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《大学生电子竞赛设计与实践》.ppt

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温度/角度/速度等参数监控系统 分析与设计,安徽工业大学电气信息学院,www.themegallery.com,LOGO,Contents,传感器分析,原则竞赛中使用的传感器一般都是通用、廉价的普通传感器,通过它们把自然界中的一些模拟量反映到电路中加以控制和展示。,温度及其检测技术,许多物理现象和化学性质都与温度有关,许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度和控制温度。温度测量的场合极其广泛, 随着科学技术的进步,使得测温技术迅速发展,如测温范围不断拓宽,测温精度不断提高,新的测温传感器不断出现。温度传感器的选择,要根据测温范围、精度以及性价比等因素合理选择。,热电偶,热电偶的测温原理基于热电效应:将两种不同的导体A和B连成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生热电势EAB(T,T0),热电势和被测温度之间为非线性对应关系,并受参考点温度影响。 热电偶测温的特点是测温范围宽,测量精度高,性能稳定,结构简单,且动态响应较好;输出直接为电信号,可以远传,便于集中检测和自动控制。,热电偶,薄膜热电偶由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶优点:热容量小,动态响应快,可用于微小面积上温度测量, 或快速变化的物体表面温度测量测温范围:-200~300 ℃,热电阻,金属热电阻 (热电阻) & 半导体热电阻 (热敏电阻)热电阻 电阻的热效应:利用金属电阻随温度变化的规律进行测量 测温范围:-200~850℃ 材料要求: 电阻温度系数要大:电阻率尽可能大,热容量要小 测量范围内,应具有稳定的物理和化学性能;电阻与温度的关系最好接近于线性;应有良好的可加工性,且价格便宜。 骨架材料的体膨胀系数要小,机械强度和绝缘性能良好,耐高温腐蚀(云母、石英、陶瓷、玻璃和塑料等),热电阻,标准热电阻 铂电阻:测温范围广、体积小,价格较高测温范围:-200~850 C ;Rt=R0(1+At+Bt2); 当-200~0 CRt=R0[1+At+Bt2 +Ct3(t-100)]; 当0~850 C 温度升高,阻值增加。分度号: Pt10, Pt100 铜电阻:线性好,价格低,但体积大,热响应慢测温范围:-50~150 C ;Rt=R0(1+t);近似线性;分度号: Cu50, Cu100,温度0℃时的电阻值,下标:0 ℃的电阻值,热电阻,,热敏电阻,用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件 有正温度系数、负温度系数、 临界温度系数三种 优点:α值一般为金属热电阻的十几倍,灵敏度高;阻值高,引线电阻可忽略;结构简单,响应快;价格便宜。 缺点:互换性差,稳定性不好。在精度要求不高或作为温度开关 元件时推荐使用,热电阻温度计,热敏电阻结构形式,半导体温度检测技术,PN结测温原理,PN结的伏安特性可用下式表示:,,,当,时,上式可表示为,,则,,由此可见,只要通过PN结上的正向电流I保持恒定,PN结上的正向压降U与温度T的线性关系只受反向饱和电流IS的影响。,IS是温度的缓变函数,选择合适的参杂浓度,就可认为在一定的温度范围内,IS近似常数,因此,正向压降U与温度T的线性关系,,以上分析的是PN结温度传感器的基本原理。,半导体温度检测技术,1. 集成温度传感器的构成原理,,集成温度传感器的信号输出方式,1)电压输出型,2)电流输出型,集成温度传感器AD590,线性电流输出:正比于热力学温度。 宽温度范围:-55~+150℃。 精度高:激光校准精度到±0.5℃(AD590M)。 线性好:满量程范围±0.3℃(AD590M)。 电源范围宽:+4~+30V,器件反接也不会被损坏 。,AD590可串联工作也可并联工作,如图所示。将几个AD590单元串联使用时,显示的是几个被测温度中的最低温度;而将其并联可获得被测温度的平均值。,集成温度传感器AD590,(a) 串联 (b) 并联 AD590串并联使用,集成温度传感器LM35,LM35是电压输出型集成温度传感器,该传感器有TO—46和TO—92两种封装。,等效电路及封装形式,LM35单电源测温 LM35 +2~+150℃测温 LM35满程测温,图1采用LM35构成的单电源温度传感器电路,UO为温度相应的输出电压。图2是采用LM35构成+2~+150℃温度传感器电路。图3是采用LM35构成的满程摄氏温度计,输出UO=+1500 mV相当于+150℃、UO=+250mV相当于+25℃、UO=-550 mV相当于-55℃。,数字温度传感器DS18B20,在传统的模拟信号远距离温度测量系统中,需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题,才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣,各种干扰信号较强,模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差,影响测量精度。因此,在温度测量系统中,采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案。新型数字温度传感器DS18B20在其内部使用了在板专利技术,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内,具有体积小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可轻松地组建传感器网络等优点,为测量系统的构建引入全新概念,在实际应用中取得了良好的测温效果。,数字温度传感器DS18B20,DS18B20的封装 DS18B20的封装采用TO-92和8-Pin SOIC封装,外形及管脚排列如图 DS18B20引脚定义:GND 为电源地。DQ 为数字信号输入/输出端。VDD 为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。NC 空引脚。,DS18B20内部结构图如图所示。主要包括:寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、存放中间数据的高速暂存器RAM、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器、8位CRC生成器(完成通信时的校验)等部分,数字温度传感器DS18B20,1)寄生电源寄生电源由二极管VD1、VD2、寄生电容C和电源检测电路组成,电源检测电路用于判定供电方式,DS18B20有两种供电方式:3V~5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式(直接从数据线获取电源)。寄生电源供电时,VCC端接地,器件从单总线上获取电源。当I/O总线呈低电平时,由电容C上的电压继续向器件供电。该寄生电源有两个优点:第一,检测远程温度时无需本地电源;第二,缺少正常电源时也能读ROM。 2)64位只读存储器ROMROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。,数字温度传感器DS18B20,数字温度传感器DS18B20,3)温度传感器DS18B20中的温度传感器可以完成对温度的测量。DS18B20的温度测量范围是-55℃~+125℃,分辨率的默认值是12位。DS18B20温度采集转化后得到16位数据,存储在DS18B20的两个8位RAM中,高字节的高5位S代表符号位,如果温度值大于或等于零,符号位为0;温度值小于零,符号位为1。低字节的第四位是小数部分,中间7位是整数部分。 4)内部存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPROM,EEPROM用于存放高温度和低温度触发器TH、TL和配置寄存器的内容。高速暂存存储器由9个字节组成。,5)配置寄存器 暂存器的第五字节是配置寄存器,可以通过相应的写命令进行配置其内容如下表:低五位一直都是“1”,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。R1和R0用来设置DS18B20的分辨率 。,数字温度传感器DS18B20,机械量及其检测技术,机械量的测量范围包括:尺寸、位移、角度、速度、加速度等,机械量的测量广泛采用非电量的电测法,如电阻、电容、电感、磁电、压电、压磁、光电、霍尔等,此外还有超声波、CCD、MEMS等。,编码器是一种数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出 优点:测量精度和分辨力高,抗干扰能力强,能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差,便于用 计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE) 角度数字编码器(码盘)或直线位移编码器(码尺) 原理分类:电触式、电容式、感应式和光电式等 ,常用:光电式,光电码盘,光电码盘,用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。,1-光源 2-柱面镜 3-码盘 4-狭缝 5-元件,光电码盘,码盘和码制,6位二进制码盘,根据码盘的起始和终止位置就可确定转角,与转动的中间过程无关。,光电码盘,单盘与多盘编码器:单盘编码器:全部码道在一个圆盘上,结构简单,使用方便。但当位数要求增多的情况下,若要求具有很高的分辨力,则制造困难,圆盘直径也要大。 多盘编码器采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组,则可大大提高分辨率,而且可以用来测定转速。,超声波,超声波脉冲法测距原理: 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射;反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的,而且声波从声源到达目标往返的时间也是可测的,那么就可以计算出从声波到目标的距离。这就是本系统的测量原理。这里声波传播的介质为空气,采用不可见的超声波。 假设室温下声波在空气中的传播速度是335.5m/s,测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒,距离d可以由下列公式计算: d=33550(cm/s)×t(s) 因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍,声源与目标之间的距离应该是d/2。,超声波,一般需要对声速v进行温度补偿,声波在介质中传播会衰减:气体最大,液体次之,固体最小。传播距离。,声波传播的方向性:频率越高方向性越好,超声波可近似认为是直线传播。,声波从一种介质到另一种介质传播时的反射:声阻抗相差越大,反射的越多。,垂直入射时:,从液体、固体,气体,,99%的反射系数,声波几乎全部被反射。,声速:常温下,空气中,334m/s;水中,1440m/s;钢铁,5000m/s。声速不仅与介质有关而且与温度有关。,超声波,VCC(DC5V) Trig(发射端)Echo(接收端)GND(地),超声波,,测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2,单轴倾角传感器SCA60C,α= arcsin[(Vout-offset)/Sensitivity ] 当供电电压为5V时,α= arcsin(0.5Vout-1.25),控制类作品系统设计,一、明确电子系统的设计任务要求 二、方案选择(几个方案比较,确定最佳方案) 三、单元电路的设计、参数计算和器件选择1.单元电路设计 2.参数计算3.器件选择四、计算机辅助设计1. 原理电路图的绘制 2.电子电路的仿真3.印刷电路板的设计 五、电子电路的组装和调试,2010年黑龙江省赛C题,1.1 题目要求设计并制作一个水温自动控制系统,控制对象为1L净水,容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动控制,以保持设定的温度基本不变。 1.1.1 基本要求 (1)温度设定范围为40~90℃,最小区分度为1℃,标定温度≤1℃。 (2)环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差≤1℃。 (3)用十进制数码管显示水的实际温度。 1.1.2 发挥部分 (1)采用适当的控制方法,当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时,减小系统的调节时间和超调量。 (2)温度控制的静态误差≤0.2℃。 (3)在设定温度发生突变(由40℃提高到60℃)时,自动打印水温随时间变化的曲线。 1.1.3 说明 (1)加热器用一千瓦电炉。 (2)如果采用单片机控制,允许使用已有的单片机最小系统板。 (3)数码显示部分可以使用数码显示模块。 (4)测量水温时只要求在容器内任意设置一个测量点。 (5)在设计报告附一篇400字以内的报告摘要。,水温控制系统关键部分确定,水温控制系统是一个过程控制系统,在设计的过程中,必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有:控制器、执行器、被控对象和测量变送单元,其框图如图所示。由图可知,在这个系统的设计中,主要设计如图几个部分。除此之外,根据题目要求,还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。控制器的确定和控制算法的选择两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣,所以这是一项不容怱视的工作。,CPU中央处理器,方案一:此方案采用SPCE061A单片机实现。SPCE061A单片机除具有体积小,集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点外,内置8路ADC,2路DAC。在实现控制系统中,采用SPCE061A为前端采集单元,具有较好的同步性和实时性。且内嵌32K字闪存FLASH,处理速度高,集成开发环境中,配有很多语音播报函数,实现语音播报极为方便。另外,比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口,可以方便实现在线调试,这大大加快了系统的开发与调试。,CPU中央处理器,方案二:此方案采用89C51单片机实现,此单片机软件编程自由度大,可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但在数据采集时必须使用A/D(数/模转换),且在选择A/D时需考虑3个方面的内容:一是如何针对系统的需求,选择合适的A/D器件;二是如何根据所选的A/D器件设计外围电路与单片机的接口电路;三是编写控制A/D器件进行数据采集的单片机程序,这些大大加大了工作量。若要增加语音播报功能,还需要外接语音芯片及接口,加繁了外围电路设备,大大增加了软件实现难度。此外51单片机内部无在线仿真、编程接口,就需要用仿真器来实现软硬件调试,较为繁琐。,CPU中央处理器,将两个方案一比较便可得出一个结论,采用凌阳单片机来实现本题目,不管是从结构上,还是从工作量上都占有很大的优势,所以最后决定用SPCE061A作为该控制系统的核心。,常用温度控制系统分析,⑴ 常规PIDPID在温度控制中已使用数十年,是一种成熟的技术,它具有结构简单、易于理解和实现,且一些高级控制都是以PID为基础改进的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有PID结构,在目前的温度控制领域应用十分广泛,即使在科技发达的日本,PID在其温度控制应用中仍然占80%的比例。其主要构成如图。,由图可知PID调节器是一种线性调节器,这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为:其中 ---为调节器的比例放大系数---为积分时间常数 ---为微分时间常数 PID调节器的离散化表达式为,,,,,,,,,其增量表达形式为其中T为采样周期。 可见温度PID调节器有三个可设定参数,即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。 比例调节的作用是使调节过程趋于稳定,但会产生稳态误差; 积分作用可消除被调量的稳态误差,但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定; 微分作用能有效的减小动态偏差。 在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护. 常规PID控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法,它能满足一般工业控制的要求,其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用PID控制,控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。对一个控制系统而言, 只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。,,,⑵ 自动控制方式为了实现温度的自动控制,必须要组成一定的系统结构。如图,该控制系统是把输出量检测出来,经过物理量的转换,再反馈到输入端去与给定量进行比较(综合),并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR对控制对象进行控制,抑制内部或外部扰动对输出量的影响,减小输出量的误差,达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器,它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。,,常用的控制算法有以下几种 ① 经典的比例积分微分控制算法。 ② 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。 ③ 根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的,在实时过程控制中,由于控制对象的精确数学模型难于建立,系统参数经常发生变化,运用控制理论进行综合分析要花很大代价,主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时,所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。,系统硬件设计,总体设计框图及说明 本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现温度的自动测量和控制,本系统采用了SPCE061A单片机作为系统的控制中心,由数据采集模块检测到的温度信号传入单片机,并根据接收到的数据进行处理和控制运算,同时将数据保存,以便与下一次采样值进行比较,通过软件对所测电压进行数字非线性校正,同时由显示器进行实时显示。根据系统程序控制,进行PID运算以及输出控制,最终由CPU控制加热回路SSR的通断,达到调功的目的。系统还提供了键盘设定模块及打印机接口,便于用户与系统之间的对话。系统的硬件结构较简单,由若干个功能模块组成。,系统硬件设计,,键盘设定:用于温度设定,共三个按键。 数据采样:将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号,送入SPCE061A相应接口中,经AD转换后,换算成温度值,用于播报和显示。 数据显示:采用了共阴极数码管LED5641A进行显示设置温度与测量温度。 串行口传输:将采样温度值,上传至PC机,以利用PC的图形处理功能来描绘曲线并打印。 继电器/热电炉:通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的功率控制。 语音播放:语音播放水温设置温度,并播报整数温度变化。,软件编程,其程序结构应包括:主控程序模块、键盘扫描及处理子程序、采样数据处理子程序、PID算法子程序、语音播报及显示等子程序几个部分。结构框图如图。,主程序,键值处理,A/D转换,数据采样的中断程序,控制程序中断程序,设计报告写作方法,,设计报告写作是对学生写科学论文和科研总结报告的能力训练。通过写报告,不仅把设计、组装、调试的内容全面总结,而且把实践内容上升到理论高度。,设计总结报告的评分标准,设计总结报告的基本要求,引言,介绍本设计做什么?What? 为什么做?Why? 采用什么方法作?How to ?说明意义和主要主要方法和工具,言简意赅。,方案设计与论证,总体方案描述。建议用框图形式,并辅以文字说明。 子系统划分; 列出关键技术; 针对子系统、和关键技术论证方案的选择。 论证的对比点:性能(精度、稳定性、抗干扰性)、复杂度、成本。 最终选择的方案,应该是个折衷,要有理由,要能自圆其说。,原理分析与硬件电路图,和上一部分选择的方案要对应; 具体分析各个模块的工作原理; 给出原理图; 根据设计指标,计算原理图中器件参数。,软件设计,软件的功能描述; 软件的模块划分; 软件系统流程图(整个系统); 关键模块的流程图及说明; (需要重点注意中断、主程序之间的关系),系统测试与误差分析,测试环境 测试仪器 测试方法 测试数据 误差分析,结论,功能总结:是否完成了基本功能和发挥功能;还有什么特色。 性能总结:结合测试结果,给出最终性能指标。 不足总结。,摘要,300字左右 浓缩全文,突出特色。 设计了什么,有什么功能,达到了什么指标。有什么特色。 简练、准确。 不要把引言和结论的内容直接拷贝。 不要介绍常识的内容; 一般不要对论文内容作诠释和评论 尽量用第三人称,不必使用 “作者、我们、笔者等字样作为主语; 英文多用被动句。 缩略语代号,除了相邻专业读者也能清楚理解的以外,在首次出现时必须加以说明。,论文写作工具,Office 2003 文档 Visio 2003 流程图 Protel 99SE 原理图 MathType 5.2 公式,经验总结,赛题分析 1. 即明确所要设计系统的功能、性能、技术指标及要求、注意事项等,推荐尽量把任务书的基本部分和发挥部分一起来考虑。 2. 明确所要测量或实现参数的物理意义。 3. 明确所实现参数的值或精度范围的理论计算方法、实际测量的方法(包括测量值的有效数字位数、次数的确定)及测量仪器类型,以便使指标与测量结果进行比较,来表明所完成任务的优劣度。,方案论证与比较,总的原则:使用实验室条件允许的、自己熟悉、易于实现、硬件调试少、测试效果好、稳定性高的方法和手段来实现设计。尽量选取自己曾经使用过的器件,因为有些器件在使用时有些特点需要一段时间摸索才能熟悉。在赛题允许的情况下,一般优先选择专用集成电路芯片,其次尽量使用运算放大器,最后在选择使用晶体管等分立元件,这样一方面会减小调试的工作量,另一方面提高测试结果的准确度。,组装调试,1. 设计系统的物理外观尽量美观、位置合理。 2. 仔细组装电路,避免手直接接触芯片管脚,牢固固定 PCB板防止震动,引起系统工作不正常。 3. 调试要仔细,仔细检查电路后在通电源,防止因电源反接烧毁电路。 4. 系统调试通过后,如有富余是需通电是系统工作至少半个小时以上。 5. 确保计算机处于正常工作状态(无病毒),做好设计软件程序的备份工作,以防误删或感染病毒。 6. 防止意外事情造成设计硬件的损坏。,常用模块,1、电源(电源模块12V、9V、6V、5V、3.3V) 2、最小系统 3、键盘 、数码管、液晶显示 5、AD、DA 6、温度、湿度、压力、角度、声、光传感器(寻迹光耦、霍尔传感器和磁钢,光电码盘,避障的光电开关,趋光的光敏电阻或者光敏二极管,接近开关、角度传感器、超声波) 7、电机、继电器 8、比较器模块(LM339、LM393),运放(TL082、TL084),常用程序,1、LCD显示程序、键盘输入程序; 2、AD\DA SPI传输程序; 3、数据处理算法; 4、电机控制程序, 5、PWM通道; 6、延时和计时; 7、秒表、测速、测距、寻迹算法、避障算法等等;,作业:智能体温计,设计一个电子温度计,能够通过温度传感器测量并显示被测量点的温度 ⑴ 系统前端部分归一化输出,即0 ~+50 ℃线性对应0 ~ 5 V ⑵ 系统前端部分应具有输出保护电路,使其输出电压不超过5V; ⑶ 系统每秒采集一次温度,经滤波、计算等处理后实时显示温度值,测量精度为±0.1℃; ⑷ 系统每分钟用语音报告一次所测温度当前值; ⑸ 系统可在0~50℃的范围内任意设预警温度值(默认值设定为37.0℃),当所测温度超过预警温度值时,系统立即报警,预警值的设定应可随时更改。 发挥部分:⑴ 记录测试结果并在点阵式LCD屏上显示2分钟内的温度变化曲线;⑵ 非接触式测量。(测量精度为±0.2℃),
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