温度测量及控制

温度测量与控制电路32010801高一然，郭语，黄邵武1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！温度测量与控制电路32010801高一然，郭语，黄邵武2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………………………………………………….41.2工作原理…………………………………………………………………………………41.3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…………………………………………………………………………….52.1温度测量电路…………………………………………………………………………52.1.1温度测量的实现原理图………………………………………………………...52.1.2温度测量实现过程及参数计算…………………………………………………62.1.3调试重点及仿真结果……………………………………………………………82.2温度的控制和报警…………………………………………………………………….92.2.1温度控制原理………………………..………………………………………….92.2.2温度控制实现过程及参数设定…………………………………………………92.2.3仿真结果………………………………………………………………………….112.3显示部分………………………………………………………………………………..122.3.1基本设计思想…………………………………………………………………….122.3.2ICL7107引出端功能表…………………………………………………………...132.4自制直流稳压源………………………………………………………………………..142.5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32010801高一然，郭语，黄邵武3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。温度测量与控制电路32010801高一然，郭语，黄邵武4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温度的显示温度测量电路控制温度A/D转换比较器超温报警数码显示控制开关温度测量与控制电路32010801高一然，郭语，黄邵武5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U1ALM324N321141U2ALM324N321141U3ALM324N321141R111k¦¸R121k¦¸R95.1kΩR105.1kΩR1320kΩR1420kΩVCC12VVCC12VVCC12VRp230kΩKey=A30%XMM1XSC1ABExtTrig++__+_R110kΩR210kΩR3100¦¸Rp1500¦¸Key=A80%XMM2VDD9VVDD9VVEE-12V9876VDD01VCCVCC0VEE-12V4VCCVEE30U4OP07CN83247681R4200kΩR5200kΩC1100nFC2100nFVDD-12VXMM4VEE12VVEEVDD0013151210214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，输出电压温度传感器差动输入放大器低通滤波器温度测量与控制电路32010801高一然，郭语，黄邵武6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。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为摄氏温度方案二：集成温度传感器AD590AD590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=10kΩR110kΩR210kΩR3100¦¸Rp1500¦¸Key=A80%XMM2VDD9VVDD0513图2.1VCC5VR1910ΩR2200ΩKey=A50%X1AD590IO1IO1IO2IO2VCCX2OUTIO1IO1102图2.2温度测量与控制电路32010801高一然，郭语，黄邵武7∵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，而温度测量与控制电路32010801高一然，郭语，黄邵武8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/(