课程设计数字式温度测量控制电路的设计.docx

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课程设计数字式温度测量控制电路的设计

毕业综合实践文档

课题名称：

数字式温度测量控制电路的设计

姓名：

学号：

系别：

电气系

专业：

电子工程信息技术

指导老师：

专业技术职务副教授

毕业综合实践开题报告

姓名：

学号：

09034214

专业：

电子信息工程技术

课题名称：

数字式温度测量控制电路的设计

指导教师：

2011年12月19日

课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案

一．课题意义：

温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业、工业、各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。

目前，随着信息技术的发展，传感技术的广泛应用，温度的测量与控制已向自动化、智能化方向发展。

目前普遍采用数字电路完成。

设计的数字温度计与传统的温度计相比，输出温度采用数字显示，具有读数方便，测温范围广，测温准确等重要特点。

二．课题现状：

本设计采用K型热点偶与核心处理芯片相结合，将温度信号转换为电信号，经过A/D转换变成数字信号，用数字显示。

测量、制范围0~800℃。

控制精度为0.5级。

三．需解决的问题：

1、能把温度量转换成比例的模拟电信号（电压或电流）。

2、把模拟电信号变换成数字信号。

3、最后通过数字电路（计数、译码和显示）直接指示出温度值。

四．解决方案：

这次采用K型热电偶，将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D将模拟信号转换为数字信号，在通过数字电路（计数、译码和显示）直接指示出温度值，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。

这样就完成了数字式温度的基本测温功能。

指导教师意见：

指导教师：

年月日

专业教研室审查意见：

教研室负责人：

年月日

课题摘要

温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业、工业、各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。

目前，随着信息技术的发展，传感技术的广泛应用，温度的测量与控制已向自动化、智能化方向发展。

目前普遍采用数字电路完成。

设计的数字温度计与传统的温度计相比，输出温度采用数字显示，具有读数方便，测温范围广，测温准确等重要特点。

本设计采用的温度传感器是K型热电偶，将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D将模拟信号转换为数字信号，在通过数字电路（计数、译码和显示）直接指示出温度值，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。

在通过控制电路来完成温度的控制，这样就完成了数字式温度的基本测温功能。

关键词：

K型热电偶、冷端补偿、线性校正、0-800℃、设定值、A/D转换

目次

1、引言

温度是一个基本物理量，也是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。

温度的测量和控制技术应用十分广泛。

在工农业生产和科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动地控制、调节该系统的温度。

通过该设计我们可以直观看到温度视数变化，根据实际系统的需要调节系统温度。

1.1、设计任务

进一步熟悉模拟和数字设计方法和规范，并进一步巩固所学模拟电子及相关知识，达到综合应用电子技术的目的，培养设计开发以及动手实践等能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，独立思考分析，完整理总结设计报告。

了解温度传感器件的功能，学会在实际电路中应用。

进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。

了解检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式也不同。

运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试。

学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析问题和解决问题的能力。

1.2、设计要求

1）能把温度量转换成比例的模拟电信号（电压或电流）；

2）把模拟电信号变换成数字信号；

3）最后通过数字电路（计数、译码和显示）直接指示出温度值；

4）被测温度和控制温度均可数字显示；

5）测量温度为08000C，精度为0．50C；

2、设计方案：

电源

图2.1：

热电偶温度控制方框图

比较器：

选用运放构成的迟滞比较器

A/D转换、显示电路：

选用ICL7107

热电偶可采用冷端补偿（冷端恒温法、补偿导线法），经过非线性反馈进行校正，形成线性凋零电路，量程调整采用定位器，设定值采用外围硬件，用7107芯片A/D转换，用共阳数码管驱动。

3、温度传感器

本次采用K型热电偶。

K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。

K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

图3.1：

K型热电偶

K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。

K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。

3.1、热电偶的测温原理

热电偶测温必须由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。

下图是最简单的热电偶测温示意图。

图3.2：

热电偶温度计示意图

按右图组成的热电偶蕊及测温电偶丝1，如果将热电偶的热端加热，使得冷、热两端的温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象就称为热电现象（即热电效应）。

在热电偶回路中产生的电势由温差电势和相接触电势两部分组成接触电势：

它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。

当两种不同的导体A和B相接触时，假设导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且Na>Nb，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不相同，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。

导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。

因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到4的电子数增多，最后达到动态平衡状态。

此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。

此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接点温度有关。

温度越高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。

这样将1产生的温差热电势通过连接导线2在显示仪表3中显示出来。

3.2、K型热电偶特点

检出（测温）元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

必须配二次仪表，其优点是：

①测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

　　②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

表1：

K型热电偶分度表

温度

0

10

30

50

70

90

100

0

0

0.3969

1.2033

2.0231

2.8512

3.6819

4.0962

100

4.0962

4.5091

5.3284

6.1383

6.9406

7.7391

8.1385

200

8.1385

8.5386

9.3427

10.1534

10.9709

11.7947

12.2086

300

12.2086

12.6236

13.4566

14.2931

15.1327

15.975

16.3971

400

16.3971

16.8198

17.6669

18.5158

19.3663

20.2181

20.6443

500

20.6443

21.0706

21.9236

22.7764

23.6288

24.4802

24.9055

600

24.9055

25.3303

26.1786

27.0249

27.8686

28.7096

29.129

700

29.129

29.5476

30.3822

31.2135

32.041

32.8649

33.2754

4、冷端补偿

热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。

若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。

在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。

热电偶的热电势是以冷端在零度为标准测量的。

然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，由于冷端不为零度，造成热电势差减小，使测量不准，出现错误。

不补偿会出现测量错误。

例如用毫伏计测量温度，热电偶冷端为50度，接补偿导线，补偿导线冷端为室温20度，如果不采取调整零点的方法，测量显示温度为实际温度减去20度。

图4.1：

补偿电路

5、放大电路

“放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：

用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。

放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。

放大——把微弱的电信号的幅度放大。

一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。

根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。

（1）电压放大倍数定义为:

AU=uo/ui

（2）电流放大倍数定义为:

AI=io/ii

（3）互阻增益定义为:

Ar=uo/ii

（4）互导增益定义为:

Ag=io/ui

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，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。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。

下面介绍其应用实例。

LM324作反相交流放大器。

此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。

电路无需调试。

放大器采用单电源供电,由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。

5.1、0P07的功能和管脚图

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种

图5.1：

放大电路

低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA。

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month最大高电源电压范围：

±3V至±22V。

OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+

ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS最大额定值。

图5.2：

OP07管脚图

6、线性校正

常规数字仪表进行非线性补偿，主要有两方面的工作：

（1）根据已知的传感器非线特性求得所需要的线性化器的非线性特性。

非线性特性的求取可用数字解析表达式，也可用图解法求得。

（2）根据所求得线性化器特性，采用非线性补偿电路来实现非线性补偿，而对非线性曲线的处理一般采用折线逼近法。

在温度测量中大量试用的热电偶，其输出热电势Et与被测温度T之间是非线性关系，而且不同种类的热电偶，其非线性规律不通。

这就要求补偿热电偶非线性的线性化器，其非线性规律能根据需要进行调整，以试用各种热电偶的非线性。

所以本次处理非线性采用折线近似逼近的方法。

   任意的非线性函数关系都可以用折线近似逼近，这种近似逼近法的精确度由所取的折线段数决定。

折线的段数越多，逼近的精确度越高。

   热电偶温度信号非线性是比较大的，如B偶，从0°C升高到1800°C，热电势从0mV变化到13.585mV，每100°C热电势增加最大的约为最小的8倍。

B偶的最大输出热电势只有13.585mV，而且当温度升高到约1700°C时，该增加值下降。

其它热电偶都存在类似的问题，尽管稍有不同。

这又给线性化增加了难度。

 这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。

处理得好可以达到较高的精度。

这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。

该种方法的电路原理图如图2.5.3所示。

该电路的工作过程是：

当输入的电压信号较低时，IC1中的反相端电压较同相端（A）低得多（同相端的电压大小是根据线性化要求设定的，B点同样），IC1的输出端电压较高，D1截止。

当输入信号电压接近IC1的同相端时，IC1的输出逐渐降低，随之，D1逐渐导通，V4逐渐增大，直到V4接近A点电压为止。

这就有效地限制了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。

IC2的工作过程与此类似，不同的是B点电位比A点高。

当输入电压在A点电压以下时，D2截止，IC2不工作；只有当输入电压高于A点电压或接近B点电压时IC2才工作。

工作过程与IC1相同。

所用折线的段数是根据精度要求决定的。

对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到0.5%以上。

当D1、D2都导通后，可推出：

 式中，VF为晶体管发射结的正向压降。

 本设计选用折线近似法对热电偶进行线性化近似。

图6.1：

线近似逼近式非线性网络特性曲线图

图6.2：

线性电路

6.1、LM324的管脚图和管脚说明

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，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：

图6.3：

LM324管脚图

这个是最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6,7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13,14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7,8,14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。

至于使用地方，那就是你需要比较器和运算放大器的所有地方你都可以用，只是当你所需要用到运算放大器的地方对运算放大器的性能要求很高的时候那你就的看看LM324是不是满足性能要求了！

7、设定电路

设定电路的作用：

当温度在测量0～600℃范围内，电路放大后的电压信号通过电压比较器与基准电压进行比较，电压信号小于基准信号，电路正常运行。

但当输出电路温度超过该范围，基准信号小于电压信号时，电路停止运行，直到温度低于温度传感器设定的最大温度值时。

图7.1：

设定电路

8、迟滞比较器

迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。

在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。

由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。

它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。

单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。

8.1、电路组成

迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。

图2a所示为反相输入迟滞比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，其传输特性如图2b所示。

如将vI与VREF位置互换，就可组成同相输迟滞比较器。

图8.1输入和输出电压波形

（a）图8.2（b）

8.2、门限电压的估算:

由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况下，输出电压vO与输入电压vI不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零，即:

或

（1）

设运放是理想的并利用叠加原理，则有

（2）

根据输出电压Vo的不同值（VOH或VOL），可求出上门限电压VT+和下门限电压VT–分别为

（3）

（4）

门限宽度或回差电压为

（5）

设电路参数如图XX_02a所示，且

，则由式（3）~（5）可求得

，

和

。

8.3、传输特性

设从

，

和

开始讨论。

当Vt由零向正方向增加到接近

前，Vo一直保持

不变。

当Vt增加到略大于

，则Vo由VOH下跳到VOL，同时使Vp下跳到

。

VI再增加，Vo保持

不变。

若减小Vi，只要

，则Vo将始终保持

不变，只有当

时，Vo才由

跳到VOH。

其传输特性如图XX_02b所示。

由以上分析可以看出，迟滞比较器的门限电压是随输出电压Vo的变化而改变的。

它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。

图8.3：

比较电路

9、驱动电路

主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。

驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。

图9.1驱动电路

9.1、继电器

继电器是一种电控制器件。

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。

通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器使被控制的输出电路导通或断开。

输入量可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）及非电气量（如温度、压力、速度等）两大类。

继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。

广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。

　　继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。

　　作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：

　　1）扩大控制范围：

例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。

　　2）放大：

例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。

　　3）综合信号：

例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。

　　4）自动、遥控、监测：

例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。

10、A/D转换电路

A/D转化电路。

亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。

将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。

A/D变换包含三个部分：

抽样、量化和编码。

一般情况下，量化和编码是同时完成的。

抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。

10.1、ICL7107的引脚图

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                  图10.1：

ICL7107的引脚图。

（1）ICL7107引脚功能4iP838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

4iP838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号V＋和V-分别为电源的正极和负极，4iP838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

au-gu,aT-gT,aH-gH：

分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

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Bck：

千位笔画驱动信号。

接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

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PM：

液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

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Oscl-OSc3：

时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。

第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：

4iP838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号Fosl=0.45/RC4iP838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

COM：

模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

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TEST：

测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

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VREF＋VREF-：

基准电压正负端。

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CREF：

外接基准电容端。

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INT：

27是一个积分电