内容发布更新时间 : 2024/12/22 22:16:37星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统电路采用的晶体振荡器频率为11.0592MHz。采用这种频率的晶体振荡器的原因是可以方便的获得标准的波特率。复位电路和时钟电路如图2所示。
图2 复位电路和时钟电路
3.3 输入通道设计
系统输入通道的作用是将温控箱的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量(电压)还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A／D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。输入通道由传感器、A／D转换等电路组成。
3.3.1 Ptl00温度传感器
温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此，在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。Ptl00型铂电阻，在-200℃~850℃范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。由于在本系统中，测温范围较大(在室温到600℃之间)，且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Ptl00铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。
铂电阻温度传感器主要有两种类型：标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。考虑到成本，故在本系统中采用工业级Ptl00铂电阻作为温度传感器。
铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。按照接线方式的不同又可以分为二线制、三线制和四线制几种。本系统采用的是恒流四线制接法对Ptl 00铂电阻进行
采样。铂电阻温度传感器采样电路如图3所示。该电路将温控箱的温度转化为电压输出。
采用恒流四线制接法的测温电路中需要用到一个稳定的基准电压源。本系统采用精密基准电压源LM399H产生基准电压，图中参考电压％EP即来自LM399H。基准电压源电路如图4所示。
LM399H是内置恒温槽高精度基准电压源，输出电压6.9999V。它是迄今为止同类产品中温度系数最低的器件，内部有恒温电路，保证了器件的长期稳定性。本系统中基准电压源产生的电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给A／D转换电路使用。
图3 温度传感器电路 图4 基准电压源电路
铂电阻温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测量的，根据IEC(International Electrician Committee)标准751-1983：
Rt?Ro[1?At?Bt2?C(t?100)t3] (-200℃ 其中，Rt为t℃时的电阻值，Ro为0℃时的电阻值。图5所示为铂电阻温度电阻曲线。 图5 铂电阻温度／电阻曲线 由于本系统中温控箱的温度范围在室温至600℃之间，故只针对(2)式进行讨论。 由(2)式可知，铂电阻温度传感器在其测量范围内具有非线性，即阻值变化具有饱和特性。为了减少铂电阻的饱和特性给温度测量带来的误差，这里采用最小二乘法对铂电阻的非 线性进行优化。 在0-800℃之间均匀的抽取100个温度点，对应的铂电阻阻值利用(2)式计算出来，然后将此电阻值代入图3所示采样电路求得电压值，这样就有100组数据点。对这100组温度和电压数据利用最小二乘法进行拟合，求出温度与电压关系的三次多项式为： 23 (3) t??247.703?2399.380Uo?68.165Uo?460.117Uo求解出测温多项式后，在0-800℃之间随机抽取1O个点，对此多项式进行检验，其结果如表1所示。 实际温度(℃) 39.00 117.00 195.00 291.00 351.00 429.00 507.00 624.00 702.00 780.00 表1 实际温度、测得温度对照表 计算温度(℃) 38.993 117.019 195.013 282.995 350.982 428.982 506.996 624.023 702.019 779.961 误差(℃) -0.007 0.019 0.013 -0.005 -0.018 -0.018 -0.004 0.023 0.019 -0.039 由上表可以看到经过最小二乘法优化之后，(2-3)式误差绝对值的最大值仅为0.039℃，测量精度已经满足系统的要求。 3.3.2 A／D转换 在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A／D转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A／D转换的器件即为A／D转换器。 A／D转换器的主要性能参数有： (1)分辨率表示A／D转换器对输入信号的分辨能力。A／D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示； (2)转换时间指A／D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远： (3)转换误差表示A／D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示； (4)线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的A／D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型的A／D转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。温度控制中A／D转 换是非常重要的一个环节。传统的电路设计方法是在A／D转换前增加一级高精度的测量放大器，这样 就增加了成本，电路也较为复杂。综合考虑，本系统选用AD(ANALOG DEVICES)公司生产的16位AD转换芯片AD7705作为本温控系统的A／D转换器。 AD7705是AD公司生产的16位Σ-Δ型A／D转换器。它包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路、调制器、可编程数字滤波器等部件组成。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A／D转换。 AD7705采用三线串行接口，具有两个全差分输入通道，能达0.003％非线性的16位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还可以选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工作电压3V或5V，在3VI作电压时，器件的最大功耗仅为lmW。AD7705弓|脚如图6所示。 图6 AD7705引脚图 AD7705引脚功能描述如下： (1)SCLK串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据，反之，它也可以是非连续时钟，将信息发送给AD7705； (2)MCLKIN为转换器提供主时钟信号，能以晶体／谐振器或外部时钟的形式提供。晶体／谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT两弓|脚之间，时钟频率的范围为500kHz-5MHz； (3)MCLKOUT，当主时钟为晶体／谐振器时，晶体／谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间，如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反向时钟； (4) CS片选信号，低电平有效； (5) RESET复位输入，低电平有效； (6)AIN2(+)差分模拟输入逶道2的正输入端{ (7)AINl(+)差分模拟输入通道1的正输入端； (8)AINl(-)差分模拟输入遥道l的负输入端； (9)AIN2(-)差分模拟输入通道2的负输入端； (10)REFIN(+)差分基准输入的正输入端，基准输入是差分的，并规定REFIN(+)必须大于REFIN(-)，REFIN(+)可以取VDD和GND之间的任何值； (11) DRDY(-)差分基准输入的负输入端，REFIN(-)可以取VDD和GND之间的任何值，且必须满足REFIN(+)大于REFIN(-)； (12)DRDY逻辑输出，这个输出端上的逻辑低电平表示可以从AD7705的数据寄存器获取新的输出字。完成对一个完全的输出字的读操作后，该引脚立即回到高电平。当该引脚处于高电平时，不能进行读操作，当数据更新后，该引脚又返回低电平： (13)DOUT串行数据输出端，从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可以容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息； (14)DIN串行数据输入端，向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。 3.4 输出通道设计 3.4.1 温控箱的功率调节方式 温控系统均采用可控硅来实现功率调节。可控硅的控制模式有两种：控制和零位控制(分配式零位控制、时间比例零位控制)。 (1)相位控制：作用于每一个交流正弦波，改变正弦波每个正半波和负半波的导通角来控制电压的大小，进而可以调节输出电压和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做调压器，它可以方便的调节电压有效值，可用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机降压软启动和调压调速等。 (2)零位控制：在设定的周期Tc内，触发信号使主回路接通几个周波(几个完整的正弦波)，再断开几个周波，改变可控硅在设定周期内的通断时间比例，以调节负载上的交流电的平均功率，即可达到调节负载功率的目的。根据输出电压分布的不同，零位控制又分为分配式零位控制(在Tc周期内根据输出百分比平均分布周波)和时间比例零位控制(在Tc周期内根据输出百分比连续接通几个周波，然后在Tc周期剩余的时间内连续关断几个周波)。它多用于大惯性的加热器负载，采用这种控制，既实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网。 本系统采用分配式零位控制的模式，控制温控箱的加热电阻的平均加热功率，进而控制温控箱的温度。