大学本科设方案设计书方案设计书韩颖超温度控制电路1Word文件下载.docx

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关键词：

温度控制温度测量LM35应用电压比较器

Designoftemperaturecontrolcircuit

Abstract

Inelectronictechnologyrapiddevelopmenttoday，theelectronicobservationsandcontroltechnologyresearchandtheprojectapplybyspreadthemilitaryandindustrialproductioneachdepartmentandmoreandmoremanyisvaluedbypeople.Theelectronicobservationandcontroltechnologyappearance,causedtraditionaltheelectronicsurveyingintheprinciple,thefunction,theprecisionandtheautomaticityhashadhugechange,causedthescientificexperimentandtheapplicationprojectautomaticitycanobviouslyenhance.

Temperatureisoneofimportantparametersinindustrialproductionandscientificexperimentcourse.Inmetallurgy,machinery,material,chemicalengineering,petroleumandthecourseofheattreatment,thecontroleffectfortemperaturedirectlyaffectsservicelifeandthequalityofproduct.Thereforetemperaturecontrolisthetechnologyofakeyineveryfield.Thekeyoftemperaturecontrolliescontrol.Temperaturemeasureisthatthemoreintwoaspectsoftomeasureandtotechnicalcomparisonofthisrespectandthefoundationoftemperaturecontrolripen.

ItpresentsthedesigningoftheanalogcircuitonLM35temperaturesensorandtheeditingandthedebuggingofthewholetemperaturecontrolcircuit.Inthispaper,itinterviewtheprincipleofthetemperaturecontrolcircuit,temperaturemeasurecircuit,anti-jammingcircuit,frequencypowerarnplifierandRAMDACthetheoryofLM35chipandvoltagecomparator.

Keyword:

TemperaturecontrolTemperaturemeasureLM35applicationVoltagecomparator

摘要..................................................................2

目录...................................................................4

绪论...................................................................5

1温度控制电路..........................................................6

1.1设计要求.........................................................6

1.2方案选择与论证..................................................6

2基于模拟电路的温度控制电路............................................8

2.1温度信号检测及显示电路...........................................8

2.2温度控制部分.....................................................8

2.3所用器件介绍.....................................................9

2.3.1LM35精密集成电路温度传感器...............................9

2.3.2三位半LED显示A/D转换器ICL7107..........................9

3温度信号的检测和信号调整..............................................12

3.1温度测量及信号调理电路的设计.....................................12

3.1.1选用合适的传感器...........................................12

3.1.2设计信号调整电路...........................................13

3.3温度测量的误差分析...............................................14

4温度控制电路的设计.....................................................14

4.1控制电路........................................................14

4.2控制系统中的电压比较技术........................................15

4.2.1比较器的工作原理............................................15

4.2.2电压比较器..................................................16

4.2.3比较器与运放的区别..........................................17

5显示电路的设计.........................................................18

5.1显示电路原理....................................................18

5.2显示电路设计....................................................18

6总结....................................................................19

6.1干扰分析..........................................................19

6.2总结与改进........................................................19

参考文献..................................................................21

附录A：

原理图、pcb版图、元件清单..........................................22

致谢......................................................................23

绪论

在钢铁、机械、石油化工、电力、等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。

随着科学技术和生产发展,需要对各种参数进行测量,温度是工业对象中主要的被控参数之一.在冶金工业,化工生产,电力工程,机械制造和食品加工等许多领域中,人们都需要对各种环境中的温度进行检测和控制,温度控制对于大型工业和日常生活用品等工程都具有广阔的应用前景.例如冶金工业中的炼钢炉温度控制、化工生产中的培养皿温度控制、食品加工车间的温度控制等。

温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。

温度测量与控制系统是自动控制技术、计算机技术、电子技术和通信技术的有机结合，综合发展的产物。

其内容十分的丰富，它包括各种数据的采集和处理系统、自动测量系统、生产过程自动控制系统等，广泛应用于工厂自动化、商业自动化、实验室自动化等人类活动的各个领域。

随着工业的发展，对温度控制提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。

温度控制是一种具有纯滞后的系统，加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，目前的温度控制系统大多建立在一定的数学模型基础上，对被控对象中的非线性、时变性及随机干扰无能为力，因此，提高系统的抗干扰能力成为关键性的技术。

首先，控温精度要高。

其次，当环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。

而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。

最后，由于生产中的实际情况，控制设备要求操作方便，易于维护，成本较低等等。

常用的温度控制方法有:

电接点温度表温度控制、位式温度显示调节仪温度控制、PID连续电流输出温度显示调节仪表温度控制、PID连续电压输出温度显示调节仪表温度控制。

这些温度控制方法大都是在工业生产现场安装温度控制仪表，通过提前设定温度控制的上下限值或PID控制参数，然后再将控制仪表投入使用，进行各种预定的控制。

但若被控对象发生变化，难于实时的调整控制参数，不能满足实时控制的要求，而且温度变化曲线的一一记录不易实现。

总之，我国的电温度的控制设备的现状不容乐观，主要有以下特点:

小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。

由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，整体上，我国的温度控制系统比国外发达国家要落后，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。

控制精度依赖于实验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。

操作不方便，控制数据无法保存。

因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益。

由于微机控制系统性能的优越性，市场的需求量很大。

控制系统对微机的性能需求不是很高，同时由于计算机CPU及外围功能卡的不断升级和价格的不断下降，使得用高档微机进行控制的成本大为降低，而且也使得大批PC机闲置不用。

因此，用高档微机甚至闲置不用的PC机构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值。

但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，中小型的控制系统很少见。

这方面的缺口较大，市场前景看好。

本设计以温度控制为研究对象，针对环境温度，在比较、研究不同控制策略的基础上，根据实际情况通过模拟电路实现温度控制。

本文主要做了以下几个方面工作：

（l）论述了温度控制系统的课题目的、意义，当前计算机测控系统的发展动态及本论文的主要内容并对温度控制特点进行了简要分析。

（2）介绍温度测量过程相关知识。

（3）介绍温度比较控制过程相关知识。

（4）设计温度控制的实际电路。

（5）对结果进行系统分析与总结

1温度控制电路

1.1设计要求

（1）对环境温度能够进行测量和显示。

（2）对温度控制能达到基本要求。

1.2方案选择与论证

方案一：

单片机温度控制系统

系统组成：

通过系统硬件电路由温度检测，信号放大A/D转换单片机与键盘、显示器，可控硅电路等部分组成。

系统结构图见下图。

原理：

在温控系统中,需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化,由于热电偶的结构简单,制造容易,测量范围广,在高温测量中有较高的精度,所以选用热电偶做热电传感器，热电偶把测量的电烤箱温度信号转换成弱电压信号,经过信号放大电路,送入低通滤波电路主器件,以消除噪音和干扰,滤波后的信号输人到转换器转换成数字信号输入主机单片机主机对电烤箱温度和设定温度进行比较后输出控制脉冲,该控制脉冲与单稳态同步触发器输出的同步脉冲送人控制门与非门,门电路信号输人热电偶管转换成电流信号,经过三级放大电路输人可控硅的门极,可控硅导通由程序控制同步触发脉冲的来临时间,从而控制可控硅的通断时间,以达到对电烤箱加热丝温度的调节和功率的改变,实现对环境温度控制。

但该控制方案虽精度较高，但电路较为复杂，制作困难，易受干扰。

方案二：

模拟电路温度控制系统

以模拟电路为主，通过温度-电压的对应关系通过电压比较器控制可控硅，从而控制电热元件来达到控制温度的目的。

LM35是一种内部电路已校准的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比根据LM35的输出特性可知，当温度在0-150°

C之间变化时，其输出端对应的电压为0-150V，可通过芯片ICL7107及相关电路组成显示部分。

通过电位器控制输出可变电压值，该电压值与控制温度相对应。

通过该电位器的输出电压与环境对应电压LM35的输出通过电压比较器比较后控制可控硅控制电热元件，并通过一定的校正电路从而达到较高精度的温度控制。

由于采用模拟电路的控制方法，可能在电路制作过程中的调节和校正会遇到一定的问题，但通过校正电路的调节，相信会达到预期的控制精度。

为了解决日常生产生活中的温度控制问题，本着达到锻炼检验所学知识的目的，考虑到实际实验条件、经费、人力、个人知识程度等各方面的限制，本设计采用第二种实现方式，以模拟电路为主，使用优于用开尔文标准的LM35线性温度传感器。

通过温度与电压的对应关系达到对温度的控制目的。

通过本次设计，达到对所学知识的掌握巩固与检测的目的。

2基于模拟电路的温度控制电路

2.1温度信号检测及显示部分

LM35是一种内部电路已校准的集成温度传感器，线性度好，灵敏度高，精度适中．其输出电压与摄氏温度成正比，输出灵敏度为10.0MV／℃，精度达0.5℃．其测量范围为-55——150℃。

在静止温度中自热效应低（0.08℃）．工作电压较宽，可在4——20V的供电电压范围内正常工作，且耗电极小，工作电流一般小于60uA．输出阻抗低，在1MA负载时为0.1Ω。

根据LM35的输出特性可知，当温度在0——150℃之间变换时，其输出端对应的电压为0——150V，此电压经电位器W3分压后送到3位半数字显示表头（由ICL7107及有关电路组成）的检测信号输入端．在输入端输入的电压为150V时，通过调节电位器使显示的数值为150.0,经调整后数显表头显示的数值就是实测的温度值。

原理图如下：

2.2温度控制部分

温度控制选择可通过电位器W2来实现，电位器W1为预控温度调节，通过电压比较器的的输出端控制可控硅的通断控制电热元件的导通，达到控制环境温度的目的。

2.3所用器件介绍

2.3.1精密摄氏温度传感元件LM35

LM35系列是精密集成电路温度传感器，它们的输出电压与摄氏温度线性成比例，因而LM35有优于用开尔文标准的线性温度传感器，LM35无需外部校准或微调来提供±

1/4℃的常用的室温精度，在-55～+150℃温度范围内为±

3/4℃，LM35的额定工作温度范围为-55～+150℃，同时LM35C在-40℃到+110℃之间（-10℃用于改进度）。

电压温度转换公式如式：

0°

C时输出为0V，每升高1°

，输出电压增加10mV。

LM35有多种不同封装型式，外观如图所示。

其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其接脚如图所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；

两种接法的静止电流温度关系如图所示，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25°

C下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。

LM35主要特点：

（1）直接用摄氏温度校准

（2）线性+10.0mV/℃比例因数；

　　（3）保证0.5℃精度（在+25℃时）；

　　（4）-55～+150℃额定范围；

　　（5）适用于遥控设备；

　　（6）因晶体片微调而低费用；

　　（7）工作在4～30V；

　　（8）小于60μA漏泄电流；

　　（9）较低自热，在静止空气中0.08℃；

（10）只有±

1/4℃非线性值；

　　（11）低阻抗输出，1mA负载时0.1Ω

2.3.2三位半LED显示A/D转换器ICL7107

ICL7107是高性能，低功耗的三维半A/D转换电路。

它包含有段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。

可直接驱动发光二极管（LED）。

ICL7107将高精度、通用性很好的结合在一起，有低于10μV的自动效零功能，零漂小于1μV/°

C。

主要特点：

（1）保证零电平输入时，各两量程的读值均为零

（2）很低的噪声

（3）差动输入和差动参考源，直接LED显示驱动

（4）不需外接有源电路

（5）低功耗

管教排列如图：

功能说明：

1模拟部分：

2自动效零阶段

分为三步骤。

第一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开，在内部与模拟公共管脚端接。

第二：

参考电容充电到参考电压值第三,围绕整个系统过程一个闭合回路，对自动效零电容CAZ进行充电，以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。

3差动参考源

参考电压能够在转换器的电源电压范围内的任意位置上产生。

共模误差的主要来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分布电容充电或放电而造成的。

如果有以较大的共模电压，在正电压输入下进行反向积分时，参考电容回充电（电压增加）。

反之，在负电压如上进行反向积分时，参考电容会失去电荷。

这种由于正负输入电压而在参考电容上造成的电压差异会导致翻转误差。

4采用外部参考源接法

5显示部分

3温度信号的检测和信号调整

3.1温度测量及信号调理电路的设计

3.1.1选用合适的传感器

温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。

所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式。

而非接触方式是遥测，主要是红外测温，这是接触方式做不到的。

红外测温是通过测量物体热辐射发出的红外线，从而测量物体的温度，红外辐射的物理本质是热辐射。

热辐射是由于内外原因使物体内部带电粒子不断运动，使物体具有一定温度（高于绝对零度）而产生懂得一种热辐射现象。

虽然红外测温传感器有诸多的优点，但其市场价格昂贵LM35集成温度传感器接触式热电型的温度传感器，它将温度信号转换成电势信号，可以实现温度的测量和温度信号的转换。

LM35温度传感器LM35是NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。

因而，从使用角度来说，LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供±

1/4℃的常用的室温精度。

它在工程实际中的应用非常广泛,能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。

LM35有明显的优点:

（1）结构简单，制造方便，价格便宜。

（2）测温精度较高，高温区的复现性和稳定性好

（3）由于测温显示电信号，便于讯号的远传和记录，也有利于集中检测和控制。

3．1.2信号调整天路设计

LM35是一种内部电路已去噪校准放大的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比，输出端电压信号基本满足本设计的需求。

本处介绍另一种信号去噪放大方法。

这里我们采用高灵敏度高增益低漂移的集成运算放大器AD707J。

其中R3和C1组成低通滤波器，时间常数越大，消除噪音效果越好，但响应的速度变慢。

另外，R3增大，运放的输入偏置电流要产生偏置电压，因此，R3不能过大。

AF=1+

3.2温度测量的误差分析

LM35温度传感器是常用的传感器之一。

使用温度传感器不可避免地存在测量误差，引起该测量温误差的原因是多方面的，下面介绍可能存在的几个主要原因:

（1）传热误差

测温时，必然会通过热敏元件进行热量交换，有传热现象存在，LM35工作端所感受的温度就不能完全正确反映被测环境的温度，存在误差，通过信号放大，该误差进一步增大从而引起测量误差。

（2）动态误差

被测对象温度变化后，测温仪表来不及立即指出变化了的温度，从而引起读数误差。

对于快速变化的温度，由于测温元件的热惰性，动态误差可能很大。

（3）线路电阻误差

线路中电阻对信号传导的影响都会引起测温误差。

所有各种测温误差，最终都集中反映在E-t关系上。

因此，对各种误差的大小必须针对某一具体问题进行分析，从中抓住主要矛盾，以便提高测量精度。

4温度控制电路的设计

4.1控制电路

本设计的控制电路分为三个部分：

温度控制部分、预控部分、电热元件控制部分

电路原理图如下：

温度控制部分：

温度控制选择可通过电位器W2来实现．通过调节W2可使其中间头的电压在0——1.65V之间的范围内变换，对应的控制温度范围为0——165℃，完全可以满足一般的加热需要。

将开关K打在2的位置，电位