温度测量及控制.docx
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温度测量及控制
前言
“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性环节,进行自主选题和设计。
本设计课题为温度控制和控制电路,测温范围20~165。
C,控制温度连续可调,被测温度和控制温度均可数字显示,温度超过设定值时能产生声光报警。
该课题结合了模电和数电的理论知识,初看感觉没有思路,但通过各方面查阅资料和理论结合实际,定出了一套自己的设计方案。
本设计包含三个部分:
温度测量电路,显示电路,温度控制和声光报警电路,正文中详细介绍了各个模块的原理和工作过程。
在设计过程中得到了方面的支持和帮助,在此向老师表示由衷的感谢。
由于设计时间和水平的限制,如有不足之处,敬请指正!
目录
前言…………………………………………………………………………………………1
题目摘要………………………………………………………………………………………3
第一章系统概述
1.1温度测量与控制设计思想及方案论证………………………………………………….4
1.2工作原理…………………………………………………………………………………4
1.3模块划分…………………………………………………………………………………4
第二章单元电路设计与分析
2方案设计与论证…………………………………………………………………………….5
2.1温度测量电路…………………………………………………………………………5
2.1.1温度测量的实现原理图………………………………………………………...5
2.1.2温度测量实现过程及参数计算…………………………………………………6
2.1.3调试重点及仿真结果……………………………………………………………8
2.2温度的控制和报警…………………………………………………………………….9
2.2.1温度控制原理………………………..………………………………………….9
2.2.2温度控制实现过程及参数设定…………………………………………………9
2.2.3仿真结果………………………………………………………………………….11
2.3显示部分………………………………………………………………………………..12
2.3.1基本设计思想…………………………………………………………………….12
2.3.2ICL7107引出端功能表…………………………………………………………...13
2.4自制直流稳压源………………………………………………………………………..14
2.5元件说明…………………………………………………………………………….….15
第三章系统综述………………………………………………………………………………..18
第四章结束语…………………………………………………………………………………..18
附录……………………………………………………………………………………………..…19
收获和体会……………………………………………………………………………………..…20
温度测量与控制电路
摘要:
随着数字化时代的到来,用传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们的要求。
于是提出,测温电路利用铂热电阻桥式温度传感器监测外界温度的变化,通过三运放差分放大电路将温度传感器的阻值变化转换的电压信号的变化放大,然后利用A/D转换实现模拟信号到数字信号的转换,,根据模拟电路部分电路原理计算得出最后输出电压与温度值的关系,并通过数码管显示当前值,使其与温度数值上相等,从而实现温度的测量;并利用单限比较器来实现对温度的控制,通过设定温度上下限可使整个系统工作于一个限定的温度范围内;再者还加载了报警装置,当被测温度超出设定温度范围时,声光报警装置工作,使它的功能更加完善,使用方便起来。
本设计是采用了温度的测量、温度的显示、温度的控制和报警装置三部分来具体实现上述目的的。
关键字:
热电阻,三运放差分电路,声光报警,A/D转换器,LED显示电路
设计要求:
1.测量温度范围为200C~1650C,精度
0.50C;
2.被测量温度与控制温度均可数字显示;
3.控制温度连续可调;
4.温度超过设定值时,产生声光报警。
第一章系统概述
1.1温度测量与控制设计设计思想及方案论证
由于本设计是测温及控制电路,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行放大滤波,A/D转换后,就可以用通过显示电路将被测温度显示出来。
设计需要用到测温电路,放大电路,A/D转换电路,显示电路及控制电路。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比,简单而可行,具有读数方便,测温范围广,测温准确,其输出温度采用数字显示的优点。
温度传感器采用铂热电阻,放大电路采用误差小,精度高的三运放差分电路,显示驱动器采用7107芯片。
1.2工作原理
温度测量电路
控制开关
A/D转换
数码显示
超温报警
比较器
控制温度
图1.1原理框图
原理及工作过程:
实验原理如图1.1所示,温度测量电路由正温度系数电阻特性的铂热电阻Rt100为一臂组成测温电桥,经测量放大器和滤波电路后输出;其值与控制温度相比较,超出设定温度范围则报警电路工作产生声光报警;通过一控制开关,选择档位分别对被测温度和控制温度进行A/D数模转换和数码显示,从而读出温度。
1.3模块划分
由电路工作原理,本系统可划分为三个模块:
1温度测量电路
2温度控制和报警电路
3温度的显示
第二章单元电路设计
2.1温度测量电路
2.1.1温度的测量和实现原理图
图2.0测温电路
工作原理:
温度测量电路如图2.0所示,它由传感器电桥、三运放差分放大器和二阶低通滤波器组成。
采用阻值Rt=100的铂金属热电阻为传感器,它由较高的测量精度,并且在较大的温度范围内有很好的线性。
通过测温电桥把电阻随温度的变化转换为电压的变化,再通过一个三运放差分放大电路将小信号电压值放大,最后经过一个二阶有源低通滤波器,得到电压值。
首先调节滑动变阻器Rp1使温度等于0℃时输出电桥平衡,即输出为零;然后调节滑动变阻器Rp2改变电压放大倍数,使温度等于100℃时,输出电压为1V,满足输出电压和温度成线性关系,这样数值关系有U0=T/100。
由该电压值可以直接推知当前温度值,从而达到温度测量的目的。
图2.1
2.1.2温度测量的实现过程及参数计算
方案一:
铂电阻温度传感器
铂电阻温度传感器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度
传感器,分为PT100和PT1000属于正电阻系数,特点:
极佳的
线性,宽广的测温范围(-200~600℃),高精度,高可靠性。
实现方式:
桥式测电阻。
如图2.1所示:
其电阻和温度变化的关系式:
R=Ro(1+αT)
其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度;
α=0.00386,Ro为1000Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度
图2.2
方案二:
集成温度传感器AD590
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端
感温电流源,利用PN正向电流与温度关系制成的电流
输出型两端传感器。
特点:
测温范围(-55~150℃),线性好,精度适
中,灵敏度高,体积小,使用方便等。
AD590的基本应用电路,如图2.2所示:
方案选择:
根据课题要求,测量温度范围200C~1650C,故选用传感器电桥实现温度测量,如图2.1。
工作原理:
利用电桥将随温度变化的阻值转换为电压,电桥输出电压为:
Ux=U(R1.Rp1—R2Rt)/(R1+Rt)(R2+Rp1)
若取R1=R2=R0,调节电位器,使其等于00C时的Rt值Rt0,则,00C时电桥输出Ux=0V,当温度变化使热电阻的阻值增大△Rt时,电桥输出:
Ux=—R0△Rt/(R0+Rt0+△Rt)(R0+Rp1)·U,(式1)
式中分母中含有△Rt项,故除测温电阻的非线性误差外,又增加了转换电路的非线性误差。
故选择参数时应注意要满足△Rt《R0+Rt0这一条件。
参数选择:
由Rt20=107.91Ω,Rt93=136.4Ω,Rt165=163.93Ω,
选R1=R2=10kΩ
∵R1》△Rt,Rp1=Rt0,△Rt=R0·ɑT
∴输出电压Ux≈—R0△Rt/(R0+Rt0)(R0+Rp1)·U=—8.82×10-4△Rt=—3.45×10-4T
仿真结果:
A=80%,即Rp=100时,输出电压为零。
(2)差动放大器及方案选择
根据输出电压信号的特点,前置级应该满足下述要求:
(1)高输入阻抗。
输出信号是不稳定的高内阻源的微弱信号,为了减少信号源内阻的影响,必须提高放大器输入阻抗。
一般情况下,信号源的内阻为100kΩ,则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。
(2)高共模抑制比CMRR。
前置级须采用CMRR高的差动放大形式,能减少共模干扰向差模干扰转化。
(3)低噪声、低漂移。
主要作用是对信号源的影响小,拾取信号的能力强,以及能够使输出稳定。
如图2.3所示的同相并联三运放结构,这种结构可以较好地满足上面三条要求。
放大器的第一级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。
第二级采用差动电路用以提高共模抑制比。
图2.3三运放差分放大电路
如图2.3为三运放构成的差分电路,这是一种现代工程中常用的差分放大结构。
运放A3和A4构成放大部分,A5为差分放大部分。
从电路结构可知,该电路具有输入阻抗、共模抑制比高,温漂影响小和二级放大信号失真小等优点。
当R3=R4,R5=R6时,两级的总增益为两个差模增益的乘积,即:
Avd=((Rp+2R1)/Rp)(R6/R4)(式2)
由此可知,上述电路具有输入阻抗高,共模抑制比高等优点,故选用此三运放差分电路来放大小输入电压信号Ux。
参数选择:
R1=R2=5.1k,Rp=30k,R3=R4=1k,R5=R6=20k
则输出电压U0=((Rp+2R1)/Rp)(R6/R4)Ux,通过改变Rp可以改变电压放大倍数。
调节Rp,使温度100℃时,输出电压U0值为1V。
最终保证输出和温度数值上的一个线性关系,通过电压值可以知道温度值,而达到测量温度的目的。
(3)滤波电路
图2.4滤波电路
该电路为二阶有源低通滤波电路,本系统中主要用于去掉50Hz信号和其他随机噪声的干扰,在对测量信号进行A/D转换和显示之前对放大信号进行滤波,得到一较为稳定的输出信号。
从滤波效果好和电路尽可能简单的角度考虑,如图2.4所示,该滤波电路采用高精度运放OP07。
1通带电压放大倍数:
LPF的通带电压放大倍数就是f=0时输出电压与输入电压之比,而对于直流信号而言,电路中的电容相当于开路,因此它的通带电压放大倍数就是同相比例电路的电压放大倍数,此电路相当于一电压跟随器,即Av=1。
2传递函数:
Av(s)=Av/(1+(3—Av)sCR+(sCR)2)
3频率特性:
令s=jw,w0=2*pi*f0=1/RC,可得A=Av/[(1—(f/f0)2+j(3—Av)f/f0)]
当f=f0时,A=Av/j(3—Av)
品质因数Q=A|f=f0/Av=1/(3—Av)
由二阶压控LPF的幅频特性可知,当Q=0.7是滤波效果最好,此时Av=1.57。
正是从这一点考虑,加上本系统滤波的需要设计了图2.4所示的二阶压控LPF,此二阶压控LPF的上截止频率为f0=7.96。
2.1.3调试重点和仿真结果
三运放差分电路两输入端均接地时,Ui=0,输出Uo若有一个电压,需要对集成运放进行调零,使其输出为零;将Rt换成其100℃时的阻值138.5Ω,电桥输出电压为34.5mV,调节滑动变阻器使其输出为1V。
图2.0所示,
仿真结果:
Rt=138.5Ω时,则示波器XM1输出1.009V,XM2输出34.3mV,XM4输出1.006V,基本满足关系。
2.2温度控制及报警电路
2.2.1温度控制实现过程即电路原理图
声光报警
555
单限比较器
温度设定
图2.5温度控制及报警电路
工作原理:
左边分压电路通过电阻分压,1、2端输出电压分别作为控制电压作为U2A和U1A的输入,其中,U1A正端输入为上限值,U2A负端输入为下限值,并通过滑动变阻器可实现连续可调。
两片555定时器作为报警电路:
第一片为单稳态触发器,第二片为多谐振荡器。
将温度测量部分输出的电压信号接到电路输入Ui端,当测量电压大于U1A发光二极管LED2亮,或小于U2A时,二极管LED1亮,74LS32输出为0,通过两个发光二极管的亮的位置可以判断此时温度过高还是过低。
此时第一片5552输入端有一负脉冲,单稳态触发器进入暂稳态,输出3管脚为1,第二片555开始工作,输出一定频率的方波,驱动扬声器工作,从而产生声光报警。
2.2.2温度控制的实现过程及参数计算
(1)控制电压的设定
对温度测量的一个目的就是要对温度实现控制,此电路对温度的控制是靠一个单限比较器来定制一个预定温度的界限,将一个集成运放接成电压比较器的形式,输入一端接设定电压,一端接温度测量部分的输出电压,当测量电压超过设定值时,电压比较器输出为0。
图2.6
图2.6给出了一个单限比较器。
输入信号Ui接上面
温度传感器的输出Vo,,它加到U1A反相输入端,在
同相输入端接一个参考电压(门限电平)Ur1(根据的
最高温度设置),同理Ui接U2A的同相输入端,反相
输入端接参考电压Ur2(最低温度设置)。
当输入电压
Ui
低设置值时,输出为高电平UOH,
方案选择:
考虑到电路实现要简单易行,故选用
分压电路设置控制电压Ur,且通过滑动变阻器的调节
可以实现控制电压连续可调。
通过集成运放LM324与
输入电压比较。
控制上限电压Ur1=R5/(R1+R5)·Vcc
控制下限电压Ur2=R3/(R2+R3)·Vcc(式3)
参数选择:
由于测温范围20~165℃,所对应电压仅为几伏左右,所以分压电路选择12V电源,R1=R2=3.3KΩ,R3=R5=1KΩ已经完全可以满足要求;集成运算放大器用LM324即可,LM324简单方便且不用调零。
(2)报警部分的实现
当温度超出设定值时,实际就需要报警来提醒,故用声光报警电路来完成此功能。
本系统利用555来实现声音报警:
两片555构成单稳态和多谐振荡器,当需要时产生一定频率的方波信号驱动扬声器发声。
而仅需用发光二极管和非门接在图2.6的输出端即可实现光报警。
电路原理图如2.7所示:
图2.7声光报警电路
工作原理:
把图2.6的Vo1接到74LS00的4管脚,Vo2接到74LS00的5管脚,当温度的输出电压即Vi过高,高于设置的Ur1时,发光二极管LED2发光,当温度的输出电压即Vi过低,低于设置的Ur2时,发光二极管LED1发光;当出现光报警时,第一片555的输入端2管脚为低电平,单稳态触发器进入暂稳态工作状态,输出高电平,驱动第二片555构成的多谐振荡器,最终扬声器响,从而实现了声光报警。
其中,单稳态触发器延迟时间Tw=1.1RC。
参数设定:
1)为使555构成的多谐振荡器能一段时间稳定输出报警,故Tw应稍大点,取R8=
5MΩ,C3=10uF,此时Tw=1.1(R7+R8)C3≈60s;
2)为使555构成的多谐振荡器输出一个较合适的频率,且使扬声器能正常工作,取
C4=C6=5KΩ,C1=0.01uF,则扬声器发出的声音频率为f=1.44/(R4+2R6)C1=9.6kHz;
3)555的5管脚不用时通过一电容接地,一般取C2=C4=0.01uF;
4)为使能驱动扬声器工作,C5应稍大点,取C5=160uF。
2.2.3仿真结果
将输出端接PROBE灯泡当被测温度过高时,X2和X1同时亮,当被测温度过低时,X2和X3同时亮;当产生声光报警时,X1持续亮,而由于555输出端为频率为f的方波,故X2一闪一闪的。
2.3显示部分
应用ICL7107的显示电路
2.3.1:
基本设计思想
本设计显示用元件为ICL7107。
ICL7107是一中高性能、低电耗、十进制的位的A/D转换器,具有高精度、多功能、经济使用的特点。
它是双向积分转换器,转换精度高,转换速度低于3—5次/秒。
比较适合人工观察,手持仪表。
ICL7107的基本测试电路如图001所示,被测试电压从输入端INHI和INLO接入。
R4用来调零。
R5用来限制输入电流。
C5可以抑制电压波动。
R3、R4用来决定输入时钟频率。
显示器应采用共阳极显示器。
由于在本设计应用中,不需要千位,所以在输入前把模拟量放大为原来的十倍,在第二个数码管后让其小数点长亮。
则在图001中,从左至右一次为小数位、各位、百位。
2.3.2:
ICL7107A/D转换器引出端功能
ICL7107采用标准的陶瓷或塑料双列直插40引线封装,引线排列如图2.3.3.1所示。
各引脚功能如下:
au~gu:
(5、4、3、2、8、6、7端口)为个位的段驱动信号,接个位LED的a~g对应段笔画。
aT~gT:
(12、11、10、9、14、13、25端口)为十位的段驱动信号,接十位LED的a~g对应段笔画。
aH~gH:
(23、16、24、15、18、17、22端口)为百位的段驱动信号,接百位LED的a~g对应段笔画。
abk:
(19端口)为千位的驱动信号,接千位LED的a和b段。
PM:
(20端口)为负数指示信号,接千位LED的g段笔画或负号段,当信号为负值时,该段点亮。
GND:
(21端口)为逻辑线路的电位端。
OSC1和OSC2:
(38、39端口)为时钟脉冲发生器的接线端。
VREF+和VREF-:
(36、35端口)为参考电压的接线端。
CREF+和CREF-:
(34、33端口)为参考电容的接线端。
COM:
(32端口)为公共模拟地端。
IN+和IN-:
(31、32端口)为模拟信号输入端。
BUF:
(28端口)为缓冲器输出端,接积分电阻。
AZ:
(29端口)为积分器和比较器的反相输入端,接自动稳零电容。
INT:
(27端口)为积分器输出端,接积分电容。
TEST:
(37端口)为灯光测试端,在检查LED时该端通过500Ω电阻与GND相接,则各段均显示。
V+:
(1端口)为电源正极,通常接+5V。
V-:
(26端口)为电源负极,通常接-5V。
通常使用ICL7107A/D转换器时,电源电压
,
,显示器应采用共阳极显示器。
2.4自制直流稳压电源
本设计中用到了+12V、-12V、+5V、-5V四个电压,一个成熟的电子设计,必须有自己的供电电源,从绿色环保的角度考虑,用民用交流电来供电。
设计直流稳压电源如下:
此多输出直流稳压电源应用三端集成稳压器来设计,共有+12V、12V、+5V、-5V四个电压输出。
下面给出三端集成稳压器的一些参数和电源的设计图。
直流稳压电源一般由电流变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。
2.5元件说明
(一)LM324:
是常用的双极型放大器四运放,其管脚如图002所示,它在一个14脚芯片里封装了四个放大器,没有引出调零端。
它的特点是:
单电源工作,输入和输出都可以接近到地点位。
其具体性能指标如下。
●输入失调电压:
典型为3mV,最大7mV
●输入失调电压温漂:
最大7uV/℃
●输入偏置电流:
典型45nA,最大150nA
●输入阻抗:
典型2MΩ,最小0.3MΩ
●共模输入电压:
0—Vcc—1.5V
●共模抑制比:
80dB
●转换速率:
0.3V/us
●稳定时间:
0.5us
●电源电压范围:
3—32V,可双电源供电
●电源电流:
四个运放典型值1.4mA,最大
值3mA
LM324实际由三个系列产品组成,即LM324、LM224和LM124。
在民用电子产品中获得大量的应用。
(二)555定时器:
表2.6.1555定时器功能表
Rd
T状态
0
X
X
0
导通
1
>
>
0
导通
1
<
>
不变
不变
1
<
<
1
截止
本设计中555定时器主要用来设计报警电路。
主要有由555构成的单稳态触发器和多谐振荡器。
1:
555构成的单稳态触发器
图0031为由555定时器构成的单稳态触发器,其工作原理如下:
接通电源瞬间,uc=0V,输出u0=1,放电三极管T截止。
Ucc通过R给C充电。
当uc上升到2Ucc/3时,比较器C1输出变为低电平,此时基本RS触发器置0,输出u0=0。
同时,放电三极管T导通,电容C放电,电路处于稳定,稳态时u1=1。
当输出负脉冲时,触发器发生翻转,是u0=1,电路进入暂稳态。
由于u0=1,三极管T截止,电源Ucc可通过R给C充电,当电容C充电至uc=2UCC/3时,电路又发生翻转,输出u0=0,T导通,电容C放电,电路自动恢复至稳态。
可见,暂稳态时间由RC电路参数决定。
若护绿T的饱和压降,则电容C上电压从0上升到2Ucc/3的时间,即输出脉冲宽度tw为;
Tw=RCln3=1.1RC
这种单稳态电路工作波形如图0032所示。
当输出信号由高电平变为低电平时,555内部的放电三极管T导通,电容C通过T放电,由于T饱和导通时电阻很小,因此电容电压迅速减小为0V,电路恢复到稳定状态,为下次触发做好准备。
在图7.29电路中,它要求触发器脉冲宽度小于tw。
并且输入u1的周期大于tw.如果输入脉冲宽度大于tw,可在输入端接一个RC微分电路,使输入负脉冲经RC微分变窄后再接到单稳态触发器上。
通常R取值在几百欧姆到几兆欧姆,电容取值在几百皮法到几百微法。
因此,电路产生的脉冲宽度从几微秒到数分钟,精度可达0.1%。
2:
555构成多谐振荡器
555定时器,构成多谐振荡器如图0041所示,图0042为其工作波形。
当接通电源Ucc后,电容C上的初始电压为0V,比较器C1,C2输出为1和0,使u0=1,放电管T截止,电源通过R1,R2向C充电。
Uc上升至2Ucc/3时,RS触发器被复位,使u0=0,T导通,电容C通过R2到地放电,uc开始下降,当uc降到Ucc/3时,输出u0又翻回到1状态,放电管T截止,电容C又开始充电。
如此周而复始,就可在3脚输入波形信号。
由图0042可见,uc将在Ucc/3与Ucc/3之间变化,因而可求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2
T1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C
T2=R2Cln2=0.7R2C
所以输出矩形波的周期为
T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C
振荡频率f=1/T=1.44/(R1+2R2)C
占空比q=R1+R2/(R1+2R2)>50%
如果R1>>R2,则q=1,uc近似为锯齿波。
在本设计中,多谐振荡器输出端接扬声器,用来声音报警。
第三章系统综述及总电路图
图2.9为设计后总的电路图,图中分别有温度的测量、控制和报警部分和温度的显示部分。
设计内容的实现,是通过铂热电阻桥式传感器将温度转为电压信号,经过放大器放大后输出,输出信号接两个LM324单限比较器,一个LM324单限比较器的输出端通过与控制电路的分别发光
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