温度的检测与控制

题目：温度的检测与控制学院（系、部）：研究生院专业：电路与系统学生姓名：胡群学号：2012080912二〇一三年六月东华理工大学设计与要求1一、设计任务与要求温度是表征物体冷热程度的物理量，在工农业生产或科学研究中，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。下面设计并制作对某一系统的温度进行测量与控制的电路。电路要求为：①被测温度和控制温度均可数字显示。②测量温度范围为0℃～120℃，精度为±0.5℃。③控制温度连续可调，精度为±1℃。④温度超过额定值时，产生声、光报警信号。东华理工大学硬件设计2二、硬件设计1、总电路图系统框图如图1所示，温度传感器用来测量被测体的实时温度并转换成电压信号，该电压信号经过滤波放大电路，成为有用信号分两路进入后续电路：一路进入A/D转换电路将其转换成数字信号显示；电压信号的另一路进入电压比较器，与输入控制温度电压信号进行比较，比较结果信号将驱动温度控制装置工作，对被测体的温度进行实时控制，电压比较器的比较结果将决定是否发出声光报警。此方案是将测量温度与输入控制温度转换成电压信号进行比较，从而实现了温度的控制。图1整体构思：总体设计框图如下图2所示，从温度的采集到与设定温度的比较，再到控制过程都是模拟信号，在显示电路中，将模拟信号转换成数字信号显示。主要由以下几个模块构成：温度传感器、A/D转换器、电压比较器、控制电路（温控电路）、声光报警器、转码电路、显示电路、加热电路。东华理工大学硬件设计3图22、各模块设计：1）温度传感器：a)铂测温金属：常见铂测温电阻的标称电阻值为100Ω，温度系数是3850×10-6/℃。标称值的误差影响偏置，而温度系数的误差影响增益。温度跨度越大误差也越大。标称值的误差可用一点调整，而温度系数的误差要由间隔温度的两点调整。当要求很细微的调整温度时，要选用温度系数一致的传感器。b)测温基本电路:电路的输出:Eout=R1ΔRVIN/(R1+R0+ΔR)(R1+R0)由于分母中有ΔR项的存在，在恒定条件下工作除了传感器的非线性误差外，还有恒压电路产生的误差，使得误差变得更大。为此在恒压下工作必须要有线性校正电路。线性校正电路：恒压工作时，在传感器自身的非线性误差上还有一个由恒压工作带来的非线性误差，不进行校正就无法实现该精度测量。校正的方法采用正反馈线性校正。如图4，在电路中，把运算放大器A2的输入反馈到输入端Vin，反馈量由R3、VR3、R4决定，而且是串联加到Vin。这样Vout大，对传感器所加的电压VB也大，结果使得Vout变小，实现了线性校正。东华理工大学硬件设计4图32）A/D转换器利用集成芯片AD574，再结合两片74LS283（4位二进制超前进位全加器）构成。该方案工作原理是先将模拟量转换成9位二进制数，再将最低一位和前八位相加这样就可以将测量精度提高到±0.5℃。东华理工大学硬件设计5图43）电压比较器LM324是运放集成电路，电路模型如图5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7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；Vi+（+）为同相输入端。LM324的引脚排列见图7。东华理工大学硬件设计6图5图64）控制电路（温控电路）由于通过温度传感器测得温度后，将温度值转化为电压值，因此，利用电压值之间的大小关系就可以控制温度的大小。我们调节温度是将其转化为电压的形式，通过改变电压值来实现控制温度与被测温度的比较。所以，利用刚才介绍的LM324电压比较器来完成控制电路的核心控制，由于比较器最小输入电压差为40mV，而温度测量中输出电压精度在5mV，因此需要加大电阻以提高电压值，以实现两个电压的正常比较。控制电路图如下：图7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东华理工大学硬件设计70～1.2V之间的范围内变换，对应的控制温度范围为0～120℃，完全可以满足一般的加热需要。将开关K打在2的位置，电位器W2中间头的电压经过电压跟随器A后送到数显表头输入端来显示控制温度数值。调节电位器W2，数显表头所显示的数值随之变化，所显示的温度数值即为控制温度值。电位器W1为预控温度调节，其电压调节范围为0～0.27V，对应可调节温度范围为0～27℃．此电位器调整后，其中间头的电压与电位器W2中间头的电压分别送入比较放大器B(放大倍数为1）的反相及同相输入端，B输出端的电压为二输入电压之差。此电压对应两个设定的温度值之差。当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电平。当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，电压比较器D输出高电平。当实际温度上升到100℃以上时，温度传感器的输出电压大于1V，电压比较器D输出低电平。5）声光报警器该报警装置如图8所示，主要构成器件为555定时器集成芯片。它组成的多谐振荡器再加上发光器件和扬声器，就构成了此声光报警器，当前置电路产生的逻辑信号为高电平时，则该声光报警装置工作，发出声光报警。该设计的发声频率为：f=1.44/[(R1+2R2)C1]≈10KHZ所以，发声持续时间：T=1/f≈1×10-4s图8当测温电路测量出温度时，信号传送至RST端即可，电路如图9：东华理工大学硬件设计8图96）转码电路当电压信号经过A/D转换器转换后变成了8位二进制的数字信号，而后续电路需要的是8421BCD码，所以需要进行码制转换。我们选用集成芯片74185来实现这个功能,如图10是74185的元件图：图107）显示电路东华理工大学硬件设计9如图11所示，为控制温度的显示电路。这里采用的是七输入数码管，即七段显示数码管，这种数码管有共阴极和共阳极之分。应用此种数码管时，必须前置译码电路，即7448N七段数码显示译码器。图118)加热电路东华理工大学硬件设计10图12加热电路如图12，当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电平，可控硅T1因获得偏流一直导通，交流220V直接加在电热元件两端，进行大功率快速加热。当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，可控硅T1因无偏流处于截止状态，电压比较器D输出高电平，可控硅T2仍处于导通状态，交流220V需要通过二极管D2加在电热元件两端，进行小功率慢速加热，当实际温度上升到100℃以上时，温度传感器的输出电压大于1V，电压比较器D输出低电平，可控硅T2也截止，电热元件断电，停止加热。总电路原理图：东华理工大学硬件设计11采用总线形式连接的原理图