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(多图) 温控系统的信号采样放大及A/D转换电路设计

来源:微计算机信息/作者:郑爱红 周仲?? 2006年12月09日 ?? 收藏0

?????? 一。简介

  本温度控制和显示系统是一个闭环反馈控制系统,它用温度传感器将检测到的温度信号经放大,A/D转换后送入计算机中,与设定值进行比较,得到偏差。对此偏差按PID算法进行修正,返回对应工况下的可控硅导通时间,调节电热丝的有效加热功率,从而实现对铁块的温度控制。  

??????? 系统采用AT89C52芯片为CPU,外扩了8K的数据存储器6264。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能的CMOS 8位单片机,片内含8K的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。

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AT89C52的主要性能参数有: 

  • 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。

  • 8K可重擦写的闪速存储器。 

  • 1000次擦写周期。 

  • 全静态操作:0Hz-24MHz。 

  • 三级加密程序存储器。 

  • 256×8字节内部RAM。 

  • 32个可编程I/O口线。 

  • 3个16位的定时/计数器。 

  • 8个中断源。 

  • 可编程串行UART通道。 

  • 低功耗空闲和掉电模式。  

?????? AT89C52提供以下标准功能:8K字节的Flash闪速存储器,256字节的内部RAM,32个I/O口线,3个16位的定时/计数器,一个6向量两极中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式:空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

????????二.控制系统的原理

  本温度控制和显示系统中,单片机系统用控制对铁块的加热时间来控制铁块的温度,铁块的温度经检测,放大,校正和A/D转换后送入单片机,由单片机计算当前值,然后根据PID控制规律返回可控硅导通的脉冲个数Tn,通过比较Tn和当前可控硅导通的脉冲个数决定打开关闭双向可控硅。铁块的温度给定和PID控制器参数设定用单片机系统的键盘来实现。控制系统结构框图如下:

控制系统结构框图

  系统的数据采集主要是对铁块现时温度的检测转换,温度的检测由铂电阻完成,用电桥得到差动值,经差动放大器放大后,送入A/D转换器进行转换,最后送入处理器处理。  

??????? 温度传感器和信号放大电路如下图所示:

温度传感器和信号放大电路图

  我们使用电桥读取铂电阻的输出信号,图中TL431电路部分为供桥电压产生电路,因为供桥电源的变化几乎是一比一的反映到电桥电压输出,所以供桥电源的稳定与否直接影响到温度采样的精度。当系统有一精度足够的+10V电源时,TL431电路部分可以省略。电桥部分桥上臂电阻选22KΩ,右下臂电阻选100Ω,电桥输出电压为:       

电桥输出电压(1) 

??????? ?假设系统温度变化范围为0-120℃,则根据(1)式得电桥输出电压范围约为:0-20mV。  

??????? 信号放大部分属于V-V放大,前面我们已经知道电桥的输出电压为0-20 mV,而A/D转换的输入电压为-5V-+5V,我们选用单极性输入+3V,这样可以确定放大器的增益为150倍(3V/20 Mv)。放大器的极数与单极放大器的带宽增益有关,由于铁块控制系统中测量速度不是主要的,也就是说带宽问题不予考虑,如果我们选用带宽增益积较大的芯片,则使用单极放大就足够了。在这里我们选用差分式斩波稳零高精度运算放大器ICL7650。一级放大接成双端差分输入,单端输出形式。放大器接成T型反馈网络,则放大器的放大倍数为:    

放大器的放大倍数(2)  

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温控系统? 信号采样放大? A/D转换电路?

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