简易数字温度控制器设计制作论文 精品.docx

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数字显示温度控制器设计制作论文

作者：

汪志兴红发李得明

【摘要】：

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

其中，温度控制也越来越重要。

在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

本次设计一个数字显示温度的测量与控制装置.应用温度敏感元件和二次仪表的组合,对温度进行调节、控制,且能直接读数.经实验验证此控制器的性能指标达到要求,为温度测量与控制的工业应用奠定了一定的基础。

【关键词】：

温度传感器数字电压表温度控制执行机构　　　　

一、数字温度控制器设计方案

根据设计要求，该温度控制器是既可以测量温度也可以控制温度的上下限，并且上下限可以调节，其组成框图如图1所示。

图1温度控制器原理框图

因为要求对温度进行测量显示，所以首先采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过效验、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。

若要求温度被控制在设定值附近，则要求将实际测量温度的信号与温度的设定值（基准电压）进行比较，根据比较结果（输出状态）来驱动执行机构，实现自动地控制、调节系统的温度。

测量的温度可以与另两个设定的温度上下限比较器相比较，当温度低于下限温度值时，比较器通过驱动执行机构来实现加热。

当温度超过上限温度值时，比较器产生报警信号输出并通过执行机构执行停止加热。

二、温度控制器电路的设计

2.1温度传感器的选择

1温度传感器选择集成温度传感器AD590

AD590的外形采用TO—52金属圆壳封装结构，其管脚排列如图（a）。

它是一种二端元件，属于一种高阻电流源，其典型的电流温度灵敏度是1μA/K，温度为0℃时，AD590输出的恒流值为273.15μA，当温度升高或降低1℃时，AD590的输出电流就增大或减小1μA。

AD590测量温度范围是-55～+150℃；在整个测温范围内的非线性误差小于±0.3℃；工作电压范围4～30V。

由AD590组成的测温电路如图（b）所示。

（a）AD590外形图（b）温度测量电路

图2AD590组成的温度测量电路

在图（b）电路中，由基准源MC1403提供的电流i0为：

调节RP1即可改变i0的大小。

AD590输出电流的温度灵敏度为1A/K，绝对温度与摄氏温度的关系为K=℃+273.15。

设要测量的温度为T（摄氏温度），则流过AD590的电流it为：

流过反馈支路的电流：

可见若要使，只要调节电位器RP1即可。

此时放大器的输出电压为：

若要求U0的灵敏度等于10mV/℃，可选R2=9.1kΩ，RP2=2kΩ。

电位器RP1是调零作用，RP2是调节满量程输出。

集成运算放大器要选取高精度型器件。

这里选用OP07。

2温度传感器选择集成温度传感器LM35

LM35是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器，如图3所示：

  （a）LM35外形图（b）温度测量电路

图3LM35组成的温度测量电路

   LM35是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/℃；工作温度范围为0℃-100℃；工作电压为4-30V；精度为±1℃。

最大线性误差为±0.5℃；静态电流为80uA。

其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式，0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。

该器件如塑封三极管（TO-92）。

   该温度传感器最大的特点是是使用时无需外围元件，也无需调试和校正（标定），只要外接一个1V的表头（如指针式或数字式的万用表），就成为一个测温仪。

所以采用LM35温度传感器。

2.2采样电路及校准电路

2.2.1LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用（3～30V），也可接双电源使用（±1.5～±15V），驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。

LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图4。

图4LM324引脚图

2.2.2当输入信号变化太快时，要求输出信号能快速而准确地更谁输入信号的变化进行间隔采样。

在两次采样之间保持上一次采样结束的状态。

当电信号来时Uo对C充电，Uo=U1=Uc及输出电压跟随数入电压的变化，电信号中断时，电路处于保持周期，因为电容元件五放电电路，故U1=Uc，这种将采集到的数值保持一定时间。

如图5所示

（a）电路（b）输入输出信号波形

图5温度采样保持电路

电路的电压放大倍数Au也仅由外接电阻决定：

Au=1+Rf/R1，通过改变Rf来改变Uo与U1之间的放大关系即校准标准温度。

2.3上下限采集电路

（a）上限采集电路（b）下限采集电路

图6上下限采集电路

上下限采集电路采用反相交流放大器电路，此放大器可代替晶体管进行交流放大，电路的电压放大倍数Au也仅由外接电阻决定，上下限采集电路的电压放大倍数Au=1。

根据电工学知识：

Vcc=5V

（1）上限采集电路

R`=R2+R3+R4=20k+5K+500=25500

U1`=I·R4=0.000196×500=98mV

U2`=I·（R4+R3）=0.000196×（5000+500）=1078mV

所以有U2：

U1`=

（2）下限采集电路

R`=R5+R6=20k+5K=25000

U3`=I·0=0V

U4`=I·R6=0.0002×5000=1000mV

所以有U3：

U3`=

根据LM35的输出电压与摄氏温度成正比例的关系，即0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。

下限调节范围为0～100摄氏度，上限调节范围为9.8～107.8摄氏度。

由于线路关系影响调节准确精度，所以范围有一定的误差。

2.4温度比较电路

LM393是双电压比较器集成电路,电压比较器（以下简称比较器）是一种常用的集成电路。

它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。

该电路的特点是工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源:

±1～±18V；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门,LM393是双电压比较器集成电路引脚图如下：

图7LM393双电压比较器引脚图

电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，如图8所示。

图8（a）是比较器，它有两个输入端：

同相输入端（“+”端）及反相输入端（“-”端），有一个输出端Vout（输出电平信号）。

另外有电源V+及地，同相端输入电压VA，反相端输入VB。

VA和VB的变化如图8（b）所示。

在时间0～t1时，VA>VB；在t1～t2时，VB>VA；在t2～t3时，VA>VB。

在这种情况下，Vout的输出如图8（c）所示：

VA>VB时，Vout输出高电平（饱和输出）；VB>VA时，Vout输出低电平。

根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。

图8电压比较器工作分析

   如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图8（b）所示，则Vout输出如图8（d）所示。

与图8（c）比较，其输出电平倒了一下。

输出电平变化与VA、VB的输入端有关。

 温度比较电路

（a）上限比较电路（b）下限比较电路

图9温度比较电路

U4in接温度采集输出，UR接上限比较电路。

当当前温度低于上限时U5out输出高电平，高于高限时U5out输出低电平;U6in接温度采集输出，UR2接下限比较电路。

当当前温度低于下限时U7out输出低电平，高于下限时U7out输出高电平。

分析如下图10

（a）低限电平输出（b）高限电平输出

图10上限限电平输出比较

2.5温度控制电路

74LS00是常用的2输入四与非门集成电路，其引脚如下图：

图1174LS00引脚图

74LS00真值表

A

B

Y

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

RS触发器　把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器，其逻辑电路如图12所示。

它有两个输入端R、S和两个输出端Q、Q非。

（a）逻辑电路（b）逻辑符号

图12RS触发器电路

基本RS触发器的逻辑功能入下表如下：

R

S

Q

逻辑功能

0

1

0

置0

1

0

1

置1

1

1

不变

保持

0

0

不变

禁止

将上限U5输出接于R端，下限U7接于S端。

输出为Q非端，电平输出图13

图13电平输出图

2.6执行机构及报警电路

光电耦合器

是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。

它由发光源和受光器两部分组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。

发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。

在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

双向可控硅晶闸管

晶闸管是一种大功率半导体器件，主要用于大功率的交直流变换、调压等。

双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引脚。

它能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等特点，它是大功率形状型半导体器件，广泛应用于电力、电子线路中。

图14执行机构电路

（a）上限报警电路（b）下限报警电路（c）加热信号

图15报警电路

2.7显示温度电路

A/D变换及显示

A/D转换器的主要功能是将模拟电压或电流转换成数字量。

实现A/D转换的方法很多，常用的有双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行比较式A/D转换器等。

双积分A/D转换器的特点是转换精度高、灵敏度高、抑制干扰信号的能力强，价格低廉，可广泛用于数字仪表和低速数据采集系统中。

另外，这类转换器的输出数据常以BCD码或二进制码格式输出，所以数字显示方便。

常用的双积分式A/D转换器集成器件有ICL7106/7107/7109/7135、MC14433等。

逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快，转换精度较高的转换器。

一次转换时间在数微秒到百微秒范围内，广泛应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。

与双积分式A/D转换器相比，逐次逼近式A/D转换器的抗干扰能力较差。

目前常用的逐次逼近式A/D转换器集成电路有ADC0808/0809、AD574A、AD1674、ADC1210/1211等。

并行比较式A/D转换器是一种转换速度最快的转换器，它最适合应用在数字通信技术和高速数据采集技术中。

缺点是电路复杂，价格高。

目前出现了一种串、并行A/D转换方案进行折衷，使电路结构简化，但速度有所下降。

由于本设计用于检测显示温度信号，而温度信号变化比较缓慢，所以选择双积分式集成A/D转换器比较合适。

测量显示电路选用双积分式A/D转换器ICL