第一篇：課程設計--溫度超限報警裝置設計

題目: 溫度超限報警裝置設計

班 級 學生姓名 實習時間

課程設計報告

——溫度超限報警系統設計

一、設計目的：

1、掌握熱電式傳感器工作原理并了解熱敏電阻與溫度變化的關系；

2、熟練應用直流電橋，放大器等基本電路；

3、自擬電路，充分體會熱電式傳感器的實際應用；

4、學習使用PROTEUS系統進行電路仿真，PROTEL軟件繪制原理圖。

二、設計內容：

溫度上下限報警系統的設計

三、設計要求：

1、溫度高于80攝氏度時，紅燈亮，并發出鳴叫聲。

2、溫度低于30攝氏度時，綠燈亮。

3、在30攝氏度到80攝氏度之間，兩個燈都不亮。

四、器件選擇：

使用工具：直流穩壓電源（5V）一臺、電烙鐵一把、萬用電路板一塊、泰坦萬用表一臺、溫度計一個、加熱杯一個

元件選擇：熱敏電阻NTC 5D-11一個（負溫度系數）、放大器LM324一個、C9013兩個、紅色發光二極管一個、綠色發光二極管一個、蜂鳴器一個、100歐電阻四個、10歐電阻兩個、10K歐電阻三個、470歐電阻兩個、390歐電阻兩個、導線若干

五、設計思路：

溫度上下限的確定：根據熱敏電阻對于不同溫度有不同的電阻值的特性來得到。通過實際側量，得到所要求溫度上下限對應的電阻值（本次使用的熱敏電阻為負溫度系數即溫度越高阻值越低）。

電路的實現：主要通過NTC傳感器的作用，將溫度引起的阻值變化轉化為電勢的變化，再經過集成運算放大器來控制輸出，從而得到對溫度上下限的控制。最后經過后續電路，完成亮燈和報警系統。

電路整體的組成如圖所示：

六、設計原理：

1、熱敏電阻：

熱敏電阻的基本特性是電阻—溫度特性。我們使用的熱敏電阻為負溫度系數熱敏電阻，特別適用于-100~300℃之間測溫，在較小的溫度范圍內，其電阻-溫度特性曲線是一條指數曲線，即隨著溫度的升高阻值不斷減小。由于熱敏電阻是由半導體材料制成的，其中的載流子數目是隨溫度的升高按指數規律迅速增加的。載流子數目越多，導電能力越強，其電阻率也就越小，因此熱敏電阻的電阻值歲溫度的升高將按指數規律迅速減小。這和金屬中自由電子的導電機制恰好相反，金屬中的電阻值是隨著溫度的上升而緩慢增大的。熱敏電阻有正溫度系數，臨界溫度系數與負溫度系數之分，本實驗所用的101為負溫度系數（NTC）,在較小的溫度范圍內，其電阻-溫度特性曲線是一條指數曲線，可表示為RT=?e

?T式中，RT為溫度為T時的電阻值，?與β為與半導體性能有關的常數，T為熱敏電阻的熱力學溫度。經實際測量，30攝氏度時熱敏電阻阻值達到95歐姆，而80攝氏度時達到22歐姆。

2、集成運算放大器

我們采用了LM324四運放集成電路。它采用14腳雙列直插塑料封裝，其內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用以外，四組運放相互獨立。每一組運放都可以用圖一所示的符號來表示，它共有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號出入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“V0”為輸出端。兩個信號輸入端中，V-（-）為反相入端，表示運放輸出端V0的信號與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端V0的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2。

（圖一）

（圖二）

當去掉運放的反饋電阻，或者說反饋電阻趨于無窮大時（即開環狀態），理論上認為運放的開環放大倍數也為無窮大，此時運放變成、形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-）。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出高電平。

我們選擇第一組與第二組進高低溫比較：當環境溫度高于80℃時，5管腳電位高6管腳電位，7管腳輸出高電平，C9013導通，紅燈亮且蜂鳴響，否則紅燈不亮蜂鳴不響；當環溫度低于30℃時，3管腳電位高于2管腳電位，1管腳輸出為高電平，C9013導通，綠燈亮，否則輸出綠燈不亮。

3、報警裝置：

我們采用了蜂鳴器與紅色發光二極管并聯的方式接入電路中，當紅色二極管亮時蜂鳴響，實現高溫報警。

七、制作步驟：

1、仿真

電路基本設計出來后，在計算機上用PROTEUS系統仿真軟件實現仿真。對元器件的取值應嚴格按照設計的電路及實際情況來確定，以減少在硬件操作時的麻煩。以下為仿真后的截圖效果：

2、電路板設計

我們先在面包板上連接好電路，控制傳感器溫度，使溫度上下限確定位在30℃及80℃。

焊接前對萬用電路板進行了電路設計，以整潔美觀為原則。對布線，元件的放置都有明確位置。

3、焊接

嚴格按照上圖所示連接電路圖，LM324的4腳接+5V，11腳接地。焊接時應注意以下幾個方面：

（1）發光二極管的極性不能搞混，腳長的一端為正極，另一端為負極。或使用萬用表測量。

（2）LM324不能直接焊接在電路板上，那樣的話既不容易調試，還容易燒壞片子，應焊接8腳的集成電路管座，在焊接完成后將LM324插于管座上。

（3）揚聲器的極性已標出，注意不能反接。

（4）

焊接完成后的電路基本不用調試，用給NTC傳感器加熱，其電阻發生變化，使管腳2、3與管腳5、6的電壓發生變化，從而使LM324的第一組或第二組導通或截止，進而實現紅燈或綠燈亮，實現溫度超限報警。

八、心得體會：

在此次為期兩周的課程設計中，我覺的自己在很多個方面都獲得了較為顯著的提高。

首先是對理論知識的理解。通過自身對傳感器的設計、仿真、組裝，將在課堂上學到的理論知識用以解決這一系列過程當中出現的種種問題。不僅使理論正確的指導了實踐，更在實踐的過程中深化了對理論的認知，真正將課堂上的知識變為了自己的。

其次是團隊合作與交流能力。在這次的實習中采取了以小組為單位的合作形式，這就需要小組中的每個成員都要有一個明確的分工。我在小組中主要負責電路的設計與焊接，但這個過程并非只由我一人完成，小組的其他成員也給了我很大的幫助。整個設計、制作過程也可以說是一個互相交流的過程。例如，在設計的最初我采用了課本里出現過的一個電路，但在仿真的過程中卻發現無法實現設計所要求的功能，之后我便和其他同伴互相交流了各自的想法，認定此電路只能實現部分要求。隨后我們重新設計了新的電路并成功的進行了仿真。之后的焊接與調試同樣是在小組成員默契的配合與坦誠的交流中逐步完成的。

再次是展示自我的能力。由于這次的實習添加了答辯的環節，因此也就給了我們一個展現自己的舞臺。我們闡述自己的設計原理并對自己在整個過程中的工作進行總結，這對我們每一個人而言都是一種新的體驗。也為我們在更大的舞臺上展示自己打下了基礎。

總而言之，這次的課程設計確實使我受益匪淺，為以后的學習和工作都奠定了堅實的基石。

——吳航航

回顧進行課程設計的這段時間，我們共同親身見證了實驗作品的成功誕生：在設計電路的過程中我們遇到了許多問題，但經過我們的共同努力各個擊破，一開始拿到設計題目時，只知道使用熱敏電阻來實現，但就其電阻與溫度的變化關系并不清楚，所以只能采取實際測量的方法確定在30、80攝氏度使得阻值來實現仿真。但在實際硬件操作中出現了誤差，在不到低于30攝氏度時綠燈就暗了，這就需要我們重新更換電阻，調節使其接近理想值。

通過這次課程設計我也收獲了許多：首先，針對溫度上下限報警系統的設計，我和小組成員一起共同經歷了從一頭霧水、毫無頭緒到最終制作出比較精確的、達到設計要求的作品這樣一個過程，并從中體會到團隊的合作以及成功的喜悅。其次，我認為這次課程設計最困難的地方也是收獲最大的一點就是使用PROTEUS系統進行電路的仿真以及PROTEL軟件繪制原理圖。之前從來沒有接觸過這樣的軟件，不懂如何使用。經過翻閱資料，同學的指導，初步的掌握了仿真軟件的使用，并可以進行一些較為簡單的電路仿真，同時我也意識到測控專業的學習離不開這些工具軟件的輔助，接下來，我也會進一步學習，爭取熟練掌握仿真軟件的使用。再次，我感覺進行課程設計一方面提高了我們的動手能力，理論與實際相結合；另一方面通過答辯環節，鍛煉我們的口語表達，如果不能很好的表達，設計的再出色，也很難得到他人的認可。

總之，這次課程設計是我今后學習工作的一個很好的教材。

——李園園 這一次的課程設計一共持續了兩周，我覺得我在這段時間內學到了很多的東西，這一次的實驗主要是針對傳感器來設計一定的電路，我們的實驗要求是用熱敏電阻設計出有溫度上下限的報警系統。

剛拿到這個課題的時候，我不知道該從何下手，上這門課的時候我們都是在學一些理論知識，對于我還不知道該怎么把理論應用于實際中。我們小組的成員經過討論后決定先查一些相關的資料，應該先了解一下老師，給我們提供的元器件，然后才能根據元器件設計出符合要求的電路。當我們有了一定的設計思路的時候，我們利用仿真軟件對我們的電路進行仿真，看我們的思路是否可行。在這個過程中我們學會了如何使用仿真軟件。在焊接電路的時候，我們小心的焊接盡量不讓兩個焊點連接到一起。而且在布線的時候，盡量不要讓兩根線重疊在一起，這樣才可以保證清晰和美觀。由于實際和理論之間是有差別的，在仿真的時候我們曾確定過電阻的阻值，但應用到實際的時侯出現了偏差，不能在30度和80度的時候紅燈或綠燈放生準確的變化，我們經過討論最后決定用電阻串并聯實現，所以我們的最后結果還是比較成功的。

從這次的課程設計中我學到了好多的東西：首先，我學會了怎么樣去用仿真軟件去畫電路圖，明白了作為一個工科生，我們不能只學習書上的知識就覺得足夠了，我們要充分的利用好課余時間，把握好機會去多接觸些實際模型，爭取做到理論與實際相結合的學習方式。其次，我懂得了團隊合作精神的重要，在這次試驗中，我們每個人都付出了好多的努力，我知道，從設計電路到最后焊接的成功，一個人是不能完成的。在整個實驗的過程中我們小組的成員都可以做到互相幫助，互相學習。我覺得這就是所謂的團隊精神，我相信這也是實驗的一個要求與目的吧。總之我在這個實驗中是受益匪淺的，我相信給我以后的生活和學習帶來很多幫助。

——裴佩

九、參考文獻：

《傳感器與傳感器技術》

科學出版社

何道清

2006年

《電子技術基礎 模擬部分》 高等教育出版社

《傳感器應用及其電路精選》電子工業出版社

康華光

張福學

2004年 1992年

第二篇：labview用戶登錄界面和溫度報警超限課程設計

北華大學

虛擬儀器課設設計專班

業：

測控技術與儀器

級：

08-1班22號

學生姓名：

譚雨成指導教師：

付偉

目錄

1引言...........................................................................................3 2 系統設計及實現.....................................................................3 2.1 登錄界面設計.................................................................3 2.2系統詳細設計..................................................................4 2.2.1系統初始化...................................................................4 2.2.2 身份驗證程序實現......................................................4 3前面板設計如下圖..................................................................7 4程序框圖如下...........................................................................8 5 心得體會..................................................................................9 6 參考文獻................................................................................10

LabVIEW用戶登陸系統設計

1引言

大多數LabVIEW程序需要設計用戶登錄系統，它的主要優點 ：①有效保護私 有數據。因為大多數LabVIEW程序針對工業測控領域，有必要對整個系 統 的各種配置參數、硬件設施等做出保護 ；②保護程序本身，設置軟件使用權限，可以將非專業操作人員“拒于”系統之外，避免由于使用者誤操作引起的系統崩潰。

系統設計及實現

2.1 登錄界面設計

登陸界面力求簡介、明了。程序一運行，鼠標焦點自動指向用戶名輸入欄，按 Tab鍵可以導航至密碼輸入欄。點擊確定按鈕后，可進入主程序，點擊退出，則退出該系統，界面見圖3所示。

圖登錄界面設計

2.2系統詳細設計 2.2.1系統初始化

程序開始運行，主要完成2個初始化任務 ：①清空用戶名和密碼輸入欄 ；②鼠標焦點指向用戶名輸入欄。2.2.2 身份驗證程序實現

用戶點擊“確定”按鈕后，程序將會搜索數據庫中是否存在用戶名和密碼輸入欄輸入的內容，如果存在，則登陸成功，否則將返回錯誤提示；搜索數 據庫中指定的用戶名以及顯示對應密碼，程序如圖4所 示。

圖 4 搜索用戶登錄.vi 程序框圖

執行完此語句將會返回數據庫中所有包括“UserName”的行，索引數組的作用是索引出其對應的ID和密碼。然后將此密碼與用戶輸入密碼進行比較，如相同，則登陸成功，進入主程序界面，并關閉用戶登錄界面；否則，返回 錯誤提示，如圖5所示。

如果數據庫中無法索引到對應的用戶名或者密碼不正確，程序將返回錯誤提示，如圖 7和圖8 所 示。

圖 7密碼錯誤顯示

圖8 用戶名錯誤顯示

此時，將彈出對話框提示信息，并清空用戶名密碼輸入欄，鼠標焦點重新指向用戶名輸入欄，等待用戶再次輸入。至此，一個基本的用戶登錄系統已經實現，用戶通過修改主程序路徑來將本身嵌入到大型應用程序當中。

LABVIEW溫度超限報警監測器設計

題目要求：做一個溫度超限報警監測器，當溫度超過報警上限，而且開啟報警時，報警燈量，同時顯示當前超限溫度，當前時間，以及報警次數。

3前面板設計如下圖

4程序框圖如下 心得體會

本次課程設計完成用戶登錄界面設計和溫度超限報警設計，都是基于虛擬儀器的Labview8.6軟件的設計。課程設計圓滿結束了，對于我經過努力所得的結果，我感到非常滿意。由于平時大家都是學理論，沒有過實際開發設計的經驗，雖然上課的時候講過很多關于LabVIEW的應用，但課后也從沒真正地應用過這個軟件，對它一點都不熟悉，拿到的時候都不知道怎么做。但通過電腦對LabVIEW進行了幾天的摸索學習，我終于把課程設計做好了，并發現其實LabVIEW很簡單，很實用。通過這次課程設計我基本學會了虛擬儀器設計的步聚和基本方法，提高了動手能力，增強了理論聯系實際的能力，也培養和發展了同學之間的感情，對此我感到非常欣慰。總之，在這次課程設計中我受益匪淺。

在這個課程設計中，我真正的感受到了虛擬儀器的優越性，“軟件即儀器”，僅僅在Labview上寫入一些圖形程序，就可以實現相應的儀器的功能，只需要借助一臺計算機，一個LabVIEW軟件，就可以實現很多儀器的功能，真的好方便，好偉大啊！這真的是儀器界的一場偉大的革命，可以斷定不久的將來虛擬儀器之風將刮到世界上每個角落。通過這次設計實踐。我總結了使用LabVIEW編程的兩個要點。第一，熟悉每個控件的用途、使用方法和在軟件中的位置。LabVIEW有這么多控件，有這么單元，如果我們不知道每個單元是用來干什么的，那就根本談不上應用它們了，只有在知道這個空間是做什么用的，我們才會去使用它。知道需要用到某個單元，但是不知道怎么使用，怎么連線，這也是很讓人郁悶的事，所以我們得熟悉一些基本單元的用法。要想很快地做成一個虛擬儀器，就得熟悉每個單元所在的位置，以免在使用過程中找半天找不到它在哪個菜單中。第二，對于虛擬儀器設計來說，因果朔源的設計方法是一種比較好的設計方法，知道要做什么，知道需要哪些單元，我們就添加那些單元，按需求增添元件。

課程設計的過程中，我遇到了不少的問題，但最終我終究還是戰勝困難，取得了成功，當然其中很大一部分功勞都要歸功于指導老師和同學們，要不是沒有指導老師的指導和與同學們的相互交流學習，我的課程設計肯定不會如此輕松。在此，我非常感謝我的指導老師和同學們。同時也感謝學校給我們提供了這樣好的實驗平臺和良好的實踐機會。參考文獻

［1］ 陳錫輝．LabVIEW 8.60程序設計從入門到精通［M］.北 京：清華大學出版社,2007.［2］ Jeffrey Travis.LabVIEW 大學實用教程［M］.喬瑞萍，譯.北京 ：電子工業出版社，2008.［3］ Jon Conwy.軟件工程方法在LabVIEW中的應用［M.］羅宵，譯.北京：清華大學出版社，2006.

第三篇：溫度傳感器課程設計

溫度傳感器簡單電路的集成設計

當選擇一個溫度傳感器的時候，將不再限制在模擬輸出或數字輸出裝置。與你系統需要相匹配的傳感器類型現在又很大的選擇空間。市場上供應的所有溫度感應器都是模擬輸出。熱電阻，RTDs和熱電偶是另一種輸出裝置，矽溫度感應器。在多數的應用中，這些模擬輸出裝置在有效輸出時需要一個比較器，ADC，或一個擴音器。因此，當更高技術的集成變成可能的時候，有數字接口的溫度傳感器變成現實。這些集成電路被以多種形式出售，從超過特定的溫度時才有信號簡單裝置，到那些報告遠的局部溫度提供警告的裝置。現在不只是在模擬輸出和數字輸出傳感器之間選擇，還有那些應該與你的系統需要相匹配的更廣闊的感應器類型的選擇，溫度傳感器的類型：

圖一：傳感器和集成電路制造商提供的四中溫度傳感器

在圖一中舉例說明四種溫度感應器類型。一個理想模擬傳感器提供一個完全線性的功能輸出電壓（A）。在傳感器（B）的數字I/O類中，溫度數據通常通過一個串行總線傳給微控制器。沿著相同的總線，數據由溫度傳感器傳到微控制器，通常設定溫度界限在引腳得數字輸出將下降的時候。當超過溫度界限的時候，報警中斷微控制器。這個類型的裝置也提供風扇控制。

模擬輸出溫度傳感器：

圖2 熱阻和矽溫度傳感器這兩個模擬輸出溫度探測器的比較。

熱電阻和矽溫度傳感器被廣泛地使用在模擬輸出溫度感應器上。圖2清楚地顯示當電壓和溫度之間為線性關系時，矽溫度傳感器比熱阻體好的多。在狹窄的溫度范圍之內，熱電阻能提供合理的線性和好的敏感特性。許多構成原始電路的熱電阻已經被矽溫度感應器代替。

矽溫度傳感器有不同的輸出刻度和組合。例如，與絕對溫度成比例的輸出轉換功能，還有其他與攝氏溫度和華氏溫度成比例。攝氏溫度部份提供一種組合以便溫度能被單端補給得傳感器檢測。

在最大多數的應用中，這些裝置的輸出被裝入一個比較器或A/D轉換器，把溫度數據轉換成一個數字格式。這些附加的裝置，熱電阻和矽溫度傳感器繼續被利用是由于在許多情況下它的成本低和使用方便。數字I/O溫度傳感器： 大約在五年前，一種新類型溫度傳感器出現了。這種裝置包括一個允許與微控制器通信的數字接口。接口通常是12C或SMBus序列總線，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。閱讀微控制器的溫度報告，接口也接受來自溫控制器的指令。那些指令通常是溫度極限，如果超過，將中斷微控制器的溫度傳感器集成電路上的數字信號。微控制器然后能夠調整風扇速度或減慢微處理器的速度，例如，保持溫度在控制之下。

圖3：設計的溫度傳感器可遙測處理器芯片上的p-n結溫度

圖4。溫度傳感器可檢測它自己的溫度和遙測四個p-n結溫度。

圖5。風扇控制器/溫度傳感器集成電路也可使用PWM或一個線性模式的控制方案。

在圖4中畫是一個類似的裝置：而不是檢測一個p-n結溫度，它檢測四個結和它的自己內部的溫度。因此內部溫度接近周圍溫度。周圍溫度的測量給出關于系統風扇是否正在適當地工作的指示。

在圖5中顯示，控制風扇是在遙測溫度時集成電路的主要功能。這個部分的使用能在風扇控制的二個不同的模式之間選擇。在PWM模式中，微處理控制風扇速度是通過改變送給風扇的信號周期者測量溫度一種功能。它允許電力消耗遠少于這個部分的線性模式控制所提供的。因為某些風扇在PWM信號控制它的頻率下發出一種聽得見的聲音，這種線性模式可能是有利的，但是需要較高功率的消耗和附加的電路。額外的功耗是整個系統功耗的一小部分。

當溫度超出指定界限的時候，這個集成電路提供中斷微控制器的警告信號。這個被叫做過熱溫度的信號形式里，安全特征也被提供。如果溫度升到一個危險級別的時候溫控制器或軟件鎖上，警告信號就不再有用。然而，溫度經由SMBus升高到一個水平，過熱在沒有微控制器被使用去控制電路。因此，在這個非邏輯控制器高溫中，過熱能被直接用去關閉這個系統電源，沒有為控制器和阻力潛在的災難性故障。

裝置的這個數字I/O普遍使用在服務器，電池組和硬盤磁碟機上。為了增加服務器的可靠性溫度在很多的位置中被檢測：在主板（本質上是在底盤內部的周圍溫度），在處理器鋼模之內，和在其它發熱元件例如圖形加速器和硬盤驅動器。出于安全原因電池組結合溫度傳感器和使其最優化已達到電池最大壽命。

檢測依靠中心馬達的速度和周圍溫度的硬盤驅動器的溫度有兩個號的理由：在驅動器中讀取錯誤增加溫度極限。而且硬盤的MTBF大大改善溫度控制。通過測量系統里面溫度，就能控制馬達速度將可靠性和性能最佳化。驅動器也能被關閉。在高端系統中，警告能為系統管理員指出溫度極限或數據可能丟失的狀況。

圖6。溫度超過某一界限的時候，集成電路信號能報警和進行簡單的ON/OFF風扇控制。

圖7.熱控制電路部分在絕對溫標形式下，頻率與被測溫度成比例的產生方波的溫度傳感器

圖8。這個溫度傳感器傳送它的周期與被測溫度成比例的方波，因為只發送溫度數據需要一條單一線，就需要單一光絕緣體隔離信道。

模擬正溫度感應器

“模擬正量”傳感器通常匹配比較簡單的測量應用軟件。這些集成電路產生邏輯輸出量來自被測溫度，而且區別于數字輸入/輸出傳感器。因為他們在一條單線上輸出數據，與串行總線相對。

在一個模擬正量傳感器的最簡單例子中，當特定的溫度被超過的時候，邏輯輸出出錯：其它，是當溫度降到一個溫度極限的時候。當其它傳感器有確定的極限的時候，這些傳感器中的一些允許使用電阻去校正溫度極限。

在圖6中，裝置顯示購買一個特定的內在溫度極限。這三個電路舉例說明這個類型裝置的使用：提供警告，關閉儀器，或打開風扇。

當需要讀實際溫度時，微控制器是可以利用的，在單線上傳送數據的傳感器可能是有用的。用微處理器的內部計數器，來自于這個類型溫度感應器的信號很容易地被轉換成溫度的測量。圖7傳感器輸出頻率與周圍溫度成比例的方波。在圖8中的裝置是相似的，但是方波周期是與周圍溫度成比例的。

圖9。用一條公共線與8個溫度傳感器連接的微控制器，而且從同一條線上接收每個傳感器傳送的溫度數據。

圖9，在這條公共線上允許連接達到八個溫度傳感器。當微控制器的I/O端口同時關閉這根線上的所有傳感器的時候，開始提取來自這些傳感器的溫度數據。微控制器很快地重新裝載接收來的每個傳感器的數據，在傳感器關閉期間，數據被編碼。在特定時間內每個傳感器對閘口脈沖之后的時間編碼。分配給每個感應器自己允許的時間范圍，這樣就避免沖突。

通過這個方法達到的準確性令人驚訝：0.8 是典型的室溫，正好與被傳送方波頻率的電路相匹配，同樣適用于方波周期的裝置。

這些裝置在有線電線應用中同樣顯著。舉例來說，當一個溫度傳感器被微控制器隔離的時候，成本被保持在一個最小量，因為只需要一個光絕緣體。這些傳感器在汽車制造HVAC應用中也是很有效，因為他們減少銅的損耗數量。溫度傳感器的發展：

集成電路溫度傳感器提供各式各樣的功能和接口。同樣地這些裝置繼續發展，系統設計師將會看見更多特殊應用就像傳感器與系統接口連接的新方式一樣。最后，在相同的鋼模區域內集成更多的電子元件，芯片設計師的能力將確保溫度傳感器很快將會包括新的功能和特殊接口。

總結

通過這些天的查找資料，我了解了很多關于溫度傳感器方面的知識。我的大家都知道溫度的一些基本知識，溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。利用溫度所創造出來的傳感器即溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。并且從資料中顯示溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術的支持下，在本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據波與物質的相互作用規律，相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

這些天,我通過許多的資料了解到兩種不同材質的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現電位差。這個電位差的數值與不加熱部位測量點的溫度有關，和這兩種導體的材質有關。這種現象可以在很寬的溫度范圍內出現，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質的導體，所以稱它為“熱電偶”。我查找的資料顯示數據:不同材質做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數值大約在5～40微伏／℃之間。

熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程。溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中，也為我們的生活提供了無數的便利和功能。

溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現性和穩定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內的溫度。

非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可以用來測量運動物體、小目標還有熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可以用于測量溫度場的溫度分布。資料顯示，最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法、輻射法和比色法。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體所測溫度才是真實溫度。如果想測定物體的真實溫度，就必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取絕于溫度和波長，而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關連，因此很難精確測量。在自動化生產中我發現往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發射系數。利用有效發射系數通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，這樣才能提高有效發射系數。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即是介質溫度）進行修正而得到介質的真實溫度。現在，我通過這些天的努力，了解了很多溫度傳感器及其相關的一些傳感器的知識。他們在我們生活中的應用及其廣泛，我們只有加緊的學習加緊的完成自己所學專業的知識，了解相關的最新信息，我們才能跟上科技前進的步伐。

參考文獻：

【1】劉君華.智能傳感器系統.西安電子科技大學出版社,1993.3 【2】張富學.傳感器電子學.國防工業電子出版社,1992.6 【3】王家楨等.傳感器與變送器[M].北京清華出版社1996.5 【4】張正偉.傳感器原理與應用[M].中央廣播電視大學出版社,1991.3 【5】樊尚春.傳感器技術及應用.北京航空航天大學出版社,2004.8 【6】趙負圖.現代傳感器集成電路.人民郵電出版社,2000.8 【7】謝文和.傳感器技術及應用.高等教育出版社,2004.7 【8】趙繼文.傳感器與應用電路設計[M].科技出版社,2002.6 【9】陳杰,黃鴻.傳感器與檢測技術.高等教育出版社,2002.3 【10】黃繼昌,徐巧魚,張海貴等.傳感器工作原理及應用實例.人民郵電出版社,1998.6

第四篇：溫度采集系統課程設計

中北大學計算機控制課程設計說明書 引言

1.1 單片機概述

單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。

單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業控制領域。單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。

單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統，因此它得到了最多的應用。它又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。1.2 溫度采集設計背景

隨著科技的不斷發展，現代社會對各種信息參數的準確度和精確度的要求都有了幾何級的增長，而如何準確而又迅速的獲得這些參數就需要受制于現代信息基礎的發展水平。在三大信息信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技構中，傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器技術，在我國各領域己經引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領域，人民的生活與環境的溫度息息相關，在工業生產過程中需要實時測量溫度，在農業生產中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。

測量溫度的關鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發展經歷了三個發展階段: ①傳統的分立式溫度傳感器

②模擬集成溫度傳感器

中北大學計算機控制課程設計說明書

圖（9）系統流程圖 軟件程序設計

PORTA EQU 020H

；定義端口地址 PORTB EQU 021H PORTC EQU 022H

中北大學計算機控制課程設計說明書

PORTD EQU 023H DATA SEGMENT

TABLE DB 40H

DB 4FH

DB 24H

DB 30H

DB 19H

DB 12H

DB 02H

DB 78H

DB 00H

DB 10H

BUFDA1 DB ?

BUFDA2 DB ?

BUFDA3 DB ? DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATA START: MOV AX,DATA

MOV DS,AX

MOV AL,98H

OUT PORTD,AL

；8255的初始化

;*****************************

MOV AL,01

OUT PORTC,AL

MOV AL,00

OUT PORTC,AL

；PC0 為0，啟動A/D轉換 FIND: IN AL,PORTC

TEST AL,010H

中北大學計算機控制課程設計說明書

JNZ FIND

；讀PC4的值，如為1則繼續查詢

MOV AL,01

OUT PORTC,AL

；使PC0為1，撤消啟動信號

IN AL,PORTA

；讀取轉換數據

;******************************

MOV CL,100

；計算百位，十位，個位

DIV CL

MOV BUFDA1,AL

XOR AL,AL

MOV CL,10

MOV BL,AH

MOV AL,BL

MOV AH,0

DIV CL

MOV BUFDA2,AL

MOV BUFDA3,AH

;****************************** DISPLAY:MOV BX,OFFSET TABLE

MOV AL,[DI+0]

XLAT

；換碼

MOV DX,PORTB

OUT DX,AL

MOV CX,30H

；延遲程序 DELAY: LOOP DELAY

RET

;**********************************

MOV CX,30H DISPLAY1:MOV AL,06H

OUT PORTD,AL

中北大學計算機控制課程設計說明書

MOV AL,05H

OUT PORTD,AL

MOV AL,03H

OUT PORTD,AL

MOV DI,OFFSET BUFDA1

CALL DISPLAY ；使LED0工作

MOV AL,07H

OUT PORTD,AL

MOV AL,04H

OUT PORTD,AL

MOV AL,03H

OUT PORTD,AL

MOV DI,OFFSET BUFDA2

CALL DISPLAY ；使LED1工作

MOV AL,07H

OUT PORTD,AL

MOV AL,05H

OUT PORTD,AL

MOV AL,02H

OUT PORTD,AL

MOV DI,OFFSET BUFDA3

CALL DISPLAY ；使LED2工作

LOOP DISPLAY1；延遲

;***********************************

MOV AH,4CH

INT 21H CODE ENDS

END START

中北大學計算機控制課程設計說明書 總結心得

本課程設計是基于AT89C51單片機的溫室檢測系統。該課程是以單片機8051為核心，以熱敏電阻為測溫元件對溫度進行有效的測量,通過ADC0809芯片將電壓信號轉化為數字信號，經過單片機處理后通過8255芯片擴展的I/O以動態方式顯示，再加上相應的時鐘電路、復位電路、分頻電路，最后編寫程序，溫度采集系統的設計就完成了。

在做課程設計的過程中，除了了解相關設計的硬件原理電路圖外，還要了解具體的型號，熟悉相關軟件的使用，如AutoCAD、Protel、Word等，雖然在實際操作過程中遇到了很多困難，但經過不懈努力還是完成了本課程的設計。

在這一周的設計中，不僅使我增長了很多課堂上所學不到的知識，而且還讓我對A/D轉換和擴展I/O有了更深入的了解。對一些單片機原理及應用有了更加深刻的認識。

第 13 頁

共 15 頁

中北大學計算機控制課程設計說明書

附圖 電路接線仿真圖

256912151619Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7U374LS373OELE3478***C11nFD0D1D2D3D4D5D6D7U2VREF(-)VREF(+)***21282726U1X1CRYSTAL19XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD*********617C21nF18XTAL2RST1nF293031PSENALEEA22232425ALEADD CADD BADD AADC0809R1100k12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51U5NORU4NOR第 14 頁

共 15 頁

27.0C39***192021GND2-8LSB2-72-62-52-42-32-22-1MSBVCCCLOCKOUTPUT ENABLEEOCSTARTIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN03U6VOUTLM351中北大學計算機控制課程設計說明書

參考文獻

[1] 李朝青.單片機原理及接口技術〔簡明修訂版).杭州：北京航空航天大學出版社，1998年

[2] 李廣弟.單片機*MB rmi.北京：北京航空航天大學出版社，1994年 [3] 孫育才.單片機微型計算機及其應用.南京：東南大學出版社，2004年 [4] 沈德金，陳粵初.單片機接口電路與應用稱序實例.北京：北京航天航空大學出版社，1990年

[5] 李廣弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版杜，1994年

[6] 陳汝全.電子技術常用器件應用手冊，第二版.北京：機械工業出版社，2001年7月

[7] 戴梅萼，史嘉權.微型計算機技術及應用，第三版.北京：清華大學出版社，2003年11月

[8] 沈美明，溫冬嬋.IBM-PC匯編語言程序設計.北京：清華大學出版社，1998年8月

[9] 顧德英.計算機控制技術，第二版.北京：北京郵電大學出版社，2005年 [10] 李順增，吳國東，趙河明，喬志偉.微機原理及接口技術.北京：機械工業出版社，2004年

第 15 頁

共 15 頁

第五篇：氧化鋁焙燒溫度控制系統課程設計-精品

氧化鋁焙燒溫度控制系統課程設計

摘要：氧化鋁是電解鋁生產的主要原料，針對我國礦石特點，我國氧化鋁的生產工藝主要采用的是拜爾法和燒結法以及混聯法，在拜爾法中焙燒工序是氧化鋁生產必不可少的一個過程，并且是整個氧化鋁生產的最后一道工序，該生產過程的主要任務是將來自分解或平盤的帶有附著水的氫氧化鋁物質在焙燒爐中高溫煅燒，脫除附著水和結晶水，從而生成物理化學性質符合電解要求的氧化鋁。氧化鋁焙燒的主要工藝參數是灼燒溫度．灼燒溫度的高低與穩定與否直接決定著氧化鋁的出廠質量，所以穩定控制氧化鋁灼燒溫度是保證氧化鋁生產質量 的主要途徑。本文以氧化鋁焙燒生產過程控制系統為背景，開展了氧化鋁焙燒生產過程控制策略的研究和控制系統的設計以及器件的選型。

關鍵詞：氧化鋁焙燒；器件選型；串級控制系統；PID參數整定

一、氧化鋁生產工藝

生產氧化鋁的方法大致可分為四類：堿法、酸法、酸堿聯合法與熱法。目前工業上幾乎全部是采用堿法生產。堿法有拜耳法、燒結法及拜耳燒結聯合法等多種流程。

目前，我國氧化鋁工業采用的生產方法有燒結法，混聯法和拜耳法三種，其中燒結法占20.2％，混聯法占69.4％，拜耳法占10.4％。雖然燒結法的裝備水平和技術水平在今年來有所提高，但是我國的燒結技術仍處于較低水平。而由于拜耳法和燒結混合法組成的混聯法，不僅由于增加了燒結系統而使整個流程復雜，投資增大，更由于燒結法系統裝備水平和技術水平不高，使得氧化鋁生產的能耗增大，成本增高，降低我國氧化鋁產品在世界市場上的競爭力。拜耳法比較簡單，能耗小，產品質量好，處理高品位鋁土礦石，產品成品也低。目前全世界90％的氧化鋁是用拜耳法生產的。

拜耳法的原理是基于氧化鋁在苛性堿溶液中溶解度的變化以及過氧化鈉濃度和溫度的關系。高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于比較穩定的狀態，而在溫度和濃度降低時則自發分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣性質的基礎上的。

下面兩項主要反映是這一方法的基礎：

Al2O3xH2O?2NaOH?(3?x)H2O?2NaAl(OH)4

NaAl(OH)4?Al(OH)3?NaOH

前一反映是在用循環的鋁酸鈉堿溶液溶出鋁土礦時進行的。鋁土礦中所含的一水和三水氧化鋁在一定條件下以鋁酸鈉形態進入溶液。后一反映是在另一條件下發生的析出氫氧化鋁沉淀的水解反應。鋁酸鈉溶液在95-100度不致水解的穩定性可以用來從其中分離赤泥，然后使溶液冷卻，轉變為不穩定狀態，以析出氫氧化鋁。

拜耳法生產過程簡介：原礦經選礦、原礦漿磨制、溶出與脫硅、赤泥分離與精制、晶種分解、氫氧化鋁焙燒成為氧化鋁產品。

1破碎后進廠的碎高礦經均化場均化后，用斗輪取料機取料入輸送機進入鋁礦倉，石灰石經煅燒后輸送到石灰倉，然后與循環母液經調配后按比例進入棒磨機、球磨機的兩段磨和旋流器組成的磨礦分級閉路循環系統。分級后的溢流經緩沖槽和泵進入原礦漿儲槽，用高壓泥漿泵輸送礦漿進入多級預熱和溶出系統，加熱介質可用溶鹽也可用高壓新蒸氣，各級礦漿自蒸發器排出的乏氣分別用來預熱各級預熱器中的礦漿。溶出設備可用套管加熱與高壓釜組成溶出器組。溶出后的礦漿經多級降壓自蒸發器降壓后，與赤泥一次洗液一同進入礦漿稀釋槽。末級自蒸發器排出的乏氣，用來預熱赤泥洗水，洗水由循環水和不合格的冷凝水組成。稀釋礦漿進入分離沉降槽，其溢流經過葉濾和降溫后送去晶種攪拌分解，分解后的氫氧化鋁漿液經分離后，大部分氫氧化鋁返回種分槽作為晶種使用，其余部分送去洗滌，洗水用純凈的熱水，洗凈后的氫氧化鋁送去焙燒，焙燒后的氧化鋁即為成品氧化鋁。分離后的種分母液送去蒸發，加入少量鹽類晶種以誘導鹽類晶種析出，其溢流與濾液、補充新的液體苛性鈉后組成循環母液，送去調配制備原礦漿。

二、氧化鋁生產焙燒過程工藝

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產工藝中的最后一道工序。焙燒的目的是在高溫下把氧化鋁的附著水和結晶水脫除，從而生成物理化學性質符合電解要求的氧化鋁。(1)焙燒原理

氫氧化鋁經過焙燒爐的干燥段，焙燒段和冷卻段使之烘干，脫水和晶形轉變而變成氧化鋁產品其化學變化可分為以下幾個階段。

（a）脫除附著水

CAl(OH)3H2O?100???Al(OH)3?H2O ?當溫度高于100C時氫氧化鋁中的附著水被蒸發，此反應發生在閃速干燥器。(b)脫除結晶水

結晶水的脫除分兩步進行，250-300度時，失去兩個結晶水，在500-600度的溫度下它失去最后一個結晶水。而成為r?AlO。

23300CAl2O33H2O?250?????Al2O3?2H2O ??600CAl2O3H2O?500??????Al2O3?H2O ?(c)晶型轉變

氫氧化鋁在脫水過程中伴隨著晶體轉變，r?Al2O3在950度時開始進行晶型轉變，逐漸由r?Al2O3轉變為a-Al2O3。

(2)氧化鋁焙燒過程生產過程流程介紹

流態化焙燒是世界上最先進的氫氧化鋁焙燒技術與裝置，流態化是一種固體顆粒與氣體接觸而變成類似流體狀態的操作技術。而固體物料在流態化狀態下與氣體或液體的熱交換過程最為強烈。(a)此爐型采用了在干燥段設計熱發生器這一新穎措施，當供料氫氧化鋁附著水含量增大時，不需象其它爐型那樣采取增加過剩空氣的方式來增加干燥能力，僅需啟動干燥熱發生器來增加干燥段熱量，避免了廢氣量大增而大量損失熱量，因此，與前二種爐型相比，氣體懸焙燒爐熱耗和電耗要低。

(b)整套裝置設計簡單。一是物料自上而下流動，可避免事故停爐時的爐內積料和計劃停爐時的排料；二是設備簡單，除流化冷卻器外無任何流化床板，沒有物料控制閥，方便了設備維檢修：三是負壓作業對焙燒爐的問題診斷和事故處理有利。這些都有利于故障后生產的快速恢復，給生產組織帶來方便。

(c)控制回路簡單，氣體懸浮焙燒爐雖有多條自動控制回路，但在生產中起主要作用的僅有2條，一條是主燃燒系統的主爐溫度控制回路，另一條是O2含量控制回路。

三、焙燒爐溫度控制方案設計

目前工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標志。一個控控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控 制器。

(1)對于焙燒過程而言，主要控制焙燒爐出口溫度。而影響焙燒爐出口溫度的因素主要就是燃料的流量，而流量又決定于主燃燒器的流量閥門的開度。因此，我們引入中間點信號，即最能反應焙燒爐出口溫度的進入主燃燒器中的燃料流量，作為調節器的補充信號，以便快速反應影響焙燒爐出口溫度變化的擾動，引入該點作為輔助被調量，通過調節管道上流量閥的開度調整燃料的流量，組成了流量．溫度串級調節系統，從而調節焙燒爐的出口溫度，來保氧化鋁的產量和質量口”。焙燒爐溫度控制回路流程圖如圖所示：

圖1 焙燒爐溫度控制回路流程圖 焙燒爐溫度控制回路設計為串級控制回路，主回路為溫度控制回路，其輸入為焙燒爐的出口溫度的設定值，控制器輸出為副回路的輸入，測量儀表為一體化熱電偶；副回路為流量控制回路，其輸入為主控制器的輸出或主燃燒器的流量設定，控制器輸出為主燃燒器V19流量調節閥的百分比開度，執行機構為流量電動調節閥，測量儀表為電磁流量計。從方框圖可以看出，串級調節系統有兩個閉環的調節回路：

圖2 溫度控制回路結構圖

a）由PID控制器、調節閥、主燃燒器、流量計構成了副環回路。b）由PID控制器、副環回路、焙燒爐、溫度計構成了主環回路。

副環回路為流量調節系統，選用標準PID控制器來控制該系統。主環回路為溫度調節系統，也選用標準PID控制器來控制該系統。

主調節器出的的信號不是直接調節溫度，而是作為副調節器的可變給定值，與燃料流量信號比較，再通過副調節器去控制電動閥動作，以調節燃料流量，保證焙燒爐出口溫度能較快的跟蹤設定值并最終保持在設定值附近不變。

(2)從動態特性的角度考慮，優化控制器性能與結構，提高系統的響應速度。在對控制系統進行設計時，盡量根據被控制對象選擇一組較為合適的控制器參數，提達到更好可控制效果。而通過對系統建立數學模型，根據模型特性，通過設定某種性能指標，在實現最優指標的前提下，對控制器參數進行尋優可謂是個好的優化控制器性能的辦法。對于串級控制系統來說，有兩個控制器，因此需要分別對兩個控制器的參數進行整定，整定的順序先調節副回路，待副回路調節達到要求后，在調節主回路。

(3)如果測量元件的延遲和慣性比較大，就不能及時反映溫度的變化，就會造成系統不穩定，影響控制質量。因此，在系統的儀表選型上盡量使用快速的測量元件，安裝在正確的位置，保證測量信號傳遞的快速性，減小延遲和慣性。

四、焙燒爐溫度回路對象模型的建立與驗證

建立數學模型的方法有許多種，像機理建模、系統辨識等。機理建模有較大的普遍性，但是多數工業過程的機理較為復雜，其數學模型很難建立，雖然在建模過程中作了一些具有一定實際依據的近似和假設，但是逼近不能完全反映過程的實際情況，有時甚至會帶來一些估計

4不到的影響。因此，在工程目前主要采用試驗建模一過程辨識和參數估計的方法。建模的方法我們采用響應曲線法，響應曲線法主要用于階躍響應曲線和矩形脈沖響應曲線。

圖3 階躍響應法 圖4 矩形脈沖響應法(1)階躍響應曲線的試驗測定：

將被控過程的輸入量作一階躍變化，同時記錄其輸出量隨時間而變化的曲線，則稱為階躍響應曲線。

階躍響應曲線能直觀，完全描述被控過程的動態特性。實驗測試方法易于實現，只要是閥門的開度作一階躍變化即可，實驗時必須注意：

(a)合理選擇階躍擾動量，既不能太大，以免影響正常生產，也不能太小，以防被控過程的不真實性。通常取階躍信號值為正常輸入信號的5％一15％，以不影響生產為準。(b)試驗應在相同的測試條件下重復做幾次，需獲得兩次以上的比較接近的相應曲線，減少干擾的影響。

(c)試驗應在階躍信號作正，反方向變化時分別測出其相應曲線，以檢驗被控過程的非線性程度。

(d)試驗前，即在輸入階躍信號前，被控過程必需處于穩定的工作狀態。在一次試驗完成后，必須是被控過程穩定一段時間后再施加測試信號作第二次試驗。

考慮到實際工程的方便，對主爐溫度控制我們采用階躍響應曲線試驗建模法。根據 控制理論來分析，設計或改進一個過程控制系統，只有過程的階躍響應曲線顯然是不夠的，還必須有階躍響應曲線來辨識被控過程數學模型，如微分方程、傳遞函數、頻率特性、差分方程等。在確定模型參數時，首先分析階躍響應曲線的形狀，選取一種模型結構，然后進行參數估計。由階躍響應曲線辨識數學模型的方法很多，一階慣性環節是一種常用的估計方法。

在過程輸入階躍信號x0的瞬時，其響應曲線的斜率最大，如圖5所示。

5圖5 階躍響應曲線

此時，其數學模型可用一階慣性環節來近似，即

w(s)??sK?1

式中參數K、?的求法如下：(1)過程的靜態放大系數

y(?)?y(0)x0K?(2)過程的時間常數

對于上式所示的過程模型，在階躍信號x0作用下的時間特性為：

y（t）?Kx0(1?e)

式中，K為過程的放大系數，可由上式可確定。

圖3．20描繪該方程的曲線圖，表明一階過程對輸入的突然變化不能瞬時做出響應。事實上，當時間間隔等于過程時間常數是（t??）過程響應應僅為完全值得63.2％。從利用上講，除了t??，過程輸出總不會達到新的穩態值；當（t?5?）時，相應近似為最終穩態值。

t??

五、設備及控制儀表的選型

（1）溫度變送器的選擇

選用JCJ100G溫度變送器，JCJ100G溫度變送器將熱電熱偶所測的溫度變化通過電路處理，經信號放大后轉化成標準的電壓或電流信號。信號可以供數字儀表、記錄儀、模擬調節器、DCS系統，廣泛用于工業生產過程檢測與控制系統。本溫度變送器采用優質電子器件，性能遠高于其他同類產品，物美價廉。（2）控制器選型

按照設計要求，本設計選用一個KSW-6-16型溫度控制器為1300℃電爐的配套設備，與鉑銠—鉑熱電偶配套使用，可對電爐內的溫度進行測量、顯示、控制，并可使爐膛內的溫度自動保持恒溫。以硅碳棒為加熱元件的高溫電阻爐，其加熱元件的冷態與熱態時的電阻值相差較大，在長期使用中硅碳棒的電阻值將逐漸變大。所以必須與調壓設備配套使用，KSW-6-16型號的溫度控制器具有溫度控制和電壓調節二種功能，該溫度控制器的溫度顯示有數字顯示

6和指針顯示二種，其中尤以固態繼電器為執行元件并配以數字顯示的控制器性能更為優越。結構及工作原理：溫度控制器的外殼由鋼板沖壓折制成型并采用鋁合金框架結構，外殼表面采用高強度的靜電噴涂，漆膜光滑牢固。控制器的前部裝有溫度控制儀表、電壓表、電流表和電源開關。控制器的內部裝有可控硅、線路板及螺旋保險和接線端子等電器元件。該溫度控制系統采用了優質電子集成元件，控溫靈敏、性能可靠、使用方便。

其工作原理：熱電偶將電爐內部的溫度轉換為毫伏電壓值，經過集成放大器的放大、比較后，輸出移相控制信號，有效地控制可控硅的導通角，進而控制硅碳棒的平均加熱功率，使爐膛內的溫度保持恒溫。（3）執行器的選擇

PID系統的執行機構為電動調節閥、排料閥。電動閥使用電機作動力，氣動閥使用壓縮空氣作動力，電動閥對液體介質和大管道徑氣體效果好，不受氣候影響，電動調節閥要求電動調節裝置和閥體間隙精密，能夠準確地控制閥門開度，閥芯則根據重油黏度系數選用V型半球閥，使其過油能夠連續通順，并使調節與開度盡量滿足線性關系。為了解決排料的連續性，選擇了氣動控制排料閥，執行機構為I／P定位器。I／P定位器是二位三通電磁閥。此裝置通過閥門開關來控制氣缸帶動活塞運動。（4）氣開氣關選擇

氣動調節閥氣開或者氣關，通常是通過執行機構的正反作用和調節閥結構的不同組裝方式實現。氣開氣關的選擇是根據工藝生產的安全角度出發來考慮的。在本設計中，沸騰焙燒爐的溫度控制，調節閥安裝在燃料氣管道上，根據爐膛的溫度或被加熱物料在加熱爐出口的溫度來控制燃料的供應。根據生產過程的工藝特點和安全要求，保證人身安全原則、系統與設備安全原則，保證產品的質量原則，減少原料和動力浪費原則，基于介質特點的工藝設備安全原則，本設計選用氣開閥更安全些，因為一旦氣源停止供給，閥門處于關閉比閥門處于全開更適合。如果氣源中斷，燃料閥全開，會使加熱過量發生危險。（5）調節器正負作用選擇

副調節器作用方式的選擇，確定副被控過程的Ko2，當調節閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 Ko2 >0。最后確定副調節器，為保證副回路是負反饋，各環節放大系數(即增益)乘積必須為正，所以副調節器 K 2>0，副調節器作用方式為反作用方式。主調節器作用方式的選擇，爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 > 0。為保證主回路為負反饋，各環節放大系數乘積必須為正，所以副調節器的放大系數 K 1> 0，主調節器作用方式為反作用方式。

六、溫度控制器PID參數整定及仿真

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起

7來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。

被控對象為一階傳遞函數

3.98W(s)??sK??111.15s?1

采樣時間為O.2秒，輸入指令為一階階躍信號。

溫度控制器PID參數整定方法，應用Matlab計算機語言編寫了算法PID參數程序，獲得優化參數。

整定后的PID控制階躍響應在Matlab環境下進行仿真，仿真控制程序如圖3．31所 示。

圖6 溫度PID控制的Simulink仿真程序

在仿真環境下焙燒爐設定1110℃，仿真曲線圖所示。

8圖7 溫度PID整定的階躍響應曲線

通過仿真曲線圖7可以看出通過PID參數能夠使焙燒爐溫度快速穩定準確的跟蹤設定值，上升時間大約為8s，調節時間約為10s，超調量小，基本達到控制要求。

七、總結

所設計的回路控制策略應用到現場，能夠滿足現場的控制要求，而且能夠提高產品的品質，實驗室整定的PID參數對現場控制器有很好的指導意義，提高了控制精度；為氧化鋁焙燒生產提供保障；減輕了現場工藝人員的工作強度，同時也能更加精確、嚴格的按照設定好的曲線烘爐，提高爐子內襯的使用壽命，為順利生產提供前提保障。總之，焙燒過程計算機控制系統成功的應用到實際工程中，滿足實際項目的工藝要求，降低了現場人員的工作量，節約了現場能量，提高了產品質量和產量。

參考文獻：

[1] 熊志利.氧化鋁生產焙燒過程計算機控制系統的設計與開發 東北大學 [2] 翟小康.焙燒生產工藝燃燒控制系統分析 消費電子 2014，（14）[3] 姚月航.氧化鋁的焙燒技術與節能 中國科技博覽 2014，（12）[4] 盛坤.PID技術在氧化鋁焙燒爐上的應用 自動化儀表 2013,34（6）[5] 陶峰.淺析PID參數如何調節 中國科技博覽 2011，（38）：14-17 [6] 趙紫靜,吳建民.淺議PID控制在溫度控制系統中的應用[J].安徽農業科學,2008,(21):9335-9336 [7] 熊志利 氧化鋁焙燒過程回路控制策略研究 企業技術開發 2010，（19）[8] 李傳淮,呂文義.氧化鋁生產過程中的燃燒控制 自動化儀表 2002年 第3期