,从而使学生具备从事电子工作的实际能力.
毕业设计的具体目的有:
? 培养学生综合运用所学知识和技能,解决电子系统规划,可行性研究,系统分析,系统设计,以及电子系统运用中实际问题的能力;
? 训练提高我们的调查研究、整理资料、分析论证和文字写作能力，培养学生的创新意识,求实的科学作风以及刻苦钻研的精神。
? 提高我们自学的能力，充分利用Protel99画原理图，单片机软件编程等。
? 进一步训练和提高我们计算机辅助设计的应用能力。能让我们受到单片机系统开发的综合训练，达到初步进行单片机系统设计和调试的目的。

⑸ 模电课程设计 水温测量仪

第二章 水温测量仪的设计

2.1总体结构框图设计
制作水温测量仪，首先利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。然而上述表示的为绝对温度与电压的转换关系，因此还需将绝对温度与电压的关系转换为摄氏度与电压的关系，这样就完成电压与摄氏度之间的直接转换关系。之后将电压放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。此外将放大后的电压接至一电压比较器，比较器输出端接报警设备，如指示灯。在设置比较电压（即比较温度）后，由比较器输出端的电压决定指示灯的状态，进而起到报警的作用。基本原理如图 2.1.1所示：

图 2.1.1基本原理图

2.2温度检测电路设计
图2.2.1 集成温度传感器AD590

2.2．1 AD590简介:
AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，如图 2.2.1所示。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的 特性。即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。其主要参数如表2.2.1所示：
工作电压 4～30V 反向电压 －20V
工作温度 －55～＋150℃ 焊接温度（10秒） 300℃
保存温度 －65～＋175℃ 灵敏度 1μA／K
正向电压 ＋44V

表 2.2.1 AD590参数表

2.2.2 AD590的应用
AD590输出阻抗达10MΩ，转换当量为1μA/K。温度—电压转换电路如图 2.2.2所示：

图 2.2.2 温度—电压转换电路

温度—电压转换分析：如图 2.2.2所示，当将AD590置于水中时，根据水温多少将提供恒流，方向如图所示。由于在Uo输出端接一电压跟随器从而增大输入阻抗，电流几乎全部流经电阻R。
由AD590转换当量可知：
U01= UR=1μA/K×R=R×10-6/K (2 .2. 1)
在实际应用中可取R=10KΩ，则:
U01=10mV/K (2.2.2)
这样可以实现温度—电压的转换，取的所需电压。

2．3 K—℃变换
2.3．1 K—℃变换减法电路
实现温度—电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K—℃变换。绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为：
T=t+273k （2.3.1）
由式 （2.2.2）与式 2.3.1可知要实现K—℃变换，必有：
Uo2=10mV/℃―2.73V (2.3.2)
该变换可用一个求和式加法器实现，如图1.3.1所示：

图 2.3.1 求和式加法器
求和式加法器分析：在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。有如下关系：

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

设R2=R1=Rf1（2.3.3）

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

2.3.2 电压的放大

放大器
设计一个反相比例放大器，使其输出u03满足100mV/℃。用数字电压表可实现温度显示。

图2.3.2

放大器的关系式：

U03/R4=U02/R3 ；
由R4/R3=10得

U03=10U02

2.4 比较器
2.4.1 电压比较器原理：
由电压比较器组成，如图3所示。UREF为报警时温度设定电压，Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定了系统的精度。

由上式可知温度与电压之间的关系：
U=0.1V/ ℃
将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:将AD590放入20℃的水中，可读得电压表的值为2V。
图2.4.1(a)所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。

(a) （b）
图 2.4.1 电压比较器原理原理图
图2.4.1 (b)所示为其传输特性。当Ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即Uo＝UZ。当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即 Uo＝－UD。因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。
2.4.2 运算放大器比较器
以上介绍的是最简单的电压比较器原理。比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。图2.4.2 由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，Vb通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：
Vout=(1+RFR1 )( R3R2+R3 )Va- RFR1 Vb (2.4.1)
若R1=R2，R3=RF，则:
Vout= RFR1 (Va-Vb)， (2.4.2)
RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短 路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图 2.4.3 的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。
因此为了实现报警功能，可在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系起到报警作用。

2.4.3图

2.4.3 比较器实例

在本实例中采用图2.4.4比较器。其中电阻参数取：R3=R4=10KΩ，Rf2=1000KΩ，在图 2.4.4所示VCC3为报警时的温度设定电压。R3，R4用于稳定输入电压，决定了系统的精度。而 Rf2用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。

图2.4.4 水温测试仪电压比较器电路

2.5报警设备
LED发光二极管：
报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管LED，它是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写。发光二极管发热量小，耗电少。
发光二极管有很多优势：
1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
6. 对环境污染：无有害金属汞
报警分析：
当加与U2端的电压大于设定温度Uref时，U3有了正向输出，二极管LED导通，发光，报警完成。

水温测量仪运作过程总析
将上述器件加以组合得到图2.6.1所示：
水温测量过程及报警分析：将AD590放入水中，将会产生相应大小的电流，电流经过Ro，在Ro两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。于是在电压跟随器后接一个求和加法器以达目的，即加上一个-2.73V的电压。可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的-2.73V电压。
之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至求和加法器的两端。在加法器（放大器）作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。在U03端接一电压表，即可读的温度值。比如水的温度为12℃，则电压表的示数为1.2V。
完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。在1.5节中已经讨论了比较器的原理。设计所要求的报警温度为50℃，即比较电压为5V。所以应该在比较器比较端VCC3接5V的恒压源。
当输出电压U03<5V时，U04<0。此时二极管截止。当输出电压>5V时，U04>0。此时二极管导通, LED发光。报警过程完成。在实际应用中，我们取VCC1=12V。

第三章 水温测量仪的仿真与制作

3.1 仿真软件简介
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。

3.2 仿真电路的建立
我们用EWB建立电路模型，由于没有AD590，我们可以利用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样。被减电压2.73V我用了一个2.73V的电池来代替。电路模型如图3.1.1，图3.1.2所示：

3.3仿真效果分析
设置好电路以后，我们开始仿真。由于我们用了一个恒流源代替了AD590，即用电流源比作电压的获得。
1，取电流源电流值为200uA，即绝对温度200K，转换为摄氏度为-73℃。电压表读值为-7.3。可见与理论值相同，此时温度比50度小。比较器输出为负值。二极管不导通。图中二极管未发光（双箭头所示）。
2，取电流源电流值为333uA，即绝对温度333K，转换为摄氏度为60℃.电压表为6V。与理论相同，由于温度比50度大，电压U2>VCC3.比较器输出正值，由于理想运放的缘故。图中电压表读出值为19.8V是一个不确定正值。二极管在U3的作用下导通，发光（双箭头）.
由此可见理论值与实际值符合得很好。温度能够测得。