温度测量与控制电路课程设计报告3

-1-【课题名称】温度测量与控制电路【摘要】温度测量与控制电路是在实际应用中相当广泛的测量电路。本次设计主要运用基本的模拟电子技术和数字电子技术的知识，同时综合温度传感器的相关应用，从基本的单元电路出发，实现了温度测量与控制电路的设计。总体设计中的主要思想：一、达到设计要求；二、尽量应用所学知识；三、设计力求系统简单可靠，有实际价值。{陈涛的部分}AD转换部分使用集成芯片AD574A；二进制到8421BCD码的转换用EEPROM281024实现；显示译码部分用74LS48和数码管实现；温度控制范围设定采用数字设定方式，用74LS160十进制加计数器和锁存器74LS175实现；温度的判断比较数值比较器74LS85的级联实现；通过使用74LS160和ADG508F实现了多路温度循环监测功能。{声光报警部分}温度控制执行部分采用555构成的单稳态电路，提高了加热系统与降温系统的稳定性和实用性。【关键词】：温度传感器A/D转换控制温度声光报警二进制转BCD译码显示【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【正文】一、系统概述和总体方案论证与选择方案A.如图1-1所示，温度传感器部分将温度线性地转变为电压信号，经过滤波放大，一路输入A/D转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压经过电压比较器进行比较输出高低电平指示信号，温度控制执行模块和声光报警部分。-2-图1-1总体方案A方案B.如图1-2所示，温度传感和A/D转换，译码显示，温控执行和报警均与方案A相同，不同处在于控制温度设定方式和温度超限判断方式。方案A的超限判断模块和控制温度设定主要使用模拟信号，该方案易受外界干扰如使用环境温度等因素，另外由滑变设定温度不易调节精确，实际中，若采用电池供电，电源电压的变化会影响其温控范围的准确性。方案B主要采用数字芯片逻辑控制实现，其工作的稳定性准确性和功能扩展性较强。图1-2总体方案B-3-二、单元电路设计（一）温度传感模块（一）关于温度传感方法的选择常用的具有传感功能的电路，有利用铂电阻，利用二极管，利用三级管，利用铂电阻，或直接利用现有的具有温度传感功能的芯片。1利用铂电阻测温度原理：铂电阻的组织随温度的变化而变化，通过电阻两端电压的变化来反映温度的变化。把电阻两端电压变化的信号经过处理后，就可以和预设电压进行比较，并显示。其电路如图1-1所示图1-1铂电阻测温电路的传感部分（其中R1为铂电阻）排除理由：热电阻在一定的范围内，有良好的线性关系，但是这个范围很窄，达不到课题要求的范围。而如果进行电阻线性化，则电路更加复杂，而且由于测温需要相对精确，为避免过多电路造成噪声等不利影响，将这个方案排除。-4-2利用二极管测温度原理：和铂电阻相似，但是利用的是二极管电压随温度变化而变化。使用中可以利用桥路将其连接（如图1-2所示），并用放大器放大后输出。这样的测温电路简易且实用。排除理由：灵敏度不高，变化范围太窄，线性化不是很好。3利用三极管测温度原理：利用了硅晶体管的基极和发射极之间的负温度系数，如图1-3所示。-5-图1-3三级管测温度电路图排除理由：灵敏度不高，可以用作判断报警，但不宜用于测量温度。4现有的温度传感芯片原理：现有的芯片如LM335，AD590，LTC1052等。排除理由：其工作电压范围最大为125℃，超过后虽然也有一定的线性关系，但若用于精度较高的测量温度电路就不太可行了。5热电偶测温法原理：如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫做测量端，接线端子叫做参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，即塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温度有关。与热电偶导体的长度和直径无关。热电偶测温电路是以热点偶为基础进行测温。采用理由：热偶在很大范围内线性非常明显，且测温范围广，响应速度快，抗干扰性强，所以最终选择了用热电偶组成传感电路。-6-（二）传感电路的整体思路说明图2传感电路（改进前）设计思路框架图如下：思路说明：K型热电偶作为主要的测温元件，其温度与电压的关系已知且稳定，线性化很好。由于点偶的特殊性，要对其进行冷接点补偿（详细内容在第四部分说明）。由于补偿选择的方案会产生很小的一部分噪声，所以要滤波（详细内容在第五部分）。由放大，加入另一电压信号，比例减法这三个部分构成了运算电路，这个电路不是单纯的放大，而是根据K型热敏的温度与电压的关系所设计的电路，这样就是把温度一比一地用电压表示出来（详细内容在第三部分）。最后没有输出1mV/℃的信号而是输出一个23.84mV/℃的信号，是为了接下来的电路控制和显示电路的需要。-7-（三）电路运算的说明注意：这里的运算电路与热电偶本身温度与电压的关系函数互为反函数思路说明：对于热点偶，其电压与温度满足U=0.226T-0.707其中电压对应为第一级放大的输入电压，也就是进行过温度补偿之后的电压，单位为毫伏，T为热力学温度。由于课题要求得到摄氏温度，所以进行换算得U=0.226(t+273.5)-0.707.从温度经过热电偶转化成电压，就是利用了这个公式。然后求这个函数的反函数，得到t=(100U-6100.4)/22.6.这个函数就是运算电路所实现的函数。这样一来，测得的温度值比如是x,经过热偶的电压与温度的关系式后，得到一个电压，设为y,满足y=f(x).再经过后面的运算电路，又出现新的电压，此时运算后的电压（设为z）与运算前的电压满足关系式z=g(y),f与g分别对应U=0.226(t+273.5)-0.707和t=(100U-6100.4)/22.6，他们互为反函数，故x=z.这样就实现了把温度的单位变成毫伏的转化，且每毫伏对应一度。如果把输出的电压直接接在毫伏表上，上面显示的读数，就是温度，不用再做任何的换算。但是由于后面电路对显示和判断的需要，进行了一次放大，放大到每摄氏度对应24.32mV（这个数值是负责显示数据的同学提供的）。根据得到的公式t=(100U-6100.4)/22.6，可以看出，需要进行放大，减法，除法的运算。由此公式算出的数据单位为，1mV/℃,为了使最后输出为23.84mV/℃，则还需一次放大。这样，运算电路的构成如下：首先用一个同相比例电路，实现100倍的放大，再由滑动变阻器提供6100.4mV的电压，最后减法运算，除法运算和乘法运算，用一个比例减法运算器一次完成。同相比例运算满足：A=1+R4/R3,这里取R4=99千欧姆，R3=1千欧姆。提供电压用的是200欧姆大小的滑动变阻器接在9V的电压上。然后两者进行比例减法运算。-8-对于比例减法运算电路，当R1=R2，R5=R6时，放大倍数为R6/R1（U2-U1），U1为变阻器上取得的电压，U2为一级放大传来的电压。由公式可知，当比例减法的比值为1:22.6时，得到1mV/℃的输出，而为了得到23.84mV/℃的输出，则把比值调整为23.84:22.6.最终选择R1=R2=226欧，R5=R6=238.4欧。总之，整个运算电路，把温度通过一个函数（热点偶的电压与温度关系函数）转变为电压信号，再通过这个函数的反函数（运算电路）把电压变成温度对应的变压，可以说是通过整个电路，给温度换了单位，把摄氏度换为毫伏，且1毫伏对应1摄氏度。最后为了显示和控制的需要，进行了一次放大。（四）冷接点温度补偿方法的选择1冷接点补偿的原因：热电偶是两种不同材料组成在一起形成的。如果热电偶的两端放在不同的温度区域中，会产生一定的电势。热偶输出的是两个端口温度差的函数。通常温度到的一端成为热端（或工作端），温度低的那端称为冷端（或自由端），则输出电压为U=f(T2-T1)若冷端为0，则输出电压为测试温度（热端）的单值函数。但实际中，冷端的温度不为零，则要进行补偿，是其在相应的温度下的电压为零度时的电压。如果精度要求不高时，可以近似忽略，但是精度要求高时，必须进行冷接点补偿。2冷接点补偿的总体思路：查资料得知，K点偶所需的补偿电压为41.269μV/℃,可使其两端电压变为0℃时两端的电压大小，从而达到补偿的效果3冷接点补偿的具体方法的选择：常见的补偿方法有：冷端恒温法，补偿导线法，数字补偿，查表法，不平衡电桥法，计算法，传感器温度补偿法。（1）冷端恒温法-9-原理：把冷端泡在冰水混合物中，使其温度稳定在0℃.排除理由；制作麻烦，时间长了还要对冰水混合物进行维护，如更换。而且一般的恒温容器，大小都有限制，这样热偶的大小也有了限制。这种方法只适合在实验室里采用，不用于实际当中。（2）补偿导线法原理：将热电偶的参考端经过补偿导线与仪表的输入端相连接，其补偿导线的热电特性与热电偶本身相似。排除理由：精度不高，而且自己对这个方法没有完全理解，所以排除此方法。（3）数字补偿法原理：如图4-3-3所示，集成温度传感器与热电偶的冷端置于同一温度中，集成温度传感器将冷端转换为电信号，通过放大调整成0至5V的电压，然后经A/D转换送入单片机。同时把点偶的输出电压经过放大和A/D转换后也送入单片机。将两个信号相加，实现温度补偿。-10-图4-3-3数字补偿法原理图排除理由：用到了传感器和单片机，虽然精度很高，结构过于复杂，成本也相应增加，适用于精度要求很高的测温，而在一般条件下使用则没有必要，所以将这个方案排除。（4）查表法原理：将热电偶的热电势与温度之间的函数关系用表格形式存入计算机，把热点偶的热电势与温度传感器测得的冷端环境温度对应的电势叠加后查表，并转化为相应得温度值。可以借助计算机完成，或是人工完成，取决于精度的要求和实效性的要求。-11-图4-3-4查表法程序流程图排除理由：若以上程序由计算机控制，则成本过大，如果不是特殊用途，则不必要；若是由人工完成，则实效性很差，只能用于单纯的测温，不可能实现实时监控或者报警。所以将这个方案舍弃（5）利用不平衡电桥原理：串联一个不平衡电桥，当参考端随温度上升或下降时，不平衡电桥对应进行补偿。具体电路如图4-3-5所示。其中R1，R2，R3为同种材料，具有相同的温度系数，而R4的温度系数比他们的都大。当温度为零度时，R1R2=R3R4.变化时，由于R4变化大，导致电桥两端的电压变化，从而进行温度补偿。-12-图4-3-5利用不平衡电桥温度补偿原理图排除理由：虽然电路简单，但是在参数的确定上十分复杂，而且不会像传感器那样灵敏。最主要的是根据资料，电桥补偿适用的温度范围很小，所以将这个方法排除。（6）计算法原理：将在冷接端产生的温度带入相应函数式中计算所需补偿的电压，并与测得的输出电压叠加。然后再进行修正，计算。排除理由：缺点查表补偿法相似，都是因为运算复杂，如果计算机实施，投入过大，如果人实施，时效性差。所以将这种方法排除。-13-（7）传感器温度补偿原理：温度传感器会根据温度的变化，其自身两端的电压或电流也相应发生变化，可由此对热电偶冷接点进行补偿，有电压电流两种传感器，因而也有两种补偿方法。电压型模拟集成电路冷端补偿法：图4-3-7-1电压型模拟集成电路冷端补偿法说明：LM335的温度系数为+10mV/K,输出电压经R2和R3分压后，得到补偿电压，通过选择R2和R3的大小，使电压和温度的关系变为达到温度补偿作用（如图4-3-7-1）电流型模拟集成电路冷端补偿法：说明：AD590是电流型模拟温度传感器，产生的电流在电阻上产生电压，通过滑动变阻器的调整，使补偿电压达到41.269μV/℃-14-图4-3-7-2电流型模拟集成电路冷端补偿法说明：1在整体测温方案论证里面，曾经排除了用传感器直接测温的方法，主要是因为其温度变化范围不够，一般到125℃,事实上，通过对其温度和电压或电流的观察可以看出，超过125℃之后，还是有一定的线性程度。但是如果用于测量温度的话，会对测量产生明显的影响，所以没有选择传感器直接测温度这种方法。但对于热电偶来说，由于每升高一度，电压变化相对比较大，所以作为温度补偿的模拟传感器线性化不是特别强时，造成的影响其实是可以忽略的。相